CN108475586A - 非水系锂蓄电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的锂蓄电元件包含正极、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,在无孔状正极集电体的双面涂布有活性物质,在无孔状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;将正极活性物质层Cx面的基重设为Cx1、将另一个面的正极活性物质层Cy面的基重设为Cy1,将与Cy面对置的负极活性物质层Ay面的基重设为Ay1、将另一个面即负极活性物质层Ax面的基重设为Ax1,将Cx面的单位面积的锂化合物量设为Cx2、将Cy面的单位面积的锂化合物量设为Cy2时,满足下述式。0.85≤Cx1/Cy1≤1.15、0.85≤Ax1/Ay1≤1.15、0.80≤(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)≤1.20、0.1≤Cx2(g/m2)≤18、0.1≤Cy2(g/m2)≤18、0.60≤Cy2/Cx2≤1.70、0.60≤Cx2/Cy2≤1.70。
Description
【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。
第二要求的事项为高输出特性。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,要求蓄电系统在加速时发挥出高输出放电特性。
目前,作为高输出蓄电元件,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0.5~1kW/L左右的输出特性。该双电层电容器不仅输出特性高,而且耐久性(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,其能量密度只不过为1~5Wh/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通常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特性、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,还面向高输出化进行了研究。例如,开发出了放电深度(即,蓄电元件的放电量相对于放电容量的比例(%))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,对于这样的锂离子电池来说,为了具有实用的耐久性,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、高输出特性以及高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(以下也称为“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,通常在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,在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,因而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。进而,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,因而其是兼具双电层电容器和锂离子二次电池的特征的不对称电容器。并且锂离子电容器具有下述特征:虽然为高输出且为高耐久性,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。
对于上述说明的蓄电元件(特别是锂离子二次电池)的正极进行了各种研究。
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,专利文献1~3所述的正极在锂离子电容器等不对称电容器中的应用方面仍存在改良的余地,特别是完全未针对在非水系锂蓄电元件的高负载充放电循环中抑制正极中的锂化合物的分解、并且抑制气体产生和电阻上升进行研究。另外,关于专利文献1~3所述的电极在包含具有复杂的层构成的电极层压体或电极卷绕体的非水系蓄电元件中的应用仍存在改良的余地,特别是针对对于非水系锂蓄电元件的内部短路时的热失控、高负载充放电循环中的电阻上升以及高温高电压环境下的气体产生的全部进行抑制的情况完全没有进行研究。在专利文献4中提出了一种表面和背面的电极层的厚度偏差小的锂离子电容器。但是,专利文献4所记载的电极中完全未考虑内部短路时的热失控的抑制。
另一方面,专利文献5中提出了一种蓄电元件,其使用活性炭作为正极活性物质,使用下述的碳质材料作为负极活性物质,该碳质材料是利用化学方法或电化学方法预先使锂吸收于能够以离子化状态吸收和释放锂的碳材料而得到的。在专利文献5中,作为碳材料,示例出了天然石墨、人造石墨、石墨化中间相碳微球、石墨化中间相碳纤维、石墨晶须、石墨化碳纤维、糠醇树脂或酚醛清漆树脂的热分解物、沥青、焦炭等多环烃缩合高分子化合物的热分解物等。
在专利文献6~10中分别提出了电极和蓄电元件,其中作为正极活性物质使用活性炭,作为负极活性物质使用在活性炭的表面附着有碳质材料的复合多孔性材料,在负极活性物质预先掺杂有规定量的锂。与在负极活性物质中使用了石墨等其他材料的锂离子电容器相比,使用了这些负极活性物质的锂离子电容器的内部电阻更低,因而可得到高输入输出特性。
作为锂离子电容器的用途,例如可以举出铁路、建筑机械、汽车用蓄电元件等。在这些用途中,要求维持高输入输出特性或高负载充放电循环特性,同时还要求能量密度的进一步提高。
作为提高能量密度的方法之一,有在维持相同能量的同时将负极活性物质层薄膜化来缩小电池体积的方法。由于随着负极活性物质层的薄膜化,单位面积的负极中的负极活性物质的质量会降低,因而在对锂离子电容器进行充放电时,每单位质量的负极活性物质的利用容量增大。即,在将负极活性物质层薄膜化时,优选使用可逆容量大的负极材料。作为这样的负极材料,可以举出与锂形成合金的硅、硅氧化物、锡等合金系负极材料。
在非专利文献1中公开了在正极活性物质中使用活性炭、在负极活性物质中使用硅的锂离子电容器。但是,根据本发明人的研究可知,在使用这样的锂离子电容器以非常大的电流实施多次充放电循环(以下也称为“高负载充放电循环”)时,容量显著降低,负极活性物质层的膜厚越小,该倾向越显著。
【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:国际公开第2012/63545号
专利文献5:日本特开平8-107048号公报
专利文献6:日本特开2001-229926号公报
专利文献7:国际公开第2002/041420号
专利文献8:日本特开2003-346801号公报
专利文献9:日本特开2003-346802号公报
专利文献10:日本特开2010-267875号公报
【非专利文献】
非专利文献1:高桥耕路朗等、“LiプレドープSi負極を利用した大容量ハイブリットキャパシタ的創製(利用了Li预掺杂Si负极的大容量混合式电容器的创制)”、东京农工大、电中研、第55次电池讨论会2014年11月19日~21日、P198
【发明内容】
【发明所要解决的课题】
鉴于上述现状,本发明所要解决的课题在于,在非水系锂蓄电元件中,抑制内部短路时的热失控,抑制高负载充放电循环中的电阻上升,并且抑制因高温环境下锂化合物的分解所致的气体产生,具有高能量密度并且表现出较高的高负载充放电循环特性。本发明是基于该技术思想而进行的。
【解决课题的手段】
上述课题通过以下的技术手段来解决。
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含至少一个正极、至少一个负极、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,
在上述正极的无孔状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0.85以上1.15以下,
将与上述Cy面对置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0.85以上1.15以下、且(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下,并且
将单位面积的上述Cx面的上述锂化合物的量设为Cx2(g/m2)、将单位面积的上述Cy面的上述锂化合物的量设为Cy2(g/m2)时,Cx2和Cy2分别为0.1以上18以下、且Cy2/Cx2和Cx2/Cy2分别为0.60以上1.70以下。
[2]
如[1]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)为0.70以上1.30以下。
[3]
如[1]或[2]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)为0.80以上1.20以下。
[4]
如[1]~[3]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述正极含有相对于上述正极物质层的每单位质量为1.60×10-4mol/g~300×10-4mol/g的选自由下式(1)~(3)所表示的化合物组成的组中的至少一种,
LiX1-OR1O-X2Li 式(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(此处,n为0或1)}
LiX1-OR1O-X2R2 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1}
R2X1-OR1O-X2R3 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1)}。
[5]
如[4]中所述的非水系锂蓄电元件,将上述Cy面的每单位质量的由上述式(1)~(3)表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。
[6]
如[5]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,将上述Ay面中含有的由上述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Ay3(mol/g)时,Cy3/Ay3为0.2以上20以下。
[7]
如[1]~[6]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述锂化合物为选自由碳酸锂、氧化锂以及氢氧化锂组成的组中的至少一种。
[8]
如[1]~[6]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,将上述Cx面和Cy面的碳酸根离子分布像的面积比例分别设为Sx%和Sy%时,Sx和Sy分别为1以上40以下,并且Sx/Sy为0.5以上1.5以下。
[9]
如[1]~[8]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述非水系锂蓄电元件包含电极层压体或电极卷绕体,该电极层压体或电极卷绕体是上述正极和上述负极隔着上述隔板进行层压或卷绕而成的,
上述电极层压体或电极卷绕体包含上述负极作为至少一个最外层,并且作为上述最外层的上述负极具有不与上述正极对置的负极活性物质层Aw面,并且
将上述Aw面中包含的单位面积的锂离子量设为Aw1(mol/m2)、将上述Aw面的背面的负极活性物质层设为Az面、并且将上述Az面中包含的单位面积的锂离子量设为Az1(mol/m2)时,Aw1/Az1为0.01以上0.45以下。
[10]
如[9]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,将与上述Az面对置的正极活性物质层设为Cz面时,上述Cz面中包含的单位面积的上述活性物质量Cz1(g/m2)为10以上50以下,上述Cz面中包含的单位面积的上述锂化合物量Cz2(g/m2)为0.1以上18.0以下,并且Cz2/Cz1为0.03以上0.5以下。
[11]
如[9]或[10]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述Aw面中包含的单位面积的负极活性物质量Aw2(g/m2)与上述Az面中包含的单位面积的负极活性物质量Az2(g/m2)之比Aw2/Az2为0.85以上1.15以下。
[12]
如[10]中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Cz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Sz%时,Sz为1以上40以下。
[13]
如[10]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述Cz面包含选自由下式(1)~(3)所表示的化合物组成的组中的至少一种,并且
将上述Cz面的每单位质量的由上述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Cz3(mol/g)时,Cz3为1.60×10-4以上300×10-4以下,
LiX1-OR1O-X2Li 式(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(此处,n为0或1)}
LiX1-OR1O-X2R2 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1)}
R2X1-OR1O-X2R3 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1)}。
[14]
如[13]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,将上述负极活性物质层Az面的每单位质量的由上述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Az3(mol/g)时,Cz3/Az3为0.2以上20以下。
[15]
如[1]~[14]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述锂离子相对于上述负极活性物质的掺杂量在每单位质量的该负极活性物质中为530mAh/g以上2,500mAh/g以下。
[16]
如[15]中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。
[17]
如[1]~[14]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述锂离子相对于上述负极活性物质的掺杂量在每单位质量的该负极活性物质中为50mAh/g以上700mAh/g以下。
[18]
如[17]中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。
[19]
如[1]~[14]、[17]和[18]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。
[20]
如[1]~[19]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
上述正极活性物质层中的正极活性物质包含活性炭,并且
上述负极活性物质包含与锂形成合金的合金系负极材料。
[21]
如[20]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述合金系负极材料为选自由硅、硅化合物、锡、锡化合物以及它们与碳或碳质材料的复合材料组成的组的至少一种。
[22]
如[20]或[21]中所述的非水系锂蓄电元件,其中,以上述正极活性物质层的全部质量为基准,上述正极中的上述锂化合物的含有比例为1质量%以上50质量%以下。
[23]
如[20]~[22]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述锂化合物的平均粒径为0.1μm以上10μm以下。
[24]
如[20]~[23]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,上述负极活性物质层的厚度在每个单面为1μm以上30μm以下。
[25]
如[20]~[24]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
将上述非水系锂蓄电元件的电能设为Wh(Wh)、将上述蓄电元件的体积设为Vi(L)时,Wh/Vi为15以上50以下,
对于上述非水系锂蓄电元件,以环境温度25℃、电池电压2.2V至3.8V、300C的倍率进行60,000次充放电循环,将上述充放电循环后的内部电阻设为Rb(Ω)、将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。
[26]
如[20]~[25]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,对于上述活性炭,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以及0.5≤V2≤1.0,并且通过BET法测定出的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
[27]
如[20]~[25]中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,对于上述活性炭,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以及0.8<V2≤3.0,并且通过BET法测定出的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g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。
[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。
[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。
[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。
[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。
[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。
【发明的效果】
根据本发明,可提供一种非水系锂蓄电元件,其在内部短路时的热失控受到抑制,因高温环境下锂化合物的分解所致的气体产生少,高负载充放电循环中的电阻上升受到抑制,并且显示出高能量密度和高负载充放电循环特性。
【附图说明】
图1示出本发明第一实施方式的电极层压体截面的正极活性物质层Cx面和Cy面与负极活性物质层Ax面和Ay面的对置状态的图。
图2是本发明第二实施方式的非水系锂蓄电元件在厚度方向的截面示意图。
图3是本发明第三实施方式的用于测定负极集电体的十点平均粗糙度Rzjis的截面曲线的示意图。
【具体实施方式】
下面对本发明的实施方式(以下称为“本实施方式”)进行详细说明,但本发明并不限于本实施方式。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、以及电解液作为主要构成要素。作为电解液,使用包含锂离子的有机溶剂(以下也称为“非水系电解液”)。
图1示出本发明第一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对置状态。在本发明第一实施方式的非水系锂蓄电元件的外装体(9)中收纳有将正极和负极隔着隔板(7)进行层压而成的电极层压体(8)。
在电极层压体(8)中,至少一个正极包含无孔状正极集电体(3),并且在无孔状正极集电体(3)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(1)的正极活性物质层以及具有正极活性物质层Cy面(2)的正极活性物质层。
在电极层压体(8)中,至少一个负极包含无孔状负极集电体(6),并且在无孔状负极集电体(6)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(4)的负极活性物质层以及具有负极活性物质层Ay面(5)的负极活性物质层。
如图1所示,正极活性物质层Cx面(1)与负极活性物质层Ax面(4)隔着隔板(7)对置,而且/或者正极活性物质层Cy面(2)与负极活性物质层Ay面(5)隔着隔板(7)对置。
尽管图1中未示出,但也可以在电极层压体的最外侧配置与后述的正极前体相对应的锂掺杂工序后的正极。
图2是本发明第二实施方式的非水系锂蓄电元件在厚度方向的截面示意图。在本发明第二实施方式的非水系锂蓄电元件的外装体(9)中收纳有电极层压体(8)或电极卷绕体(未图示),该电极层压体(8)或电极卷绕体是正极和负极隔着隔板(7)进行层压或卷绕而成的。
电极层压体(8)或电极卷绕体(未图示)按照一个负极相对于一个正极的一个面对置、且另一负极相对于同一正极的另一个面对置的方式来构成。
至少一个负极包含无孔状负极集电体(6)、且在无孔状负极集电体(6)的双面涂布有能够吸收和释放锂离子的负极活性物质。电极层压体(8)的至少一个最外层为负极,且作为最外层的负极具有不与正极对置的负极活性物质层Aw面(10)。在电极卷绕体(未图示)的情况下,负极活性物质层Aw面(10)为卷绕体的露出面、并且为不与正极对置的面。另外,负极的与Aw面相反一侧的面(所谓负极的背面)为负极活性物质层Az面(11)。
至少一个正极包含无孔状正极集电体(3),且在无孔状正极集电体(3)的双面涂布活性物质。正极的正极活性物质层Cz面(12)与负极活性物质层Az面(11)根据期望隔着隔板(7)相对。
<正极>
本实施方式中的正极具有正极集电体以及设置于其单面或双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层。至少一个正极具有无孔状正极集电体以及设置于其双面上的包含正极活性物质的正极活性物质层。
在本申请说明书中,“无孔状正极集电体”是指,在至少涂布正极活性物质层的区域不具有下述程度的孔的正极集电体,该程度的孔可使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。因此,在可发挥出本发明效果的范围内,也并不排除具有极小径或微量的孔的正极集电体、以及在未涂布正极活性物质层的区域具有孔的正极集电体。另外,在本实施方式中,正极集电体中至少涂布有极活性物质层的区域为无孔状,正极集电体中未涂布正极活性物质的剩余部分可以有孔、也可以无孔。
关于本实施方式中的正极,作为组装蓄电元件前的正极前体,优选包含活性物质以外的锂化合物。如后所述,本实施方式中,优选在组装蓄电元件的工序中在负极中预掺杂锂离子。作为本实施方式中的预掺杂方法,优选使用包含锂化合物的正极前体、负极、隔板以及非水系电解液组装蓄电元件,之后在正极前体与负极之间施加电压。锂化合物可以以任意方式包含在正极前体和正极中。例如,锂化合物可以存在于正极集电体与正极活性物质层之间,也可以存在于正极活性物质层的表面上。上述锂化合物优选包含在形成于正极前体的正极集电体上的正极活性物质层内。
在本申请说明书中,将锂掺杂前的正极定义为“正极前体”,将锂掺杂后的正极定义为“正极”。
[正极活性物质层]
正极活性物质层包含正极活性物质,除此以外,还可以根据需要包含导电性填料、粘合剂以及分散稳定剂等任意成分。正极活性物质优选包含碳材料。
正极前体的正极活性物质层优选包含锂化合物。
[正极活性物质]
正极活性物质是在蓄电元件的充放电时参与法拉第反应或非法拉第反应的物质,优选包含碳材料。作为碳材料,可以优选举出碳纳米管、导电性高分子以及多孔性的碳材料,进一步优选为活性炭。正极活性物质可以混合包含两种以上的材料,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。
碳材料的含量相对于正极活性物质的合计质量优选为50质量%以上、更优选为70质量%以上。碳材料的含量也可以为100质量%,但是从良好地得到通过与其他材料合用所产生的效果的方面考虑,优选为例如90质量%以下,也可以为80质量%以下。
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。具体地说,将通过BJH法计算出的来源于直径为以上以下(即,200nm以上5000nm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以及0.5≤V2≤1.0、并且通过BET法测定出的比表面积为1,500m2/g以上3,000m2/g以下活性炭(下文中也称为“活性炭1”),并且
(2)为了得到高能量密度,优选满足0.8<V1≤2.5以及0.8<V2≤3.0、并且通过BET法测定出的比表面积为2,300m2/g以上4,000m2/g以下活性炭(下文中也称为“活性炭2”)。
下面对(1)活性炭1和(2)活性炭2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,活性炭1的V1优选为0.8cc/g以下。活性炭1的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,活性炭1的V2优选为1.0cc/g以下。活性炭1的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。
活性炭1的中孔量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能够在维持高容量的同时抑制输出特性的降低的程度这样的方面出发,活性炭1的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能够在维持高输出特性的同时抑制容量的降低的程度这样的方面出发,活性炭1的V1/V2优选为0.9以下。活性炭1的V1/V2的范围更优选为0.4≤V1/V2≤0.7、进一步优选为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。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。
从使所得到的蓄电元件的输出增大的方面出发,活性炭1的平均细孔径优选为以上、更优选为以上、进一步优选为以上。从使容量增大的方面出发,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。活性炭1的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,无需为了确保电极的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例如可以使用以下说明的原料和处理方法来得到。
在本实施方式中,对于作为活性炭1的原料使用的碳源没有特别限定。作为活性炭1的碳源,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。
作为用于由这些原料制作活性炭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。更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0.5~3.0kg/h、优选0.7~2.0kg/h的比例供给,同时利用3~12小时、优选5~11小时、进一步优选为6~10小时的时间将碳化物升温至800~1,000℃进行活化。
进而,在碳化物的活化处理之前,可以预先对碳化物进行1次活化。在该1次活化中,通常优选使用水蒸气、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来进行气体活化。
通过将碳化方法中的烧制温度和烧制时间与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地组合,能够制造出本实施方式中优选的具有上述特征的活性炭1。
活性炭1的平均粒径优选为2~20μm。活性炭1的平均粒径为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。若活性炭1的平均粒径小,则耐久性可能会降低,但若平均粒径为2μm以上,则耐久性不容易降低。若活性炭1的平均粒径为20μm以下,则具有容易适合于高速充放电的倾向。活性炭1的平均粒径更优选为2~15μm、进一步优选为3~10μm。
(活性炭2)
从增大将正极材料组装到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的降低的方面出发,该中孔量V1优选为2.5cc/g以下。活性炭2的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。
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,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,活性炭2的V2优选为3.0cc/g以下。活性炭2的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3,000m2/g以上4,000m2/g以下、进一步优选为3,200m2/g以上3,800m2/g以下。活性炭2的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,活性炭2的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例如可使用以下说明的原料和处理方法得到。
关于作为活性炭2的原料使用的碳质材料,只要是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,酚树脂以及呋喃树脂适于制作高比表面积的活性炭2,是特别优选的。
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与其他气体混合而成的气体。通常为以碳化温度为400~700℃左右、碳化时间为0.5~10小时左右的条件进行烧制的方法。
作为碳化处理后的碳化物的活化方法,可以举出使用水蒸气、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。制作高比表面积的活性炭时,优选碱金属活化法。
在该活化方法中,优选将碳化物与KOH、NaOH等碱金属氢氧化物按照质量比为1:1以上(碱金属氢氧化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℃的范围进行0.5~5小时加热,其后将碱金属化合物利用酸和水清洗除去,进一步进行干燥。
为了增大微孔量而不增大中孔量,可以在活化时增多碳化物的量来与KOH混合。为了增大微孔量和中孔量这两者,可以多使用KOH的量。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、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1种活性炭,也可以为2种以上的活性炭的混合物且作为混合物整体显示出上述的特性。
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,该材料例如为不具有上述特定的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)。在例示的方式中,活性炭1的含量、活性炭2的含量、或者活性炭1和活性炭2的合计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、进而更优选为100质量%。
以正极前体中的正极活性物质层的全部质量为基准,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。通过使正极活性物质的含有比例为该范围,可发挥出合适的充放电特性。
(锂化合物)
在本说明书中,锂化合物是指含有锂的物质,但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,适于使用选自碳酸锂、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1种以上。其中,碳酸锂、氧化锂以及氢氧化锂是更合适的锂化合物,从能够在空气中进行处理并且吸湿性低的方面出发,进一步适于使用碳酸锂。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中形成空孔,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,还可以使用一种以上的选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸铷以及碳酸铯中的碱金属碳酸盐。作为非水系电解液使用后述的预先溶解有LiPF6等锂盐的电解液的情况下,也可以单独使用碱金属碳酸盐。正极前体中包含的锂化合物可以仅为1种,也可以包含2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,还可以包含下述化学式所示化合物中的1种以上(下式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的1种以上):
M2O等氧化物、
MOH等氢氧化物、
MF及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,正极前体也可以包含一种以上的选自BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、或者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。
本实施方式的正极前体可以包含锂化合物的微粒。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。
(正极活性物质层的其他成分)
在本实施方式的正极活性物质层中,除了正极活性物质和锂化合物以外,还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大于0且为20质量份以下、更优选为1~15质量份的范围。从高输入特性的方面出发,正极活性物质层优选包含导电性填料。正极活性物质层中的导电性填料的混合量为20质量份以下时,正极活性物质层中的正极活性物质的含有比例增多,能够确保正极活性物质层的单位体积的能量密度。
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,离子在正极活性物质中的进出和扩散不会受到阻碍,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,粘合剂的用量优选大于0质量份且为10质量份以下。分散稳定剂的量为10质量份以下时,离子在正极活性物质中的进出和扩散不会受到阻碍,表现出高输入输出特性。
[正极集电体]
作为构成本实施方式中的正极集电体的材料,只要是电子传导性高、不容易发生在电解液中的溶出以及由于与电解质或离子的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。
金属箔可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,或者只要可作为上述定义的“无孔状正极集电体”来使用,也可以是实施了压纹加工、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。
只要能够充分保持正极的形状和强度,对正极集电体的厚度没有特别限制,例如优选为1~100μm。需要说明的是,正极集电体具有孔或凹凸的情况下,基于不存在孔或凹凸的部分来测定正极集电体的厚度。
[正极前体的制造]
在本实施方式中,形成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在水或有机溶剂中来制备浆料状的涂布液,将该涂布液涂布在正极集电体上的单面或双面上来形成涂膜,将该涂膜干燥,从而得到正极前体。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。或者也可以为下述的方法: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,将所得到的混合物压制成型后,使用导电性粘合剂贴附在正极集电体上。
正极前体的涂布液可以如下制备:将包含正极活性物质的各种材料粉末的一部分或全部干混,接着追加水或有机溶剂、和/或在它们中溶解或分散有粘合剂或分散稳定剂的液状或浆料状的物质,制备出正极前体的涂布液。或者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,在所得到的液状或浆料状的物质中追加包含正极活性物质的各种材料粉末,制备出正极前体的涂布液。作为干混的方法,例如可以举出使用球磨机等对正极活性物质和锂化合物、以及必要时的导电性填料进行预混合,进行将导电材料涂布至导电性低的锂化合物的预混合。由此,在后述的锂掺杂工序中在正极前体中锂化合物容易发生分解。在涂布液的溶剂使用水的情况下,涂布液也可能由于加入锂化合物而成为碱性,可以根据需要向涂布液中添加pH调节剂。
对溶解或分散方法没有特别限制,可以适宜地使用均质分散机、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。为了得到分散状态良好的涂布液,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。圆周速度为50m/s以下时,各种材料不容易因分散产生的热或剪切力被破坏,不容易发生再凝聚,因而优选。
关于涂布液的分散度,由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以上意味着在制作涂布液时包含正极活性物质的各种材料粉末不会被过度破碎。另外,粒度为100μm以下时,排出涂布液时的堵塞和产生涂膜条纹等的情况较少,能够稳定地涂布。
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、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。正极前体的涂布液的粘度(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。正极前体的涂布液的粘度(ηb)为20,000mPa·s以下时,使用涂布机时涂布液的流路中的压力损失少,能够稳定地涂布,能够控制在所期望的涂膜厚度以下。
正极前体的涂布液的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。正极前体的涂布液的TI值为1.1以上时,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。
对正极前体的涂膜的形成方法没有特别限制,可适宜地使用模涂机、逗号涂布机、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来形成,也可以进行多层涂布来形成。在多层涂布的情况下,可以调整涂布液组成以使得涂膜各层内的锂化合物的含量不同。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,涂布液能够稳定地涂布。涂布速度为100m/分钟以下时,能够充分确保涂布精度。
对正极前体的涂膜的干燥方法没有特别限制,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,也可以多阶段地改变温度来进行干燥。另外,还可以将多种干燥方法组合来进行干燥。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。干燥温度为200℃以下时,能够抑制急剧的溶剂挥发所致的涂膜龟裂和迁移所致的粘合剂不均、或者正极集电体或正极活性物质层的氧化。
对正极前体的压制方法没有特别限制,可以适宜地使用油压机、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通过后述的压制压力、压制辊之间的间隙、或者压制部的表面温度来进行调整。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。压制压力为20kN/cm以下时,正极前体不容易产生弯曲和褶皱,容易将正极活性物质层膜调整为所期望的膜厚和堆积密度。
关于压制辊之间的间隙,可以根据干燥后的正极前体膜厚,按照正极活性物质层达到所期望的膜厚和堆积密度的方式设定为任意的值。
关于压制速度,可以设定为降低正极前体的弯曲和褶皱的任意速度。
压制部的表面温度可以为室温,也可以根据需要对压制部的表面进行加热。加热的情况下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减去60℃的温度以上、更优选为粘合剂的熔点减去45℃的温度以上、进一步优选为粘合剂的熔点减去30℃的温度以上。加热的情况下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加上50℃的温度以下、更优选为粘合剂的熔点加上30℃的温度以下、进一步优选为粘合剂的熔点加上20℃的温度以下。例如,在粘合剂使用PVdF(聚偏二氟乙烯:熔点150℃)的情况下,将压制部的表面加热到优选为90℃以上200℃以下、更优选为105℃以上180℃以下、进一步优选为120℃以上170℃以下。在粘合剂使用苯乙烯-丁二烯共聚物(熔点100℃)的情况下,将压制部的表面加热到优选为40℃以上150℃以下、更优选为55℃以上130℃以下、进一步优选为70℃以上120℃以下。
粘合剂的熔点可以由DSC(Differential Scanning Calorimetry、差示扫描量热分析)的吸热峰位置求出。例如,使用PerkinElmer公司制造的差示扫描量热计“DSC7”,将试样树脂10mg置于测定池中,在氮气气氛中以10℃/分钟的升温速度从温度30℃升温至250℃,此时升温过程中的吸热峰温度为熔点。
也可以一边改变压制压力、间隙、速度、或者压制部的表面温度的条件一边实施多次压制。
正极活性物质层的厚度在正极集电体的每个单面优选为20μm以上200μm以下、正极活性物质层的厚度更优选在每个单面为25μm以上100μm以下、进一步优选为30μm以上80μm以下。正极活性物质层的厚度为20μm以上时,能够表现出充分的充放电容量。正极活性物质层的厚度为200μm以下时,能够较低地维持电极内的离子扩散电阻。因此,正极集电体层的厚度为20μm以上200μm以下时,能够得到充分的输出特性、同时缩小电池体积,从而能够提高能量密度。需要说明的是,正极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正极集电体的不具有贯通孔或凹凸的部分的每个单面的正极活性物质层的厚度的平均值。
后述的锂掺杂工序后的正极中的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。正极活性物质层的堆积密度为1.3g/cm3以下时,正极活性物质层内的空孔中的电解液的扩散充分,可得到高输出特性。
<负极>
本实施方式中的负极具有负极集电体和设置在其单面或双面上的包含负极活性物质的负极活性物质层。
在本申请说明书中,“无孔状负极集电体”是指,在至少涂布有负极活性物质层的区域不具有下述程度的孔的负极集电体,该程度的孔可使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。因此,在可发挥出本发明效果的范围内,也并不排除具有极小径或微量的孔的负极集电体、以及在未涂布有负极活性物质层的区域具有孔的负极集电体。另外,在本实施方式中,负极集电体中至少涂布有负极活性物质层的区域为无孔状,负极集电体中未涂布负极活性物质的剩余部分可以有孔、也可以无孔。
[负极活性物质层]
负极活性物质层包含负极活性物质,还可以根据需要包含导电性填料、粘合剂、分散材稳定剂等任意成分。
[负极活性物质]
负极活性物质可以使用能够吸收和释放锂离子的物质。作为负极活性物质,具体地说,可以举出碳材料、与锂形成合金的材料(下文中也称为“合金系负极材料”)等。对合金系负极材料没有特别限制,优选包含选自由硅、硅化合物、锡和锡化合物以及它们与碳或碳质材料的复合材料组成的组中的至少一种。硅化合物优选为硅氧化物、更优选为SiOx(式中,x为0.01≤x≤1的范围内的数)。相对于负极活性物质、导电性填料、粘合剂、分散稳定剂等的合计质量,碳材料或合金系负极材料的含量优选为50质量%以上、更优选为70质量%以上。碳材料或合金系负极材料的含量也可以为100质量%,但从良好地获得通过与其他材料合用而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。
复合材料优选为将选自由硅、硅化合物、锡以及锡化合物组成的组中的至少一种基材与下述的碳或碳质材料通过热处理等进行复合而成的材料,所述碳或碳质材料选自由下述材料组成的组中的至少一种: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;人工石墨;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;对石油系沥青、煤炭系沥青、中间相碳微珠、焦炭、合成树脂(例如酚树脂等)等碳质材料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;和碳纳米角。
它们之中,特别优选可以在使1种以上的上述基材与石油系沥青或煤炭系沥青共存的状态下进行热处理而得到的复合材料。在进行热处理之前,可以在高于沥青熔点的温度将基材与沥青混合。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为碳质材料的温度即可。热处理温度优选为400℃以上2500℃以下、更优选为500℃以上2000℃以下、进一步优选为550℃以上1500℃以下。对进行热处理的气氛没有特别限制,优选为非氧化性气氛。
作为碳材料,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;对石油系沥青、煤炭系沥青、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;以及这些的复合碳材料。
作为碳材料没有特别限制,可以使用活性炭、炭黑、模板多孔质碳、高比表面积石墨、碳纳米颗粒等。
这些之中,从降低负极的电阻的方面出发,优选能够在使1种以上的碳材料与石油系沥青或煤炭系沥青共存的状态下进行热处理而得到的沥青复合碳材料。也可以在进行热处理之前在高于沥青熔点的温度下将碳材料与沥青混合。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。
沥青复合碳材的优选实例为后述的沥青复合碳材料1和2。可以使用它们中的任一种,或者也可以将这两者合用。
在本申请说明书中,沥青复合碳材料1是可以通过在使1种以上的BET比表面积为100m2/g以上3000m2/g以下的碳材料与石油系沥青或煤炭系沥青共存的状态下进行热处理而得到的材料。
在一个实施方式中,沥青复合碳材料1的BET比表面积优选为100m2/g以上1,500m2/g以下。
在一个实施方式中,每单位质量的沥青复合碳材料1中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、更进一步优选为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负极活性物质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增高、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增高。
每单位质量的沥青复合碳材料1中的锂离子的掺杂量为530mAh/g以上时,即使是在复合碳材料1中的一旦插入锂离子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负极活性物质的量。因此,能够使负极膜厚变薄,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。
每单位质量的沥青复合碳材料1中的锂离子的掺杂量为2,500mAh/g以下时,不容易产生锂金属的析出等副作用。
沥青复合碳材料2是可以通过在使1种以上的BET比表面积为1m2/g以上30m2/g以下的碳材料与石油系沥青或煤炭系沥青共存的状态进行热处理而得到的材料。
在另一实施方式中,也优选沥青复合碳材料2的BET比表面积为1m2/g以上50m2/g以下。
在另一实施方式中,每单位质量的负极活性物质中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、更进一步优选为100mAh/g以上550mAh/g以下。
每单位质量的沥青复合碳材料2中的锂离子的掺杂量为50mAh/g以上时,即使是在复合碳材料2中的一旦插入锂离子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。
每单位质量的沥青复合碳材料2中的锂离子的掺杂量为700mAh/g以下时,不容易产生锂金属的析出等副作用。
需要说明的是,在本实施方式中,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(即,每单位质量的负极中的容量)的测定可以按照实施例的项目中的说明来进行。
沥青复合碳材料1和2的平均粒径优选为1μm以上10μm以下,其下限值更优选为2μm以上、进一步优选为2.5μm以上,其上限值更优选为6μm以下、进一步优选为4μm以下。负极活性物质的平均粒径为1μm以上10μm以下时,可确保良好的耐久性。
合金系负极材料的平均粒径优选为0.01μm以上30μm以下。平均粒径为0.01μm以上时,与非水系电解液的接触面积增加,因而能够降低锂离子二次电池的电阻。合金系负极材料的平均粒径为30μm以下时,能够使负极活性物质层充分薄膜化,因而能够提高锂离子二次电池的能量密度。
合金系负极材料的平均粒径可以通过使用内置分级机的湿式和干式喷射式粉碎机、搅拌型球磨机等将合金系负极材料粉碎来进行调整。粉碎机具备离心力分级机,在氮、氩等惰性气体环境下粉碎的微粒可以利用旋风分离器或集尘机进行捕集。
本实施方式中的平均粒径通过以下的方法求出。首先利用下述方法测定活性物质的1次粒径。若1次粒径为小于1μm的值,则将1次粒径作为平均粒径。若1次粒径为1μm以上,则使用粒度分布测定装置测定活性物质粉末的粒度分布,设总体积为100%求出累积曲线,将该累积曲线达到50%的点的粒径(即50%径(中位径))作为平均粒径。作为粒度分布测定装置,可示例出激光衍射式粒度分布测定装置等。
本实施方式中的活性物质的1次粒径通过以下方法求出。
1)利用电子显微镜对活性物质的粉体进行多个视野的拍摄,对于这些视野中的颗粒的粒径,使用全自动图像处理装置等计测2,000~3,000个左右,将它们的算术平均值作为1次粒径的方法。
2)利用电子显微镜对所得到的电极的表面和/或截面进行多个视野的拍摄,利用上述方法进行算术平均来求出1次粒径的方法。
关于组装在锂离子二次电池中的活性物质的1次粒径,可以将锂离子二次电池拆开并取出电极,通过上述的方法2)进行测定;或者从取出的电极中除去活性物质以外的成分,通过上述的方法1)进行测定。
将锂离子二次电池拆开并取出电极的操作优选在氩等惰性气氛下进行。
为了从电极中除去活性物质以外的成分,例如可以利用以下的方法进行。首先将取出的电极浸渍在碳酸甲乙酯或碳酸二甲酯中,除去非水系电解液、锂盐等并进行风干。接着,将风干后的电极浸渍在由甲醇和异丙醇构成的混合溶剂中,使被活性物质吸收的锂离子失活,并再次进行风干。接着,为了除去活性物质层中包含的粘合剂,将锂离子已失活的电极浸渍在蒸馏水或NMP中。接下来,根据需要用刮勺等剥下活性物质,之后对电极照射超声波,使活性物质从集电体滑落,通过抽滤回收活性物质。进一步根据需要反复进行数次将所得到的活性物质再次浸渍在蒸馏水或NMP中并照射超声波、之后进行抽滤的操作。最后将所得到的活性物质在170℃进行真空干燥,由此可以得到活性物质的粉体。
(负极活性物质层的其他成分)
在本实施方式的负极活性物质层中,除了负极活性物质以外,还可以根据需要包含导电性填料、粘合剂、分散材稳定剂等任意成分。
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大于0质量份且为30质量份以下、更优选大于0质量份且为20质量份以下、进一步优选大于0质量份且为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%以上时,可表现出充分的电极强度。粘合剂的量为30质量份以下时,锂离子在负极活性物质中的进出不会受到阻碍,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,锂离子在负极活性物质中的进出不会受到阻碍,表现出高输入输出特性。
[负极集电体]
作为构成本实施方式中的负极集电体的材料,优选为电子传导性高、不容易发生在电解液中的溶出以及由于与电解质或离子的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。
金属箔可以为不具有凹凸或贯通孔的通常的金属箔,或者只要可作为上述定义的“无孔状负极集电体”来使用,也可以是实施了压纹加工、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。
只要能够充分保持负极的形状和强度,对负极集电体的厚度没有特别限制,例如优选为1~100μm。需要说明的是,负极集电体具有孔或凹凸的情况下,基于不存在孔或凹凸的部分来测定负极集电体的厚度。
负极集电体的十点平均粗糙度Rzjis优选为0.01μm以上30μm以下、更优选为0.1μm以上20μm以下、进一步优选为1μm以上15μm以下。Rzjis为0.01μm以上时,能够充分提高涂布液的润湿性以及与负极活性物质层的密合性。Rzjis为30μm以下时,将对置的隔板刺破而引起微短路的可能性少。
本实施方式中的十点平均粗糙度Rzjis依据JIS B 0601(2001)通过以下的方法求出。
首先设定用于测定负极集电体的任意位置的截面曲线(粗糙度曲线)的直线。评定长度应为后述要素的平均长度Rsm的5倍以上,优选为Rsm的10倍~15倍左右。Rsm不明确的情况下,针对暂时确定的评定长度进行测定,在根据所得到的Rsm值判明评定长度不足的情况下,应该再次设定适当长度的测定直线,之后重新进行测定。截面曲线的测定例如可使用市售的接触式表面形状测定装置。
通过这样的测定得到例如图3所示的截面曲线。由测定截面曲线计算出要素的平均长度Rsm,使用该Rsm确定基准长度(截止值λc)。关于十点平均粗糙度Rzjis,将评定长度内的高度从上起到第5位的5点坐标设为“L+1”~“L+5”、将高度从下起到第5位的5点坐标设为“L-1”~“L-5”时,该Rzjis为由下述数学式求出的值。
【数1】
图3中的虚线Lave为截面曲线的平均坐标。
[负极的制造]
负极在负极集电体的单面或双面上具有负极活性物质层。代表性地,负极活性物质层固定在负极集电体的单面或双面上。
负极可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。可示例出下述方法1)~3)。
1)可以将包含负极活性物质的各种材料分散或溶解在水或有机溶剂中来制备浆料状的涂布液,将该涂布液涂布于负极集电体的单面或双面上来形成涂膜,通过将其干燥得到负极。进而可以对所得到的负极实施压制来调整负极活性物质层的膜厚或堆积密度。
2)可以不使用溶剂而将包含负极活性物质的各种材料干式混合,将所得到的混合物压制成型后,使用导电性粘合剂粘贴在负极集电体上,从而得到负极。
3)也可以通过使负极活性物质层在负极集电体上进行成膜而得到负极。作为成膜方法,可以适宜地使用无电解镀覆法、电解镀覆法、化学还原法、真空蒸镀法、离子镀法、溅射法、化学气相沉积(CVD)法、激光烧蚀法、喷镀法等。
在上述负极的制造方法中,从大量生产性的方面出发,优选1)的方法。
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干混,接着追加水或有机溶剂、和/或在它们中溶解或分散有粘合剂或分散稳定剂的液状或浆料状的物质,制备出涂布液。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,在所得到的液状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,制备出涂布液。
对溶解或分散方法没有特别限制,可以适宜地使用均质分散机、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。为了得到分散状态良好的涂布液,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。圆周速度为50m/s以下时,各种材料不容易因分散产生的热或剪切力被破坏,不容易发生再凝聚,因而优选。
负极的涂布液的粘度(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。负极的涂布液的粘度(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。负极的涂布液的粘度(ηb)为20,000mPa·s以下时,使用涂布机时涂布液的流路中的压力损失少,能够将涂布液稳定地涂布,并且能够控制在所期望的涂膜厚度以下。
负极的涂布液的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。负极的涂布液的TI值为1.1以上时,能够良好地控制涂膜宽度和厚度。
本说明书中,分散度为依据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,对于具有与颗粒尺寸相应的所期望的深度的槽的粒度计,使足量的试样流入到槽的较深一侧的前端,并从槽中稍微溢出。接下来,按照刮刀的长边与量规的宽度方向平行、刀尖与粒度计的槽深的前端接触的方式放置刮刀,在量规的表面保持刮刀,同时相对于槽的长边方向成直角地将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,在拉完后3秒以内以20°以上30°以下的角度照射光来进行观察,读取颗粒粒度计的槽中出现的深度。
在本说明书中,粘度(ηb)和TI值分别为通过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,得到测定后稳定的粘度(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进行测定,得到粘度(ηb)。使用上述得到的粘度的值,TI值由TI值=ηa/ηb的公式计算出。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。
对负极的涂膜的形成方法没有特别限制,可适宜地使用模涂机、逗号涂布机、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,也可以进行多层涂布来形成。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。涂布速度为100m/分钟以下时,能够充分确保涂布精度。
对负极的涂膜的干燥方法没有特别限制,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,也可以多阶段地改变温度来进行干燥。还可以将多种干燥方法组合来进行干燥。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。干燥温度为200℃以下时,能够抑制急剧的溶剂挥发所致的涂膜龟裂和迁移所致的粘合剂不均、或者负极集电体和负极活性物质层的氧化。
对负极的压制方法没有特别限制,可以适宜地使用油压机、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通过后述的压制压力、压制辊之间的间隙、或者压制部的表面温度来进行调整。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。压制压力为20kN/cm以下时,负极不容易产生弯曲和褶皱,负极活性物质层容易调整为所期望的膜厚和堆积密度。
关于压制辊之间的间隙,可以根据干燥后的负极膜厚,按照负极活性物质层达到所期望的膜厚或堆积密度的方式设定为任意的值。
关于压制速度,可以设定为降低负极的弯曲和褶皱的任意速度。
压制部的表面温度可以为室温,也可以根据需要对压制部的表面进行加热。加热的情况下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减去60℃的温度以上、更优选为粘合剂的熔点减去45℃的温度以上、进一步优选为粘合剂的熔点减去30℃的温度以上。加热的情况下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加上50℃的温度以下、更优选为粘合剂的熔点加上30℃的温度以下、进一步优选为粘合剂的熔点加上20℃的温度以下。例如,在粘合剂使用PVdF(聚偏二氟乙烯:熔点150℃)的情况下,将压制部的表面加热到优选为90℃以上200℃以下、更优选为105℃以上180℃以下、进一步优选为120℃以上170℃以下。在粘合剂使用苯乙烯-丁二烯共聚物(熔点100℃)的情况下,将压制部的表面加热到优选为40℃以上150℃以下、更优选为55℃以上130℃以下、进一步优选为70℃以上120℃以下。
粘合剂的熔点可以由DSC(Differential Scanning Calorimetry、差示扫描热量分析)的吸热峰位置求出。例如,使用PerkinElmer公司制造的差示扫描量热计“DSC7”,将试样树脂10mg置于测定池中,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。
也可以一边改变压制压力、间隙、速度或压制部的表面温度的条件一边实施多次压制。
负极活性物质层的厚度在负极集电体的每个单面优选为5μm以上100μm以下。负极活性物质层的厚度的下限更优选为7μm以上、进一步优选为10μm以上。负极活性物质层的厚度的上限更优选为80μm以下、进一步优选为60μm以下。负极活性物质层的厚度为5μm以上时,涂布负极活性物质层后不容易产生条纹等,涂布性优异。负极活性物质层的厚度为100μm以下时,能够通过缩小电池的体积而表现出高能量密度。需要说明的是,在负极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负极集电体的不具有贯通孔或凹凸的部分的每个单面的负极活性物质层的厚度的平均值。
作为负极活性物质使用合金系负极材料的情况下,在锂离子预掺杂前以及预掺杂后的任一情况下,负极活性物质层的膜厚在每个单面均优选为1μm以上30μm以下,其下限值更优选为2μm以上、进一步优选为3μm以上,其上限值更优选为20μm以下、进一步优选为15μm以下。负极活性物质层的膜厚为1μm以上时,负极的容量相对于正极的容量足够大,因而能够充分利用正极的容量。负极活性物质层的膜厚为30μm以下时,能够通过缩小电池体积而表现出高能量密度。
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。负极活性物质层的堆积密度为0.30g/cm3以上时,能够确保充分的强度、同时能够表现出负极活性物质间的充分的导电性。负极活性物质层的堆积密度为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。
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,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(E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.Halenda,J.Am.Chem.Soc.,73,373(1951))。
MP法是指利用“T-Plot法”(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965))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(R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45(1968))。
<隔板>
正极前体和负极通常隔着隔板进行层压或卷绕,形成具有正极前体、负极和隔板的电极层压体。
作为隔板,可以使用用于锂离子二次电池的聚乙烯制微多孔膜或聚丙烯制微多孔膜、或者用于双电层电容器的纤维素制无纺纸等。在这些隔板的单面或双面上可以层压有包含有机或无机微粒的膜。另外,在隔板的内部可以包含有机或无机微粒。
隔板的厚度优选为5μm以上35μm以下。通过使隔板的厚度为5μm以上,因内部微短路所致的自放电倾向于减小,因而优选。通过使隔板的厚度为35μm以下,蓄电元件的输出特性倾向于增高,因而优选。
由有机或无机微粒构成的膜的厚度优选为1μm以上10μm以下。通过使由有机或无机微粒构成的膜的厚度为1μm以上,因内部微短路所致的自放电倾向于减小,因而优选。通过使由有机或无机微粒构成的膜的厚度为10μm以下,蓄电元件的输出特性倾向于增高,因而优选。
<外装体>
作为外装体,可以使用金属罐、层压膜等。作为金属罐,优选铝制金属罐。作为层压膜,优选将金属箔和树脂膜层压而成的膜,例如可示例出由外层树脂膜/金属箔/内层树脂膜这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,同时用于在外装体的热封时进行熔融封口,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包含锂离子的非水系电解液。非水系电解液包含后述的非水溶剂。以非水系电解液的合计体积为基准,非水系电解液优选含有0.5mol/L以上的锂盐。
本实施方式中的非水系电解液中,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,也可以将它们2种以上混合使用。出于能够表现出高传导率的原因,优选包含LiPF6和/或LiN(SO2F)2。
本实施方式中的非水系电解液含有至少一种以上的锂盐即可,除了上述锂盐外,还可以含有选自由钠盐、钾盐、铷盐以及铯盐组成的组中的碱金属盐;或选自由铍盐、镁盐、钙盐、锶盐以及钡盐组成的组中的碱土金属盐。
在非水系电解液含有锂以外的上述碱金属盐的情况下,由于斯托克斯半径小于锂离子的钠离子、钾离子、铷离子以及铯离子具有高离子传导率,因而能够得到低电阻的非水系锂蓄电元件。在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、锶离子以及钡离子为2价阳离子,因而能够得到高容量的非水系锂蓄电元件。
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,可以在非水系电解液中预先溶解锂盐以及锂盐以外的碱金属盐或/和碱土金属盐,可以举出使正极前体中含有选自由下述化合物组成的组中的一种以上(下式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的1种以上),利用后述的锂掺杂工序进行分解的方法等,
M2CO3等碳酸盐、
M2O等氧化物、
MOH等氢氧化物、
MF、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、
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、碱土金属草酸盐及碱土金属羧酸盐。
非水系电解液中的锂盐浓度优选为0.5mol/L以上、更优选为0.5~2.0mol/L。锂盐浓度为0.5mol/L以上时,由于阴离子充分存在,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以下的情况下,能够防止未溶解的锂盐在非水系电解液中析出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和/或碱土金属盐的情况下,这些盐浓度的合计值优选为0.5mol/L以上、更优选为0.5~2.0mol/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。从溶解期望浓度的锂盐的方面以及表现出高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的化合物。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的化合物。
以非水系电解液的合计质量为基准,环状碳酸酯和链状碳酸酯的合计含量优选为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。环状碳酸酯和链状碳酸酯的合计含量为50质量%以上时,能够溶解所期望浓度的锂盐,能够表现出高锂离子传导率。环状碳酸酯和链状碳酸酯的合计含量为95质量%以下时,电解液可以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,例如可以举出磺内酯化合物、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,可以将它们单独使用,也可以将它们2种以上混合使用。
作为磺内酯化合物,例如可以举出由下述通式(4)~(6)分别表示的磺内酯化合物。这些磺内酯化合物可以单独使用、或将2种以上混合使用。
【化1】
{式(4)中,R11~R16表示氢原子、卤原子、碳原子数为1~12的烷基或碳原子数为1~12的卤代烷基,它们可以相互相同、也可以不同;并且n为0~3的整数。}
【化2】
{式(5)中,R11~R14表示氢原子、卤原子、碳原子数为1~12的烷基或碳原子数为1~12的卤代烷基,它们可以相互相同、也可以不同;并且n为0~3的整数。}
【化3】
{式(6)中,R11~R16表示氢原子、卤原子、碳原子数为1~12的烷基或碳原子数为1~12的卤代烷基,它们相互可以相同、也可以不同。}
在本实施方式中,从对电阻的不良影响少、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,作为由式(4)表示的磺内酯化合物,可以优选举出1,3-丙烷磺内酯、2,4-丁烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3-丁烷磺内酯以及2,4-戊烷磺内酯;作为由式(5)表示的磺内酯化合物,可以优选举出1,3-丙烯磺内酯以及1,4-丁烯磺内酯;作为由式(6)表示的磺内酯化合物,可以优选举出1,5,2,4-二氧二硫杂环庚烷2,2,4,4-四氧化物;作为其他磺内酯化合物,可以优选举出双(苯磺酸)亚甲酯、双(苯基甲磺酸)亚甲酯、双(乙烷磺酸)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,更优选选自这些化合物组中的至少一种。
以非水系电解液的合计质量为基准,本实施方式的非水系锂型蓄电元件的非水系电解液中所含有的磺内酯化合物的合计含量优选为0.5质量%~15质量%。非水系电解液中所含有的磺内酯化合物的合计含量为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。磺内酯化合物的合计含量为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。从兼顾高输入输出特性和耐久性的方面出发,非水系锂型蓄电元件的非水系电解液中存在的磺内酯化合物的合计含量更优选为1质量%以上10质量%以下、进一步优选为3质量%以上8质量%以下。
作为环状磷腈,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以及苯氧基五氟环三磷腈等,优选为选自这些化合物组中的至少一种。
以该非水系电解液的合计质量为基准,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%。环状磷腈的含量为0.5重量%以上时,能够抑制高温下电解液的分解,抑制气体产生。环状磷腈的含量为20质量%以下时,能够抑制非水系电解液的离子传导率的降低,能够保持高输入输出特性。由于以上的理由,环状磷腈的含量更优选为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,可以举出例如HCF2CF2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CF2H、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H以及CF3CFHCF2OCH2CF2CFHCF3等,它们之中,从电化学稳定性的方面出发,优选HCF2CF2OCH2CF2CF2H。
以非水系电解液的合计质量为基准,非环状含氟醚的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、更优选为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。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,非环状含氟醚可以单独使用,也可以将2种以上混合使用。
作为含氟环状碳酸酯,从与其他非水溶剂的相容性的方面出发,优选为选自由氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二氟代碳酸亚乙酯(dFEC)组成的组中的至少一种。
以非水系电解液的合计质量为基准,含氟环状碳酸酯的含量优选为0.5质量%以上10质量%以下、更优选为1质量%以上5质量%以下。含氟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,通过抑制负极上的非水系电解液的还原分解而得到高温下的耐久性高的非水系蓄电元件。含氟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,含氟环状碳酸酯可以单独使用,也可以将2种以上混合使用。
作为环状碳酸酯,优选碳酸亚乙烯酯。以非水系电解液的合计质量为基准,环状碳酸酯的含量优选为0.5质量%以上10质量%以下、更优选为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,能够在负极上形成良好的覆膜,通过抑制负极上的非水系电解液的还原分解可得到高温下的耐久性高的非水系蓄电元件。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-己内酯以及ε-己内酯等,优选使用选自这些化合物组中的至少一种。其中,从因锂离子解离度的提高所带来的电池特性提高的方面出发,特别优选γ-丁内酯。
以非水系电解液的合计质量为基准,环状羧酸酯的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、更优选为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,能够在负极上形成良好的覆膜,通过抑制负极上的非水系电解液的还原分解可得到高温时耐久性高的非水系锂蓄电元件。环状羧酸酯的含量为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,从而能够表现出高输入输出特性。
需要说明的是,环状羧酸酯可以单独使用,也可以将2种以上混合使用。
作为环状酸酐,优选为选自琥珀酸酐、马来酸酐、柠康酸酐以及衣康酸酐组成的组中的1种以上。其中,从由于工业上的获得容易性而抑制非水系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,优选琥珀酸酐和马来酸酐。
以非水系电解液的合计质量为基准,环状酸酐的含量优选为0.5质量%以上15质量%以下、更优选为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,能够在负极上形成良好的覆膜,通过抑制负极上的非水系电解液的还原分解可得到高温时耐久性高的非水系锂蓄电元件。环状酸酐的含量为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,从而能够表现出高输入输出特性。
需要说明的是,环状酸酐可以单独使用,也可以将2种以上混合使用。
<非水系锂蓄电元件的制造方法>
[组装工序]
在一个实施方式的组装工序中,例如,将切割成单片形状的正极前体和负极隔着隔板进行层压得到层压体,在所得到的层压体上连接正极端子和负极端子,由此来制造该电极层压体。在另一实施方式中,可以将正极前体和负极隔着隔板进行层压和卷绕得到卷绕体,在所得到的卷绕体上连接正极端子和负极端子,由此来制造电极卷绕体。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、超声波焊接等方法。
优选通过对连接有端子的电极层压体或电极卷绕体进行干燥从而除去残存溶剂。对干燥方法没有限定,可以通过真空干燥等进行干燥。残存溶剂相对于正极活性物质层或负极活性物质层的合计质量优选为1.5%以下。残存溶剂高于1.5%时,在体系内有溶剂残存,自放电特性变差,因而不优选。
干燥后的电极层压体或电极卷绕体优选在露点-40℃以下的干燥环境下收纳在以金属罐或层压膜为代表的外装体中,在仅留下一个用于注入非水系电解液的开口部的状态下进行密封。若露点高于-40℃,则水分会附着于电极层压体或电极卷绕体,体系内残存有水,自放电特性变差,因而不优选。对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]
在组装工序后,向收纳在外装体中的电极层压体中注入非水系电解液。在液体注入后,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有电解液的状态下,在后述的锂掺杂工序中,掺杂进行得不均匀,因此所得到的非水系锂蓄电元件的电阻上升、耐久性降低。作为浸渗的方法没有特别限制,例如可以使用下述方法:将液体注入后的电极层压体在外装体开口的状态下设于减压腔室中,利用真空泵使腔室内成为减压状态,再次恢复到大气压的方法;等等。浸渗后,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,优选在正极前体和负极之间施加电压,将正极前体中的锂化合物分解而释放出锂离子,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。
在锂掺杂工序中,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:在使外装体的一部分开口的状态下施加电压的方法;以及在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]
在锂掺杂工序后优选对电极层压体进行老化。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进行反应的方法等。
[排气工序]
在老化工序后,优选进一步进行排气,确实地除去残存在电解液、正极以及负极中的气体。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。
作为排气的方法没有特别限制,例如可以使用在外装体开口的状态下将电极层压体置于减压腔室中,使用真空泵使腔室内成为减压状态的方法等。在排气后通过将外装体密封来密闭外装体,可以制作出非水系锂蓄电元件。
<内部短路时的热失控抑制正极和负极的设计1>
在非水系锂蓄电元件中,在利用例如钉刺试验等使其内部短路时,温度急剧上升、并且会产生气体,这种现象是通常被称为热失控的现象。该热失控的机理并不确定,认为是因为,由于内部短路而在短路处流过大电流并放热(设短路电流为I、短路路径的电阻为R时,焦耳热J由J=I2R表示),预掺杂有锂离子的低电位状态的负极或锂离子与非水系电解液的反应由于上述焦耳热而加速进行。因此,若能够减小上述短路电流I,则能够大幅抑制与I的平方成比例地产生的焦耳热,能够抑制热失控。
此时,通过下述设计,能够抑制内部短路时的热失控: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0.85以上1.15以下;将与Cy面对置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0.85以上1.15以下、(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下;将Cx面的单位面积的锂化合物量设为Cx2(g/m2)、将Cy面的单位面积的锂化合物量设为Cy2(g/m2)时,Cx2和Cy2分别为0.1以上18以下、且Cy2/Cx2和Cx2/Cy2为0.60以上1.70以下。在电极层压体由复数片正极和负极构成的情况下,电极层压体中的正极和负极的至少一个组合满足Cx1/Cy1为0.85以上1.15以下、Ax1/Ay1为0.85以上1.15以下、(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下、且Cy2/Cx2和Cx2/Cy2为0.60以上1.70以下即可。Cx2和Cy2为0.1以上的情况下,正极活性物质层中含有的锂化合物在内部短路时分解并产生气体,从而使电阻上升、能够减小短路电流I。Cx2和Cy2为18以下的情况下,由于确保正极活性物质间的电子传导因而能够降低电阻。Cy2/Cx2和Cx2/Cy2为0.60以上1.70以下时,意味着在正极集电体的双面均匀地含有锂化合物,在内部短路时锂化合物分解,能够抑制热失控。
Cx1/Cy1为0.85以上1.15以下意味着在正极集电体的双面涂布的正极活性物质层的基重的偏差小;Ax1/Ay1为0.85以上1.15以下意味着在负极集电体的双面涂布的正极活性物质层的基重的偏差小,(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下意味着对置的正极活性物质层和负极活性物质层的基重的偏差小。即,通过满足上述条件,在内部短路时各电极中的短路电流的偏差减小。据推测,在不满足上述条件的情况下,形成短路电流局部流动的部分,引起局部放热,以该部分为起点引起热失控。
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、更优选为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。
进而,(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)优选为0.70以上1.30以下、更优选为0.80以上1.20以下。(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)为0.70以上1.30以下的的情况下,意味着不对置的正极活性物质层和负极活性物质层的基重的偏差小。即,通过满足上述条件,在内部短路时各电极中的短路电流的偏差进一步减小。
可以通过显微拉曼分光测定对正极活性物质层中含有的碳酸锂的分散状态进行评价,将Cx面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中的碳酸根离子分布像的面积设为Sx%、将Cy面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中的碳酸根离子分布像的面积设为Sy%时,优选Sx和Sy分别为1以上40以下、Sx/Sy为0.50以上1.50以下。在Sx/Sy小于0.50、或者Sx/Sy大于1.50的情况下,在涂布于正极集电体的双面的正极活性物质层中的一个面上,在内部短路时分解的锂化合物的量减少,因而无法抑制热失控。
<高温环境下锂化合物的分解抑制正极或负极的堆积物>
本实施方式的正极中,相对于每单位质量的正极活性物质层,含有优选为1.60×10-4mol/g~300×10-4mol/g、更优选为5.0×10-4mol/g以上150×10-4mol/g以下的由下述式(1)~(3)表示的1种以上的化合物:
LiX1-OR1O-X2Li 式(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(此处,n为0或1)}
LiX1-OR1O-X2R2 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1)}
R2X1-OR1O-X2R3 式(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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n(此处,n为0或1)}。
在上述说明的正极活性物质层Cy面可以含有选自由式(1)~(3)所表示的化合物组成的组中的至少一种。将正极物质层Cy面的每单位质量的由式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Cy3(mol/g)时,Cy3优选为1.60×10-4以上300×10-4以下、更优选为5.0×10-4以上150×10-4以下。
通过使Cy面包含锂化合物,能够抑制高负载充放电循环中的电阻上升,另一方面,上述锂化合物在暴露于高温高电压环境下时慢慢地发生分解并产生气体。因此,通过使Cy面包含由上述式(1)~(3)表示的化合物,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由LiOC2H4OLi、LiOC3H6OLi、LiOC2H4OCOOLi、LiOCOOC3H6OLi、LiOCOOC2H4OCOOLi和LiOCOOC3H6OCOOLi表示的化合物。
式(2)的特别优选的化合物为由LiOC2H4OH、LiOC3H6OH、LiOC2H4OCOOH、LiOC3H6OCOOH、LiOCOOC2H4OCOOH、LiOCOOC3H6OCOOH、LiOC2H4OCH3、LiOC3H6OCH3、LiOC2H4OCOOCH3、LiOC3H6OCOOCH3、LiOCOOC2H4OCOOCH3、LiOCOOC3H6OCOOCH3、LiOC2H4OC2H5、LiOC3H6OC2H5、LiOC2H4OCOOC2H5、LiOC3H6OCOOC2H5、LiOCOOC2H4OCOOC2H5、LiOCOOC3H6OCOOC2H5表示的化合物。
式(3)的特别优选的化合物为由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表示的化合物。
作为用于使正极活性物质层内含有由式(1)~(3)表示的化合物的方法,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、使正极活性物质层吸附上述化合物的方法、使上述化合物电化学析出到正极活性物质层的方法等。其中优选下述方法:使非水系电解液中含有可发生分解而生成这些化合物的前体,在制作蓄电元件的工序中利用上述前体的分解反应使上述化合物堆积在正极活性物质层内。
作为形成由式(1)~(3)表示的化合物的前体,优选使用选自由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯以及氟代碳酸亚乙酯组成的组中的至少一种有机溶剂,更优选使用碳酸亚乙酯以及碳酸亚丙酯。
此外,在与上述Cy面对置的负极活性物质层Ay面中包含由上述式(1)~(3)表示的化合物、并将其含量设为Ay3(mol/g)时,优选Cy3/Ay3为0.2以上20以下。Cy3/Ay3为0.2以上时,能够抑制Cy面中的锂化合物的分解,高温耐久性优异。Cy3/Ay3为20以下时,输出特性优异。
<内部短路时的热失控的抑制正极和负极的设计2>
针对上述非水系锂蓄电元件因内部短路所致的热失控,发现通过按下述方式设计负极,能够在抑制因内部短路所致的热失控的同时兼顾低电阻化,所述设计为:在电极层压体的最外层配置负极,最外层的负极在上述层压体的最外表面具有不与正极对置的负极活性物质层Aw面,将Aw面中包含的单位面积的锂离子量设为Aw1(mAh/m2)、将Aw面的背面的负极活性物质层设为Az面、并且将Az面中包含的单位面积的锂离子量设为Az1(mAh/m2)时,Aw1/Az1处于0.01以上0.45以下的范围内。即,通过降低不参与充放电的Aw面的锂离子量,在内部短路时能够抑制因负极电位的上升所致的非水系锂蓄电元件的热失控,另一方面,通过提高参与充放电的Az面的锂离子量,能够实现非水系锂蓄电元件的低电阻化。
Aw1/Az1为0.01以上时,由于电极层压体的最外层的负极电位降低,因而容量增加。Aw1/Az1为0.45以下时,能够抑制内部短路时的热失控。
由于以上的观点,优选至少设于最外层的负极由无孔状负极集电体形成。由于锂离子在负极的表面和背面无法扩散,因而能够控制Aw面和Az面的锂离子量。
由于抑制内部短路时的热失控的效果只要在电极层压体的最外层存在不与正极对置的负极活性物质层Aw面即可,因而在电极层压体的最外层的全部或者一部分存在具有Aw面的负极即可,最外层的一部分也可以为正极,电极层压体也可以被隔板等覆盖。
作为使Aw面的锂离子量小于Az面的方法没有特别限制,可以举出使金属锂仅与Az面接触来进行预掺杂的方法、利用与Az面对置的Cz面中包含的锂化合物的氧化还原反应而在Az面进行预掺杂的方法等。
将Aw面中包含的单位面积的活性物质量设为Aw2(g/m2)、将Az面中包含的单位面积的活性物质量设为Az2(g/m2)时,优选Aw2/Az2为0.85以上1.15以下。Aw2/Az2为0.85以上时,能够增大内部短路时的负极电位上升,因而能够抑制热失控。Aw2/Az2为1.15以下时,由于电极层压体的最外层的负极电位降低,因而容量增加。
将与Az面对置的正极活性物质层设为Cz面时,优选Cz面中包含的单位面积的活性物质量Cz1(g/m2)为10以上50以下,Cz面中包含的单位面积的锂化合物量Cz2(g/m2)为0.1以上18.0以下,并且Cz2/Cz1为0.03以上0.5以下。
通过使正极活性物质中包含锂化合物,能够利用锂化合物捕捉高负载充放电循环中产生的氟离子,因而能够抑制高负载充放电循环中的电阻上升。但是,由于锂化合物几乎没有电子传导性,因而其在正极活性物质中过量存在时,会成为电阻上升的原因。通过将Cz1和Cz2设计成上述的值,能够兼顾高负载充放电循环时的电阻上升和低电阻化。
在利用显微拉曼分光测定对正极活性物质层中含有的碳酸锂的分散状态进行评价时,将Cz面通过显微拉曼分光测定得到的成像图像中的碳酸根离子分布像的面积比例设为Sz%时,优选Sz为1以上40以下。Sz为1以上时,Cz面中含有的锂化合物为均匀分散的状态,因而能够抑制高负载充放电循环时的电阻上升。Sz为40以下时,能够确保正极活性物质间的电子传导,因而可实现低电阻化。
优选在正极活性物质层Cz面包含由上述式(1)~(3)表示的1种以上的化合物。另外,将上述正极物质层Cz面的每单位质量的由式(1)~(3)表示的含量设为Cz3(mol/g)时,Cz3优选为1.60×10-4以上300×10-4以下、更优选为5.0×10-4mol/g以上150×10-4以下。
通过使Cz面包含锂化合物能够抑制高负载充放电循环时的电阻上升,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慢慢地分解而产生气体。因此,通过使Cz面包含由上述式(1)~(3)表示的化合物,能够抑制高温高电压环境下锂化合物的分解。Cz3为1.60×10-4以上时,高温耐久性优异。Cz3为300×10-4以下时,输出特性优异。
作为用于使正极活性物质层内含有由式(1)~(3)表示的化合物的方法,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、使正极活性物质层吸附上述化合物的方法、使上述化合物电化学析出到正极活性物质层的方法等。其中优选下述方法:使非水系电解液中含有可发生分解而生成这些化合物的前体,在制作蓄电元件的工序中利用上述前体的分解反应而使上述化合物在正极活性物质层内堆积。
作为形成由式(1)~(3)表示的化合物的前体,优选使用选自由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯以及氟代碳酸亚乙酯组成的组中的至少一种有机溶剂,更优选使用碳酸亚乙酯以及碳酸亚丙酯。
此外,在与上述Cz面对置的负极活性物质层Az面中包含由上述式(1)~(3)表示的化合物、将其含量设为Az3(mol/g)时,优选Cz3/Az3为0.2以上20以下。Cz3/Az3为0.2以上时,能够抑制Cz面中的锂化合物的分解,高温耐久性优异。Cz3/Az3为20以下时,输出特性优异。
如在正极和负极的设计1和正极和负极的设计2中所说明的那样,由于Cx1/Cy1、Ax1/Ay1、(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)、Cx2和Cy2、以及Cy2/Cx2和Cx2/Cy2相关,因而作为这些数值范围的优选组合,可以使用下述I~III。
优选的组合I:
0.86≤Cx1/Cy1≤1.14
0.86≤Ax1/Ay1≤1.14
0.90≤(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)≤1.10
2.1≤Cx2(g/m2)≤16.6
2.0≤Cy2(g/m2)≤16.0
0.61≤Cy2/Cx2≤1.39
0.72≤Cx2/Cy2≤1.64
优选的组合II:
0.86≤Cx1/Cy1≤1.14
0.85≤Ax1/Ay1≤1.15
0.80≤(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)≤1.20
2.1≤Cx2(g/m2)≤16.6
2.0≤Cy2(g/m2)≤16.0
0.61≤Cy2/Cx2≤1.39
0.72≤Cx2/Cy2≤1.64
优选的组合III:
0.85≤Cx1/Cy1≤1.15
0.86≤Ax1/Ay1≤1.14
0.90≤(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)≤1.10
0.1≤Cx2(g/m2)≤18
0.1≤Cy2(g/m2)≤18
0.60≤Cy2/Cx2≤1.70
0.60≤Cx2/Cy2≤1.70
<非水系锂蓄电元件的特性评价>
[静电容量]
在本说明书中,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2C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Fa=Q/ΔEx=Q/(3.8-2.2)进行计算,将所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。
[电能]
在本说明书中,电能Wh(Wh)为通过以下的方法得到的值。
使用利用前述的方法计算出的静电容量Fa(F),将由Fa×(3.82-2.22)/2/3600计算出的值作为电能Wh(Wh)。
[用于计算能量密度的非水系锂蓄电元件的体积]
用于计算能量密度的非水系锂蓄电元件的体积是指,在电极层压体或电极卷绕体中,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,在利用层压膜收纳的电极层压体或电极卷绕体的情况下,代表性地,在电极层压体或电极卷绕体中,正极活性物质层和负极活性物质层的存在区域被收纳在进行了杯成型的层压膜中。该非水系锂蓄电元件的体积(Vc)由该杯成型部分的外尺寸长度(l1)、外尺寸宽度(w1)、以及包含层压膜的非水系锂蓄电元件的厚度(t1)通过Vc=l1×w1×t1进行计算。
在收纳于方形金属罐中的电极层压体或电极卷绕体的情况下,作为非水系锂蓄电元件的体积,仅使用以该金属罐的外尺寸计的体积。即,该非水系锂蓄电元件的体积(Vd)由方形金属罐的外尺寸长度(l2)、外尺寸宽度(w2)、以及外尺寸厚度(t2)通过Vd=l2×w2×t2计算出。
另外,在收纳于圆筒形金属罐中的电极卷绕体的情况下,作为非水系锂蓄电元件的体积,也使用以该金属罐的外尺寸计的体积。即,该非水系锂蓄电元件的体积(Ve)由圆筒形金属罐的底面或上表面的外尺寸半径(r)、以及外尺寸长度(l3)通过Ve=3.14×r×r×l3进行计算。
[能量密度]
本说明书中,能量密度是使用非水系锂蓄电元件的电能Wh和体积Vi(i=c、d或e)由式Wh/Vi(Wh/L)得到的值。
从表现出充分的充电容量和放电容量的方面考虑,Wh/Vi优选为15以上。Wh/Vi为15以上时,能够得到具有优异的体积能量密度的非水系锂蓄电元件。因此,将使用了该非水系锂蓄电元件的蓄电系统与例如汽车的发动机组合来使用的情况下,能够将蓄电系统设置在汽车内的有限的狭窄空间内,是优选的。作为Wh/Vi的上限值,优选为50以下。
[内部电阻]
本说明书中,内部电阻Ra(Ω)为通过以下方法得到的值。
首先,将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。接下来,将采样间隔设为0.1秒,以20C的电流值进行恒流放电至达到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秒时的电压设为Eo,此时由降低电压ΔE=3.8-Eo以Ra=ΔE/(20C的电流值)的形式进行计算,计算出的值为内部电阻Ra。
从可表现出针对大电流的充分的充电容量和放电容量的方面出发,Ra·Fa优选为3.0以下、更优选为2.5以下、进一步优选为2.2以下。Ra·Fa为3.0以下时,能够得到具有优异的输入输出特性的非水系锂蓄电元件。因此,通过将使用了该非水系锂蓄电元件的蓄电系统与例如高效率发动机组合等,可充分耐受施加至非水系锂蓄电元件的高负载,是优选的。作为Ra·Fa的下限值,优选为0.3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通过以下方法进行测定:
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的电流值恒流充电至达到4.0V为止,接着施加4.0V的恒压进行10分钟恒压充电。接下来将非水系锂蓄电元件保存在60℃的环境下,每2周从60℃的环境下取出,利用上述的充电工序将电池电压充电至4.0V,之后再次将非水系锂蓄电元件保存于60℃的环境下。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。作为利用阿基米德法进行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、在浸渗非水系锂蓄电元件的情况下不会产生电解的溶剂。例如可适宜地使用纯水、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为将电池在电压4.0V和环境温度60℃保存2个月时所产生的气体量,将用静电容量Fa进行标准化得到的值B=(Vb-Va)/Fa作为高温保存试验中的气体产生量。
[高负载充放电循环试验]
在本说明书中,高负载充放电循环试验后的电阻变化率和气体产生量通过以下的方法进行测定。
(高负载充放电循环后的电阻变化率)
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次该高负载充放电循环,按照上述内部电阻的测定方法测定高负载充放电循环后的内部电阻Rb。将Rb/Ra作为高负载充放电循环后的电阻变化率。
高负载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。高负载充放电循环试验后的电阻上升率为上述2.0以下时,即使反复进行充放电,也可维持非水系锂蓄电元件的特性。因此,能够长期稳定地得到优异的输出特性、带来非水系锂蓄电元件的长寿命化。Rb/Ra的下限值优选为0.9以上。
[钉刺试验]
本说明书中,钉刺试验通过以下的方法测定:
(电压调整)
首先,对于与非水系锂蓄电元件对应的电池,在设定为25℃的防爆规格的恒温槽内以20C的电流值恒流充电至达到4.0V,接下来进行10分钟施加4.0V恒压的恒压充电。
(钉刺试验)
充电结束后,在电池的负极端子、正极端子以及外装体的中央部附近粘贴热电偶,将电池电压测定用的电缆连接至数据记录器。数据记录器的采样时间优选为0.1秒间隔以下。在电池的中央部配置钉(N65),将贯通速度设为30mm/sec。钉刺试验结束后,观察负极端子的最高达到温度以及非水系锂蓄电元件的状态。
本说明书中进行下述定义:
点火:非水系锂蓄电元件燃烧的状态;
破裂:非水系锂蓄电元件的外装体的一部分或全部破损,电极层压体的一部分或全部从外装体中飞出的状态;
开裂:非水系锂蓄电元件的外装体的一部分破损,电极层压体留在外装体内部的状态(非水系电解液可以从外装体钉刺位置流出到外部)。
<电极中的锂化合物的鉴定方法>
对正极中含有的锂化合物的鉴定方法没有特别限定,例如可通过下述方法进行鉴定。锂化合物的鉴定优选将以下记载的多种分析方法组合来鉴定。
在测定以下记载的SEM-EDX、拉曼分光、XPS时,优选在氩箱中拆开非水系锂蓄电元件,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,只要可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,例如可以举出下述方法:使正极在正极重量的50~100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。其后将正极从碳酸二乙酯中取出,真空干燥后,实施SEM-EDX、拉曼分光法和XPS的分析。作为真空干燥的条件,可以使用在温度:0~200℃、压力:0~20kPa、时间:1~40小时的范围内使正极中的碳酸二乙酯的残存达到1质量%以下的条件。关于碳酸二乙酯的残存量,可以对后述的蒸馏水清洗和液量调整后的水的GC/MS进行测定,基于预先制成的校正曲线来进行定量。
关于后述的离子色谱,可以通过对于将正极用蒸馏水清洗后的水进行分析来鉴定阴离子。
在无法利用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(差示扫描热量分析)等来鉴定锂化合物。
[锂化合物的平均粒径]
将锂化合物的平均粒径设为X1时,优选0.1μm≤X1≤10μm、更优选0.5μm≤X1≤5μm。X1为0.1μm以上的情况下,通过吸附高负载充放电循环中生成的氟离子而使高负载充放电循环特性提高。X1为10μm以下的情况下,与高负载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。对X1的测定方法没有特别限定,可以由后述的正极截面的SEM图像以及SEM-EDX图像计算出。关于正极截面的形成方法,可以使用宽离子束(BIB)加工,在该宽离子束(BIB)加工中,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。在正极含有碳酸锂的情况下,也可以通过对正极截面的拉曼成像进行测定来求出碳酸根离子的分布。
[扫描型电子显微镜-能量分散型X射线分析(SEM-EDX)]
锂化合物和正极活性物质可以通过氧分布像(其基于以观察倍率1000倍~4000倍测定的正极表面或正极截面的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按照光亮度值的平均值落入最大光亮度值的40%~60%的范围而分布像中不存在达到最大光亮度值的像素的方式进行调整。对于所得到的氧分布像,将以亮度的平均值为基准进行二值化时包含面积50%以上的亮部的颗粒作为锂化合物。
[X1的计算方法]
锂化合物的平均粒径X1可以如下求出:与上述正极截面SEM相同视野地测定出正极截面的SEM-EDX,对于由SEM-EDX得到的图像进行图像分析,从而求出该平均粒径X1。将利用上述正极截面的SEM图像判断的锂化合物的颗粒设为X,对于在截面SEM图像中观察的X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)。
d=2×(S/π)1/2
使用所得到的粒径d,在下式中求出体积平均粒径X0。
X0=Σ[4/3π×(d/2)3×d]/Σ[4/3π×(d/2)3]
改变正极截面的视野进行5处以上的测定,取各X0的平均值作为平均粒径X1。
[显微拉曼分光]
碱金属碳酸盐和正极活性物质可以通过以观察倍率1000倍~4000倍测定的正极前体表面的拉曼成像来进行判断。作为测定条件的示例,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、分布像方式为点扫描(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、有噪声滤波器的条件下进行测定。关于所测定的拉曼光谱,在1071~1104cm-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声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)]
可以通过利用XPS对电子状态进行分析来判断出锂化合物的结合状态。作为测定条件的示例,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,可以以1.0kV的加速电压对2mm×2mm的范围以1分钟(以SiO2换算为1.25nm/min)的条件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50~54eV的峰归属为LiO2或Li-C键;
将55~60eV的峰归属为LiF、Li2CO3、LixPOyFz(式中,x、y以及z分别为1~6的整数);
将C1s的结合能量为285eV的峰归属为C-C键,286eV的峰归属为C-O键,288eV的峰归属为COO,290~292eV的峰归属为CO3 2-、C-F键;
将O1s的结合能量为527~530eV的峰归属为O2-(Li2O),531~532eV的峰归属为CO、CO3、OH、POx(式中,x为1~4的整数)、SiOx(式中,x为1~4的整数),533eV的峰归属为C-O、SiOx(式中,x为1~4的整数);
将F1s的结合能量为685eV的峰归属为LiF,687eV的峰归属为C-F键、LixPOyFz(式中,x、y以及z分别为1~6的整数)、PF6 -;
关于P2p的结合能量,将为133eV的峰归属为POx(式中,x为1~4的整数),134~136eV的峰归属为PFx(式中,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,101~107eV的峰归属为SixOy(式中,x以及y分别为任意的整数)。
对于所得到的光谱,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]
将正极前体用蒸馏水清洗,利用离子色谱法对清洗后的水进行分析,由此能够对溶出到水中的碳酸根离子进行鉴定。作为所使用的柱,可以使用离子交换型、离子排阻型以及反相离子对型。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。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。
关于样品的保持时间,若确定了所使用的柱、洗脱液等条件,则该保持时间在每个离子种成分中是恒定的,并且尽管峰的响应的大小在每个离子种中不同,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>
使用浓硝酸、浓盐酸、王水等强酸对测定试样进行酸解,将所得到的溶液按照酸浓度达到2%~3%的方式用纯水进行稀释。关于酸解,也可以对试样适宜地加热、加压。通过ICP-MS对所得到的稀释液进行分析,此时优选加入已知量的元素作为内标。在测定对象的碱金属元素达到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情况下进一步进行稀释。对于所得到的测定结果,可以基于使用化学分析用的标准液预先制作的校正曲线对各元素进行定量。
<正极活性物质层的基重、锂化合物量的定量方法1Cx1、Cy1、Cx2、Cy2的计算>
以下记载正极活性物质层的基重以及正极活性物质层中包含的锂化合物的定量方法。在氩箱中拆开将电压调整为2.9V的非水系锂蓄电元件,取出电极层压体,从电极层压体切割出正极,利用有机溶剂清洗。作为有机溶剂,只要能够除去堆积在正极表面的电解液分解物即可,没有特别限定,通过使用锂化合物的溶解度为2%以下有机溶剂,可抑制锂化合物的溶出。作为这样的有机溶剂,适宜使用例如甲醇、乙醇、丙酮、乙酸甲酯等极性溶剂。对于所测定的正极的面积没有特别限制,从减轻测定偏差的方面出发,优选为5cm2以上200cm2以下、更优选为25cm2以上150cm2以下。正极面积为5cm2以上时,可确保测定的重现性。正极面积为200cm2以下时,样品的处理性优异。
关于正极的清洗方法,将正极在相对于正极的重量为50~100倍的乙醇溶液中浸渍3天以上。在浸渍期间,为了使乙醇不会挥发,优选例如在容器上加盖。在浸渍3天以上后,将正极从乙醇中取出,进行真空干燥。真空干燥的条件为在温度:100~200℃、压力:0~10kPa、时间:5~20小时的范围使正极中的乙醇的残存达到1质量%以下的条件。关于乙醇的残存量,可以进行后述的蒸馏水清洗后的水的GC/MS测定,基于预先制作的校正曲线进行定量。将所得到的正极切割成两半,将一半作为正极Cx0,另一半作为正极Cy0,设面积分别为XC(m2)和YC(m2)。使用抹刀、刷、刷毛等除去正极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,设正极Cx0的重量为M0x(g)并设正极Cy0的重量为M0y(g)。接着,将正极Cx0和正极Cy0在各自重量的100~150倍的蒸馏水中充分浸渍3天以上。在浸渍期间,为了使蒸馏水不挥发,优选在容器上加盖;为了促进锂化合物的溶出,优选偶尔搅拌水溶液。浸渍3天以上后,从蒸馏水中取出正极Cx0和正极Cy0,与上述的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,为了测定所得到的正极Cx0和正极Cy0的集电体的重量,使用抹刀、刷、刷毛等除去正极Cx0和正极Cy0上残留的正极活性物质层。将所得到的正极集电体的重量设为M2x(g)和M2y(g),此时正极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)可利用下述式(7)计算出。
Cx1=(M1x-M2x)/XC以及
Cy1=(M1y-M2y)/YC···(7)
单位面积的Cx0中的锂化合物量Cx2(g/m2)和单位面积的Cy0中的锂化合物量Cy2(g/m2)可利用下述式(8)计算出。
Cx2=(M0x-M1x)/XC以及
Cy2=(M0y-M1y)/YC (8)
需要说明的是,在正极活性物质层中包含复数种锂化合物的情况下;除了锂化合物以外,设下式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的1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、或者碱土金属氧化物、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进行计算。
<负极活性物质层的基重的计算1Ax1、Ay1的计算>
以下记载负极活性物质层的基重的定量方法。在氩箱中从上述电极层压体上切割出负极,用有机溶剂进行清洗。作为清洗中使用的有机溶剂,可除去堆积在负极表面的电解液分解物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、异丙醇等醇或它们的混合溶剂。对进行测定的负极的面积没有特别限制,从减轻测定偏差的方面出发,优选为5cm2以上200cm2以下、更优选为25cm2以上150cm2以下。负极面积为5cm2以上时,可确保测定的重现性。负极面积为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50~100倍的乙醇溶液中浸渍3天以上。在浸渍期间,为了使乙醇不会挥发,优选例如在容器上加盖。在浸渍3天以上后,将负极从乙醇中取出,进行真空干燥。真空干燥的条件为在温度:100~200℃、压力:0~10kPa、时间:5~20小时的范围使负极中的乙醇的残存达到1质量%以下的条件。关于乙醇的残存量,可以将真空干燥后的负极浸渍在碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或碳酸甲乙酯等有机溶剂中,之后测定上述有机溶剂的GC/MS,基于预先制作的校正曲线进行定量。将真空干燥后的负极切成两半,将一半作为负极Ax0、另一半作为负极Ay0,设面积分别为XA(m2)和YA(m2)。使用抹刀、刷、刷毛等除去负极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,设负极Ax0的重量为M0xA(g)并设负极Ay0的重量为M0yA(g)。接着,为了测定所得到的负极Ax0和负极Ay0的集电体的重量,使用抹刀、刷、刷毛等去除负极Ax0和负极Ay0中残留的负极活性物质层。将所得到的负极集电体的重量设为M1xA(g)和M1yA(g),此时负极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)可利用下述式(9)计算出。
Ax1=(M0xA-M1xA)/XA以及
Ay1=(M0yA-M1yA)/YA (9)
<锂离子量以及负极活性物质量的计算2Aw1、Az1、Aw2、Az2的计算>
以下记载配置在电极层压体或电极卷绕体的最外层的负极中中包含的锂离子量的定量方法。在氩箱中拆开将电压调整为2.9V的非水系锂蓄电元件,取出电极层压体。切出配置在电极层压体的最外层的负极,将负极用有机溶剂清洗。此时,在将单片电极层压而成的电极层压体的情况下,切出最外层的负极即可;电极层压体为卷绕体的情况下,切出包含不与正极对置的负极活性物质层的负极即可。作为清洗中使用的有机溶剂,只要可除去堆积在负极表面的电解液分解物并且与负极中的锂离子反应就没有特别限定,适宜使用碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等溶剂。对于所测定的负极的面积没有特别限制,从减轻测定偏差的方面出发,优选为2cm2以上20cm2以下、更优选为4cm2以上10cm2以下。面积为2cm2以上时,可确保测定的重现性。面积为20cm2以下时,样品的处理性优异。
将清洗后的负极风干后,将负极切断成一半的面积,将一个面作为负极Aw0,另一个面作为负极Az0,将各面积设为XB(m2)以及YB(m2)。使用抹刀、刷、刷毛等除去负极Aw0的Az面的负极活性物质层以及负极Az0的Aw面的负极活性物质层后,设负极Aw0的重量为M0w(g)并设负极Az0的重量为M0z(g)。其后利用甲醇和异丙醇的体积比为1:1的混合溶剂从负极Aw0和负极Az0中提取锂离子。将提取后的负极风干,在维持不暴露于大气中的状态下在侧箱中进行真空干燥,将干燥后的负极以维持不暴露于大气中的状态从侧箱移到氩箱中。将真空干燥后的负极Aw0的重量设为M1w(g)并将负极Az0的重量设为M1z(g)。接着去除残存于负极Aw0和负极Az0的负极活性物质层,将去除负极活性物质层之后的负极Aw0的负极集电体的重量设为M2w(g)、将负极Az0的负极集电体的重量设为M2z(g),此时负极Aw0的负极活性物质重量可作为M1w-M2w计算出、负极Az0的负极活性物质重量可作为M1z-M2z计算出。将所得到的值除以负极Aw0的面积XB以及负极Az0的面积YB,计算出单位面积负极活性物质量Aw2(g/m2)和Az2(g/m2)即可。
关于如上得到的提取液和提取后的负极活性物质层中包含的锂量,分别使用例如ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)等,对提取液中和负极活性物质层中的锂浓度进行定量,由测定中使用的提取液的重量以及上述计算出的负极活性物质的重量(M1x-M2x以及M1y-M2y)求出锂量的合计值,由此能够获知Aw面和Az面中包含的锂的总物质量(mol)。将所得到的值除以提取中使用的负极面积,即可计算出锂离子量Aw1(mol/m2)和Az1(mol/m2)。
<单位面积的正极中的活性物质量Cz1以及单位面积的正极中的锂化合物量Cz2的计算2>
以下记载与负极活性物质层Az面对置的正极活性物质层Cz面中包含的锂化合物和活性物质量的定量方法。
对于在上述氩箱中拆开的电极层压体,切出与作为最外层的负极对置的正极,利用有机溶剂清洗。作为清洗中使用的有机溶剂,只要能够除去堆积在正极表面的电解液分解物就没有特别限定,通过使用锂化合物的溶解度为2%以下有机溶剂,可抑制锂化合物的溶出。作为这样的有机溶剂,适宜使用例如甲醇、乙醇、丙酮、乙酸甲酯等极性溶剂。对于所测定的正极的面积没有特别限制,从减轻测定偏差的方面出发,优选为5cm2以上200cm2以下、更优选为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。
如上所述对正极进行清洗,对于干燥后得到的正极,使用抹刀、刷、刷毛等除去Cz面的相反面的正极活性物质而使与Az面对置的Cz面的正极活性物质层残留,将上述处理后的正极的重量设为M0c(g)、面积设为Z(m2)。接着将正极在正极重量的100~150倍的蒸馏水中浸渍3天以上。在浸渍期间,为了使蒸馏水不挥发,优选在容器上加盖。在浸渍3天以上后,将正极从蒸馏水中取出,与上述的乙醇清洗同样地进行真空干燥。
将真空干燥后的正极的重量设为M1c(g)。接着,为了测定所得到的正极的集电体的重量,使用抹刀、刷、刷毛等除去残留于正极的正极活性物质层。将所得到的正极集电体的重量设为M2c,此时Cy面中包含的单位面积的活性物质量Cz1(g/m2)可以由下述式(10)计算出。
Cz1=(M1c-M2c)/Z···(10)
Cz面中包含的单位面积的锂化合物量Cz2(g/m2)可以由下述式(11)计算出。
Cz2=(M0c-M1c)/Z···(11)
需要说明的是,在正极活性物质层中包含复数种锂化合物的情况下;除了锂化合物以外,设下式中的M为选自Na、K、Rb以及Cs中的1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、或者碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属卤化物、碱土金属草酸盐、碱土金属羧酸盐的情况下,将它们的总量作为锂化合物量进行计算。
【实施例】
以下示出实施例和比较例具体说明本发明的实施方式,但本发明并不受以下实施例和比较例的任何限定。
以下对第一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装入小型碳化炉内,在氮气氛下于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,将用预热炉加热得到的水蒸气以1kg/h导入活化炉内,用8小时升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到活化后的活性炭。将所得到的活化后的活性炭进行10小时通水清洗后去除水分,在保持于115℃的电烘干机内干燥10小时后,用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1。
使用岛津制作所社制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J)对活性炭1的平均粒径进行测定,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)对活性炭1的细孔分布进行测定。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2a]
将酚树脂装入烧制炉内,在氮气气氛下于600℃进行2小时碳化处理后,利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7μm的碳化物。将所得到的碳化物与KOH以1:5的质量比混合,装入烧制炉内,在氮气氛下于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的稀盐酸中进行1小时搅拌清洗,用蒸馏水进行煮沸清洗至pH稳定在5~6之间,之后进行干燥,从而得到活性炭2。
使用岛津制作所社制造的激光衍射式粒度分布测定装置(SALD-2000J)对活性炭2的平均粒径进行测定,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)对活性炭2的细孔分布进行测定。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2作为正极活性物质来制造正极前体。
将50.0质量份活性炭2、37.5质量份碳酸锂、3.0质量份科琴黑、1.5质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和8.0质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)(该NMP使固体成分的重量比达到31.2%)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机“FILMIX(注册商标)”,在圆周速度17m/s的条件下将该混合物分散,得到涂布液1C。
使用东机产业公司的E型粘度计TVE-35H对于所得到的涂布液1C的粘度(ηb)和TI值进行测定。其结果,粘度(ηb)为2,650mPa·s、TI值为3.4。另外,使用YOSHIMITSU SEIKI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。除了按照固体成分的重量比达到29.7%的方式将含有物与NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合以外,利用与上述相同的方法进行分散,得到涂布液2C。所得到的涂布液2C的粘度(ηb)为2,580mPa·s、TI值为3.4、粒度为31μm。
使用东丽工程公司制造的双面模涂机以涂布速度为1m/s的条件将涂布液1C涂布在厚度为15μm的铝箔的上表面、将涂布液2C涂布在在铝箔的下表面,以干燥温度120℃进行干燥,得到正极前体1。使用辊压机以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的正极前体1进行压制。使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在正极前体1的任意10处测定正极前体1的总厚度。其后除去正极前体1的一个面的正极活性物质层,再次测定厚度。其后完全除去残留在正极集电体上的正极活性物质层,测定铝箔的厚度。由所得到的测定结果求出正极前体1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54μm、正极活性物质层的下表面为52μm,设上表面为正极前体Cx1面、下表面为正极前体Cy1面。
<负极活性物质的制备制备例1>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述的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的不锈钢盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。将人造石墨和煤炭系沥青在氮气气氛下利用12小时升温至1000℃,通过在该温度下保持5小时使其发生热反应,得到复合多孔质碳材料2a。通过自然冷却将所得到的复合多孔质碳材料2a冷却至60℃,从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料2a,利用与上述相同的方法测定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,在复合多孔质碳材料2a中,来源于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2a作为负极活性物质来制造负极。
将84质量份复合多孔质碳材料2a、10质量份乙炔黑和6质量份PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)(该NMP使固体成分的重量比达到28.5%)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机“FILMIX(注册商标)”,以圆周速度为17m/s的条件将该混合物分散,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。除了按照固体成分的重量比达到27.7%将含有物与NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合以外,利用与上述相同的方法进行分散,得到涂布液2A。所得到的涂布液2A的粘度(ηb)为2,480mPa·s、TI值为3.8。
使用东丽工程公司制造的模涂机以涂布速度为2m/s的条件将涂布液1A涂布在厚度为10μm的电解铜箔的上表面、将涂布液2A涂布在电解铜箔的下表面,以干燥温度120℃进行干燥,得到负极1。使用辊压机以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件进行压制。使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在负极1的任意10处测定压制后的负极1的总厚度。其后除去负极1的一个面的负极活性物质层,再次测定厚度。其后完全除去残留在负极集电体上的负极活性物质层,测定铜箔的厚度。由所得到的测定结果求出负极1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34μm、负极活性物质层的下表面为32μm,设上表面为负极Ay1面、下表面为负极Ax1面。
[负极每单位重量的容量的测定]
将所得到的负极1以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷或刷毛除去涂布于铜箔的Ax1面的负极活性物质层,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)和碳酸甲乙酯(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),按照以下顺序测定初期充电容量。
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的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1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的方式将各电解质盐溶解,得到非水系电解液1。非水系电解液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>
将所得到的正极前体1以正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的尺寸切出21片。接着将负极1以负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的尺寸切出20片。另外准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制隔板(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1、正极前体Cx1面与负极Ax1面隔着隔板对置、正极前体Cy1面与负极Ay1面隔着隔板对置的方式,按照正极前体1、隔板、负极1、隔板、正极前体1的顺序进行层压,得到电极层压体。在所得到的电极层压体上超声波焊接正极端子和负极端子,装入设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3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,将非水系电解液1约70g注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层压体中。接着,将收纳有电极层压体和非水系电解液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,反复进行4次将腔室内的包装材料从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进一步,将腔室内的包装材料从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。同样地反复进行7次将包装材料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1浸渗到电极层压体中。
其后,将浸渗有非水系电解液1的电极层压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,由此将铝层压包装材料密封。
[锂掺杂工序]
将密封后得到的电极层压体装入温度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将其开封,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后,接着继续72小时的4.5V恒压充电,通过该方法进行初期充电,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)将铝层压体密封。
[老化工序]
将锂掺杂后的电极层压体从氩箱中取出,在25℃环境下,以100mA进行恒流放电至电压达到3.8V后,进行1小时3.8V的恒流放电,由此将电压调整为3.8V。接着,将电极层压体在60℃的恒温槽中保存48小时。
[排气工序]
对于老化后的电极层压体,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,将电极层压体装入减压腔室中,反复进行合计3次的下述工序:使用隔膜泵(KNF公司制造,N816.3KT.45.18)用3分钟的时间从大气压减压至-80kPa,之后用3分钟的时间恢复到大气压。其后将电极层压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]
对于所得到的非水系锂蓄电元件中的1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分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。其后将以2C的电流值(1.6A)实施恒流放电至2.2V时的容量设为Q[C],通过F=Q/(3.8-2.2)计算出的静电容量Fa为1753F。
[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分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。其后将采样时间设为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秒时的电压设为Eo,由降低电压ΔE=3.8-Eo和R=ΔE/(电流值20C)计算出内部电阻Ra,结果为0.57mΩ。
[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,利用同样的充电工序将电池电压充电至4.0V,之后再次将电池保存于60℃环境下。在2个月期间反复实施该工序,以Fluorinert(注册商标、3MJapan株式会社)FC-40作为测定溶剂,在25℃环境下通过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求出的气体产生量通过静电容量Fa进行标准化,所得到的值B为1.95×10-3cc/F。
[钉刺试验]
对于由上述工序得到的剩余的非水系锂蓄电元件中的1个,在设定为25℃的防爆规格的恒温槽内使用高砂制作所制造的电源(ELZ-175)以20C(16A)的电流值进行恒流充电至达到4.0V为止,接下来进行10分钟施加4.0V恒压的恒压充电。其后卸下电源,在负极端子、正极端子以及外装体的中央部附近粘贴热电偶,在非水系锂蓄电元件的中央部,在相对于平面方向垂直的方向配置铁钉(N65)。使数据记录器的采样时间为每隔0.1秒,开始测定,将贯通速度设为30mm/sec,使钉贯通。钉刺试验时的负极端子部的最大到达温度为44℃,钉刺试验后的非水系锂蓄电元件的状态为开裂。
[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2.9V,在露点温度为-72℃的氩箱中拆开,按照上述方法由式(7)、式(8)以及式(9)计算出Cx1、Cy1、Cx2、Cy2、Ax1、Ay1。
[显微拉曼分光测定]
将上述非水系锂蓄电元件拆开,由所得到的电极层压体以10cm×10cm的尺寸切出正极。将所得到的正极浸在30g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,将正极浸在新准备的30g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中取出,使用真空干燥机(YamatoScientific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。
在维持不暴露于大气中的状态下由所得到的正极试样1切出2片1cm×1cm的小片,使用抹刀、刷或刷毛除去Cy面的正极活性物质层,将所得到的试样作为试样Sx;将除去Cx面的正极活性物质层得到的试样作为试样Sy,将它们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。设激发光的激光的波长为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。对于在拉曼光谱中基于1086cm-1观测到的碳酸根离子的峰,从1071cm-1向1104cm-1引出直线的基线,将与基线相比表现为正的区域的面积和与基线相比表现为负的面积分别作为峰面积计算出。与基线相比表现为负的面积的符号为负值。将该碳酸根离子的峰面积以空间分布的形式进行描绘,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)
碳酸根离子分布像的面积Sx和Sy如下计算出。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,将比基线高的部分的面积设为正、比基线低的部分的面积设为负,制作面积(a)的分布像数据。接着,将面积(a)的最大值到最小值分割成100个区间数,制作柱状图A,对于与提供最大频数的面积值相比为负侧的部分,使用高斯函数利用最小二乘法进行拟合,从而以高斯函数B对噪音成分进行近似。从原始柱状图A减去该拟合后的高斯函数B,将所得到的差值制成CO3 2-的峰面积的柱状图C。在该柱状图C中,将提供最大频率的面积(b)以上的累积频率以CO3 2-离子的分布像频数的形式求出,结果为165。将其除以整体的频数2700,从而计算出碳酸根离子分布像的面积Sx,结果Sx=6.1%。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=5.9%。
[Cy3和Ay3的计算]
在Ar箱中在维持不暴露于大气中的状态下,将余下的正极试样1切割成10cm×5cm的尺寸,使用抹刀、刷或刷毛除去Cx面的正极活性物质层。将所得到的正极试样1用30g的碳酸二乙酯溶剂清洗10分钟,在维持不暴露于大气中的状态下在侧箱中进行真空干燥。将干燥后的正极电极体在维持不暴露于大气中的状态下从侧箱移到Ar箱中,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C1(mol/ml)、提取中使用的重水的体积D1(ml)以及提取中使用的正极的活性物质的质量E1(g)通过下述式(12)求出堆积在正极电极体上的各化合物在每单位质量的正极活性物质中的存在量Cy3(mol/g)。
Cy3=C1×D1/E1···(12)
需要说明的是,提取中使用的正极活性物质层的质量通过以下的方法求出。
使用抹刀、刷或刷毛从在重水提取后残留的正极电极体的集电体上剥下正极活性物质层,将该剥下的正极活性物质层进行水洗,之后进行真空干燥。将进行真空干燥得到的正极活性物质层用NMP清洗。接着,将所得到的正极活性物质层再次进行真空干燥后,通过称量检测出提取中使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放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到加入有含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。利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,求出所观测的各化合物的积分值。
另外,将加入有浓度已知的二甲基亚砜的氘代氯仿放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到与上述相同的加入有含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。与上述同样地利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,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C1。
1H NMR光谱的归属如下。
(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,因而将由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。
由通过上述分析求出的各化合物的提取液中的浓度以及提取中使用的重水的体积、提取中使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83.9×10-4mol/g。
利用与上述相同的方法计算出与Cy面对置的负极活性物质层中包含的LiOCH2CH2OLi的浓度Ay3为43.0×10-4mol/g。
<实施例2>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例3>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例4>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例5>
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后,接着继续进行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4相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例6>
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后,接着继续进行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4相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例7>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例8>
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后,接着继续进行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7相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例9>
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后,接着继续进行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7相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例10>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到26.0%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液3C。使用涂布液1C和涂布液3C来制作正极前体2,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例11>
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后,接着继续进行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10相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例12>
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后,接着继续进行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10相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例13>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到33.7%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液4C。使用涂布液1C和涂布液4C来制作正极前体3,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例14>
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后,接着继续进行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13相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例15>
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后,接着继续进行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13相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例16>
在制作负极前体时,按照固体成分的重量比达到25.7%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液3A。使用涂布液1A和涂布液3A制作负极2,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例17>
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后,接着继续进行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16相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例18>
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后,接着继续进行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16相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例19>
在制作负极前体时,按照固体成分的重量比达到31.2%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液4A。使用涂布液1A和涂布液4A制作负极3,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例20>
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后,接着继续进行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19相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例21>
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后,接着继续进行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19相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例1>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到24.2%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液5C。使用涂布液1C和涂布液5C来制作正极前体4,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例2>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例3>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例4>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到21.5%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液6C。使用涂布液1C和涂布液6C来制作正极前体5,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例5>
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后,接着继续进行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4相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例6>
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后,接着继续进行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4相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例7>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到35.3%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液7C。使用涂布液1C和涂布液7C来制作正极前体6,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例8>
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后,接着继续进行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7相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例9>
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后,接着继续进行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7相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例10>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到38.8%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液8C。使用涂布液1C和涂布液8C制作正极前体7,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例11>
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后,接着继续进行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10相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例12>
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后,接着继续进行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10相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例13>
在制作负极前体时,按照固体成分的重量比达到24.0%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液5A。使用涂布液1A和涂布液5A来制作负极4,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例14>
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后,接着继续进行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13相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例15>
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后,接着继续进行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13相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例16>
在制作负极前体时,按照固体成分的重量比达到33.5%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例1相同的方法制作涂布液6A。使用涂布液1A和涂布液6A来制作负极5,除此以外利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例17>
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后,接着继续进行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16相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例18>
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后,接着继续进行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16相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例19>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例20>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例21>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例22>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例23>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例24>
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后,接着继续进行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1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例1~21、比较例1~24的评价结果列于表1和2中。
<实施例22>
<正极前体的制造>
使用活性炭1作为正极活性物质来制造正极前体。
将50.0质量份活性炭1、37.5质量份碳酸锂、3.0质量份科琴黑、1.5质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和8.0质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)(该NMP使固体成分的重量比达到33.2%)混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机“FILMIX(注册商标)”,在圆周速度为17m/s的条件下将该混合物分散,得到涂布液9C。
所得到的涂布液9C的粘度(ηb)为2,790mPa·s、TI值为4.2、粒度为29μm。除了按照固体成分的重量比达到31.5%的方式将含有物与NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合以外,利用与上述相同的方法进行分散,得到涂布液10C。所得到的涂布液10C的粘度(ηb)为2,710mPa·s、TI值为4.2、粒度为30μm。
使用东丽工程公司制造的双面模涂机,以涂布速度为1m/s的条件将涂布液9C涂布在厚度为15μm的铝箔的上表面、将涂布液10C涂布在铝箔的下表面,以干燥温度120℃进行干燥,得到正极前体8。使用辊压机以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的正极前体8进行压制。正极前体8的正极活性物质层的上表面的膜厚为51μm、正极活性物质层的下表面的膜厚为49μm,设上表面为正极前体Cx1面、下表面为正极前体Cy1面。
<负极活性物质的制备制备例2>
使用Yuasa Ionics公司制造的细孔分布测定装置(AUTOSORB-1AS-1-MP),通过上述的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的不锈钢盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。将其在氮气气氛下利用8小时升温至600℃,通过在该温度下保持4小时使其发生热反应,得到复合多孔质碳材料1b。通过自然冷却将所得到的复合多孔质碳材料1b冷却至60℃后,从电炉中取出。
对于所得到的复合多孔质碳材料1b,利用与上述相同的方法测定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1b中,来源于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1b作为负极活性物质来制造负极。
将84质量份复合多孔质碳材料1b、10质量份乙炔黑和6质量份PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)(该NMP使固体成分的重量比达到24.2%),使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机“FILMIX(注册商标)”,以圆周速度为17m/s的条件将该混合物分散,得到涂布液7A。
所得到的涂布液7A的粘度(ηb)为2,710mPa·s、TI值为4.1。除了按照固体成分的重量比达到23.5%的方式混合NMP(N-甲基吡咯烷酮)以外,利用与上述相同的方法进行分散,得到涂布液8A。所得到的涂布液8A的粘度(ηb)为2,680mPa·s、TI值为4.1。
使用东丽工程公司制造的模涂机,以涂布速度为2m/s的条件将涂布液7A涂布在厚度为10μm的电解铜箔的上表面、将涂布液8A涂布在电解铜箔的下表面,以干燥温度120℃进行干燥,得到负极7。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。负极7的负极活性物质层的上表面的膜厚为38μm、负极活性物质层的下表面的膜厚为36μm,设上表面为负极Ay7面、下表面为负极Ax7面。
[负极每单位重量的容量的测定]
将所得到的负极7以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷或刷毛除去涂布于铜箔的Ay2面的负极活性物质层,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)和碳酸甲乙酯(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),按照以下顺序测定初期充电容量。
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后,进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2。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7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>
将所得到的正极前体8按照正极活性物质层成为10.0cm×10.0cm(100cm2)的尺寸切出21片。接着将负极7按照负极活性物质层成为10.1cm×10.1cm(102cm2)的尺寸切出20片。另外准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制隔板(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8、正极前体Cx8面与负极Ax7面隔着隔板对置、正极前体Cy8面与负极Ay7面隔着隔板对置的方式,按照正极前体1、隔板、负极1、隔板、正极前体1的顺序进行层压,得到电极层压体。其后利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件,进行评价。
<实施例23>
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后,接着继续进行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22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例24>
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后,接着继续进行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22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例25>
除了不使用碳酸锂而使用氧化锂以外,利用与实施例22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例26>
除了不使用碳酸锂而使用氢氧化锂以外,利用与实施例22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例25>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到28.5%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例22相同的方法制作涂布液11C。使用涂布液9C和涂布液11C来制作正极前体9,除此以外,利用与实施例22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例26>
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后,接着继续进行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25相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例27>
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后,接着继续进行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25相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例28>
在制作正极前体时,按照固体成分的重量比达到38.5%的方式来混合NMP(N-甲基吡咯烷酮),除此以外利用与实施例22相同的方法制作涂布液12C。使用涂布液9C和涂布液12C来制作正极前体10,除此以外利用与实施例22相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例29>
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后,接着继续进行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28相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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28相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例31>
除了不使用碳酸锂而使用氧化锂以外,利用与比较例25相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例32>
除了不使用碳酸锂而使用氢氧化锂以外,利用与比较例25相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例27>
将正极前体1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1切断成12.1×220.0cm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),将切出的正极前体和负极隔着聚乙烯制隔板(旭化成株式会社制造,厚度为10μm)卷绕,制作电极层压体。此时,按照正极前体Cx1面与负极Ax1面隔着隔板对置、正极前体Cy1面与负极Ay1面隔着隔板对置的方式卷绕成椭圆形状。在所得到的电极层压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3边进行密封。其后利用与实施例1相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例28>
除了使用正极前体8和负极7以外,利用与实施例27相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例33>
除了使用正极前体4和负极5以外,利用与实施例27相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例34>
除了使用正极前体9和负极7以外,利用与实施例27相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例22~28、比较例25~34的评价结果列于表3和表4中。
根据表1~4所示的评价结果可认为,在Cx1/Cy1为0.85以上1.15以下、Ax1/Ay1为0.85以上1.15以下、Cy2/Cx2和Cx2/Cy2为0.60以上1.70以下、(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下的情况下,可抑制内部短路时局部的电流集中,使锂化合物均匀地分解,从而能够减少短路电流,抑制钉刺试验中的热失控。
另外认为,通过使正极表面存在由式(1)~(3)表示的化合物,能够抑制正极中的锂化合物与非水系电解液的反应,抑制高温保存试验中的气体产生。
以下对第二实施方式进行具体说明。
<实施例29>
<正极前体的制造>
使用活性炭2作为正极活性物质、使用碳酸锂作为锂化合物来制造正极前体。
将55.5质量份活性炭2、32.0质量份碳酸锂、3.0质量份科琴黑、1.5质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和8.0质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)与纯水的99:1的混合溶剂混合,使用PRIMIX公司制造的薄膜旋回型高速搅拌机“FILMIX(注册商标)”,以圆周速度为17m/s的条件将该混合物分散,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2,750mPa·s、TI值为4.2。另外,使用YOSHIMITSU SEIKI公司制造的粒度计对所得到的涂布液的分散度进行测定。其结果,粒度为31μm。使用东丽工程公司制造的模涂机,以涂布速度为1m/s的条件将涂布液涂布在厚度为15μm的铝箔的双面,以干燥温度120℃进行干燥,得到正极前体11。使用辊压机以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的正极前体11进行压制。使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在正极前体11的任意10处测定压制得到的正极前体11的总厚度。由测定得到的总厚度的平均值减去铝箔的厚度,求出正极前体11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每个单面为55μm。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料2a作为负极活性物质来制造负极。
将84质量份复合多孔质碳材料2a、10质量份乙炔黑和6质量份PVdF(聚偏二氟乙烯)、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的条件将该混合物分散,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2,310mPa·s、TI值为2.9。使用东丽工程公司制造的模涂机,设上表面模头和下表面模头的排出压为60kPa,以涂布速度为2m/s的条件将涂布液涂布在厚度为10μm的电解铜箔的双面,以干燥温度120℃进行干燥,得到负极8。使用辊压机,以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的负极8进行压制。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10处对压制后的负极8的总厚度进行测定。由测定出的总厚度的平均值减去铜箔的厚度,求出负极8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31μm。
[负极每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、刷或刷毛除去涂布于铜箔的双面的负极活性物质层中的一侧的层,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),按照以下顺序测定初期充电容量。
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,之后进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2。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每单位质量的容量(锂离子的掺杂量)为545mAh/g。
<非水系锂蓄电元件的制作>
将所得到的正极前体11以正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的尺寸切出20片。接着将负极8以负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的尺寸切出21片。另外准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制隔板(旭化成株式会社制造,厚度为10μm)。从最外层起按照负极8、隔板、正极前体11、隔板、负极8的顺序,以正极活性物质层和负极活性物质层隔着隔板对置的方式对它们进行层压,得到电极层压体。在配置于所得到的电极层压体的最外层的、不与正极前体11对置的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属10.6mg。其后在电极层压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3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,将非水系电解液1约70g注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层压体中。接着,将收纳有电极层压体和非水系电解液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。其后反复进行4次将腔室内的包装材料从大气压减压至-87kPa后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进一步将腔室内的包装材料从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。同样地反复进行7次将包装材料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1浸渗到电极层压体中。
其后,将浸渗有非水系电解液1的电极层压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,由此将铝层压包装材料密封。
[锂掺杂工序]
将密封后得到的电极层压体装入温度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将其开封,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后,接着继续进行72小时4.5V的恒压充电,利用该方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂。锂掺杂结束后,使用FUJIIMPULSE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压体从氩箱中取出,在25℃环境下,以100mA进行恒流放电至电压达到3.8V后,进行1小时3.8V的恒流放电,由此将电压调整为3.8V。接着,将电极层压体在60℃的恒温槽中保存48小时。
[排气工序]
对于老化后的电极层压体,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,将电极层压体装入减压腔室中,反复进行合计3次的下述工序:使用隔膜泵(KNF公司制造,N816.3KT.45.18)用3分钟的时间从大气压减压至-80kPa,之后用3分钟的时间恢复到大气压。其后将电极层压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,制作非水系锂蓄电元件。通过以上的工序制作出4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]
对于所得到的非水系锂蓄电元件中的1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分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。其后将以2C的电流值(1.6A)实施恒流放电至2.2V时的容量设为Q[C],通过F=Q/(3.8-2.2)计算出的静电容量Fa为1745F。
[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分钟的施加3.8V恒压的恒压充电。其后将采样时间设为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秒时的电压设为Eo,由降低电压ΔE=3.8-Eo、和R=ΔE/(电流值20C)计算出内部电阻Ra,结果为0.58mΩ。
[高负载充放电循环试验]
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 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,以无休止的条件反复进行60,000次该充放电工序。循环结束后测定内部电阻Rb,结果为0.64mΩ,Rb/Ra=1.10。
[高温保存试验]
对于由上述工序得到的剩余的非水系锂蓄电元件中的1个,在设定为25℃的恒温槽内使用FUJITSU TELECOM NETWORKS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,接下来进行进行合计10分钟的施加4.0V恒压的恒压充电。接下来,将电池保存在60℃环境下,每2周从60℃环境下取出,利用同样的充电工序将电池电压充电至4.0V后,再次将电池保存在60℃环境下。在2个月期间反复实施该工序,以Fluorinert(注册商标、3M Japan株式会社)FC-40作为测定溶剂,在25℃环境下通过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求出的气体产生量通过静电容量Fa进行标准化,所得到的值B为1.81×10-3cc/F。
[钉刺试验]
对于由上述工序得到的剩余的非水系锂蓄电元件中的1个,在设定为25℃的防爆规格的恒温槽内使用高砂制作所制造的电源(ELZ-175)以20C(16A)的电流值进行恒流充电至达到4.0V为止,接下来进行10分钟施加恒压4.0V的恒压充电。其后卸下电源,在负极端子、正极端子以及外装体的中央部附近粘贴热电偶,在非水系锂蓄电元件的中央部,在相对于平面方向垂直的方向配置铁钉(N65)。使数据记录器的采样时间为每隔0.1秒,开始测定,将贯通速度设为30mm/sec,使钉贯通蓄电元件。钉刺试验时的负极端子部的最大到达温度为45℃,钉刺试验后的非水系锂蓄电元件的状态为开裂。
[Aw1、Az1、Aw2、Az2、Cz1、Cz2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2.9V,在露点温度为-72℃的氩箱中拆开,按照上述方法计算出Aw1、Az1、Aw2、Az2、Cz1以及Cz2,计算出了Aw1/Az1=0.34、Aw2/Az2=0.97、Cz1=31.3g/m2、Cz2=2.5g/m2。
[显微拉曼分光测定]
将上述非水系锂蓄电元件拆开,由所得到的电极层压体以10cm×10cm的尺寸切出正极。将所得到的正极浸在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,将正极浸在新准备的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中取出,使用真空干燥机(YamatoScientific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。
在维持不暴露于大气中的状态下由上述得到的正极试样1切出1cm×1cm的小片,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。设激发光的激光的波长为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。对于在拉曼光谱中基于1086cm-1观测到的碳酸根离子的峰,从1071cm-1向1104cm-1引出直线的基线,将与基线相比表现为正的区域的面积和与基线相比表现为负的面积分别作为峰面积计算出。与基线相比表现为负的面积的符号为负值。将该碳酸根离子的峰面积以空间分布的形式进行描绘,得到碳酸根离子的成像图像。
(碳酸根离子分布像的面积Sz的计算)
碳酸根离子分布像的面积Sz如下计算出。在试样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,将比基线高的部分的面积设为正、比基线低的部分的面积设为负,制作面积(a)的分布像数据。接着,将面积(a)的最大值到最小值分割成100个区间数,制作柱状图A,对于与提供最大频数的面积值相比为负侧的部分,使用高斯函数利用最小二乘法进行拟合,从而以高斯函数B对噪音成分进行近似。从原始柱状图A减去该拟合后的高斯函数B,将所得到的差值制成CO3 2-的峰面积的柱状图C。在该柱状图C中,将提供最大频率的面积(b)以上的累积频率以CO3 2-离子的分布像频数的形式求出,结果为145。将其除以整体的频数2700,从而计算出碳酸根离子分布像的面积Sy,结果Sz=5.4%。
[Cz3和Az3的计算]
在Ar箱中在维持不暴露于大气中的状态下,将余下的正极试样1切割成10cm×5cm的尺寸,使用抹刀、刷或刷毛除去Cx面的正极活性物质层。将所得到的正极试样1用30g的碳酸二乙酯溶剂清洗10分钟,在维持不暴露于大气中的状态下在侧箱中进行真空干燥。将干燥后的正极电极体在维持不暴露于大气中的状态下从侧箱移到Ar箱中,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C2(mol/ml)、提取中使用的重水的体积D2(ml)以及提取中使用的正极的活性物质的质量E2(g)通过下述式(13)求出堆积在正极电极体上的各化合物在每单位质量的正极活性物质中的存在量Cz3(mol/g)。
Cz3=C2×D2/E2···(13)
需要说明的是,提取中使用的正极活性物质层的质量通过以下的方法求出。
使用抹刀、刷或刷毛从在重水提取后残留的正极电极体的集电体上剥下正极活性物质层,将该剥下的正极活性物质层进行水洗,之后进行真空干燥。将进行真空干燥得到的正极活性物质层用NMP清洗。接着,将所得到的正极活性物质层再次进行真空干燥后,通过称量检测出提取中使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放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到加入有含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。利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,求出所观测的各化合物的积分值。
另外,将加入有浓度已知的二甲基亚砜的氘代氯仿放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到与上述相同的加入有含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。与上述同样地利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,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C2。
1H NMR光谱的归属如下。
(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,因而将由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。
由通过上述分析求出的各化合物的提取液中的浓度以及提取中使用的重水的体积、提取中使用的正极的活性物质质量计算出Cz面中包含的LiOCH2CH2OLi的浓度Cz3为84.5×10-4mol/g。
利用与上述相同的方法计算出与Cz面对置的负极活性物质层中包含的LiOCH2CH2OLi的浓度Az3为45.3×10-4mol/g。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.6V后,接着继续进行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29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<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100mA进行恒流充电至电压达到4.6V后,接着继续进行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32相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.6V后,接着继续进行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32相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.3V后,接着继续进行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29相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.3V后,接着继续进行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35相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.3V后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例38>
在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属13.8mg,除此以外利用与实施例29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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38相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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38相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例41>
在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属2.7mg,除此以外利用与实施例29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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41相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例43>
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后,接着继续进行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41相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例44>
在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属1.1mg,除此以外利用与实施例29相同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,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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44相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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44相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例35>
在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属18.6mg,除此以外利用与实施例29相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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35相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例38>
在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属26.6mg,除此以外利用与实施例29相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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38相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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38相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例41>
对于锂掺杂工序前的电极层压体,使用抹刀、刷毛、刷除去最外层的负极活性物质层,除此以外利用与实施例29相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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41相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例43>
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后,接着继续进行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41相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.1V后,接着继续进行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35相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.1V后,接着继续进行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35相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.1V后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例47>
设负极涂布时的上表面模头的排出压为45kPa、设下表面模头的排出压为60kPa来制作负极9。利用与实施例29相同的方法测定负极活性物质层的膜厚,结果一侧的层为23μm,另一侧的层为31μm。在制作电极层压体时,将最外层的负极8替换为负极9,膜厚23μm的负极活性物质层按照不与正极前体对置的方式成为Aw面,除此以外利用与比较例35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例50>
设负极涂布时的上表面模头的排出压为75kPa、设下表面模头的排出压为60kPa来制作负极10。利用与实施例29相同的方法测定负极活性物质层的膜厚,结果一侧的层为40μm,另一侧的层为31μm。在制作电极层压体时,将最外层的负极8替换为负极10,膜厚40μm的负极活性物质层按照不与正极前体对置的方式成为Aw面,除此以外利用与比较例35相同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,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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50相同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,以电流值100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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50相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例53>
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后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例54>
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后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例55>
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后,接着继续进行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35相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例29~46、比较例35~55的评价结果列于表5。
<实施例47>
<正极前体的制造>
除了使用50.5质量份活性炭1、38.0质量份平均粒径为2.5μm的碳酸锂、2.7质量份科琴黑、1.4质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)以及7.4质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)以外,利用与实施例29相同的方法制作正极前体12。使用辊压机以压力为6kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的正极前体12进行压制。使用小野计器公司制造的膜厚计LinearGauge Sensor GS-551,在正极前体12的任意10处测定压制后的正极前体12的总厚度。由测定出的总厚度的平均值减去铝箔的厚度,求出正极前体12的正极活性物质层的膜厚,结果正极活性物质层的膜厚在每个单面为53μm。
<负极的制造>
使用复合多孔质碳材料1b作为负极活性物质来制造负极。
将84质量份复合多孔质碳材料1b、10质量份乙炔黑和6质量份PVdF(聚偏二氟乙烯)、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(注册商标)”,以圆周速度为17m/s的条件将该混合物分散,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,以涂布速度为2m/s的条件将涂布液涂布在厚度为10μm的电解铜箔的双面,以干燥温度120℃进行干燥,得到负极11。使用辊压机以压力为5kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件对所得到的负极11进行压制。使用小野计器公司制造的膜厚计Linear Gauge Sensor GS-551,在负极11的任意10处测定压制后的负极11的总厚度。由测定出的总厚度的平均值减去铜箔的厚度,求出负极11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。
[负极每单位重量的容量的测定]
将所得到的负极11以1.4cm×2.0cm(2.8cm2)的尺寸切割出1片,使用抹刀、刷或刷毛除去涂布于铜箔的双面的负极活性物质层中的一侧的层,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),按照以下顺序测定初期充电容量。
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后,进一步进行恒压充电至电流值达到0.01mA/cm2。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11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>
将所得到的正极前体12以正极活性物质层为10.0cm×10.0cm(100cm2)的尺寸切出20片。接着将负极11以负极活性物质层为10.1cm×10.1cm(102cm2)的尺寸切出21片。另外准备40片10.3cm×10.3cm(106cm2)的聚乙烯制隔板(旭化成制造,厚度为10μm)。从最外层起按照负极11、隔板、正极前体12、隔板、负极11的顺序,以正极活性物质层和负极活性物质层隔着隔板对置的方式对它们进行层压,得到电极层压体。在配置于所得到的电极层压体的最外层的、不与正极前体12对置的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属10.6mg。其后在电极层压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3边进行密封。其后利用与实施例29相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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47相同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100mA进行恒流充电至电压达到4.5V后,接着继续进行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47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例50>
除了不使用碳酸锂而使用氧化锂以外,利用与实施例47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例51>
除了不使用碳酸锂而使用氢氧化锂以外,利用与实施例47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例56>
除了在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属18.6mg以外,利用与实施例47相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例57>
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后,接着继续进行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56相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例58>
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后,接着继续进行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56相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例59>
除了在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属18.6mg以外,利用与实施例50相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例60>
除了在配置于电极层压体的最外层的2个负极活性物质层Aw面分别压接粉体状的锂金属18.6mg以外,利用与实施例51相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例52>
将正极前体11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12.1×220.0cm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),将切出的正极前体和负极隔着聚乙烯制隔板(旭化成制造,厚度为10μm)卷绕,制作电极层压体。此时,按照正极活性物质层与负极活性物质层隔着隔板对置、正极未涂布部和负极未涂布部分别从电极层压体的相反方向突出、负极8配置在电极层压体的最外层的方式卷绕成椭圆形状。在配置于所得到的电极层压体的最外层的、不与正极前体11对置的最外层负极活性物质层Aw面压接合计21.2mg的粉体状的锂金属。在所得到的电极层压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3边进行密封。其后利用与实施例29相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例53>
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后,接着继续进行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52相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<实施例54>
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后,接着继续进行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52相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例61>
在配置于电极层压体的最外层的最外层负极活性物质层Aw面分别压接合计37.2mg的粉体状的锂金属,除此以外利用与实施例52相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
<比较例62>
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后,接着继续进行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51相同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后,接着继续进行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61相同的方法制作非水系锂蓄电元件。
将实施例47~54、比较例56~63的评价结果列于表6。
尽管不限于理论,但认为,通过降低配置于最外层的负极活性物质层Aw面的锂离子量,抑制了在内部短路时负极电位上升、预掺杂在负极中的锂离子与非水电解液的反应,因而抑制了温度的急剧上升。
另外,通过在正极表面存在由式(1)~(3)表示的化合物,能够抑制正极中的锂化合物与非水系电解液的反应,抑制了高温保存试验中的气体产生。
以下对第三实施方式进行具体说明。
<实施例55>
<正极前体的制造>
[活性炭1b]
将破碎的椰壳碳化物装入小型碳化炉内,在氮气氛下于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,将用预热炉加热得到的水蒸气以1kg/h导入上述活化炉内,用8小时升温至900℃进行活化。取出活化后的碳化物,在氮气气氛下冷却,得到活化后的活性炭。将所得到的活化后的活性炭进行10小时通水清洗后去除水分,在保持于115℃的电烘干机内干燥10小时后,用球磨机进行1小时粉碎,从而得到活性炭1b。
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)对活性炭1b的平均粒径进行测定,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)对活性炭1b的细孔分布进行测定。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。
[活性炭2b]
将酚树脂装入烧制炉内,在氮气气氛下于600℃进行2小时碳化处理后,利用球磨机粉碎,进行分级,得到平均粒径为7.0μm的碳化物。将所得到的碳化物与KOH以1:5的质量比混合,装入烧制炉内,在氮气氛下于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的稀盐酸中进行1小时搅拌清洗,用蒸馏水进行煮沸清洗至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)对活性炭2b的平均粒径进行测定,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)对活性炭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。
使用上述得到的活性炭1b作为正极活性物质来制造正极前体。
将62.5质量份活性炭1b、25.0质量份作为锂化合物的平均粒径为2.0μm的碳酸锂、3.0质量份科琴黑、1.5质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和8.0质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)、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(注册商标)”,以圆周速度为17m/s的条件将该混合物分散,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2,820mPa·s、TI值为3.2。另外,使用YOSHIMITSU SEIKI公司制造的粒度计对所得到的涂布液的分散度进行测定。其结果,粒度为35μm。使用东丽工程公司制造的模涂机,以涂布速度为1m/s的条件将该上述涂布液涂布在厚度为15μm的铝箔的单面或双面,以干燥温度100℃进行干燥,得到正极前体13(下文中分别称为“单面正极前体”以及“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℃的条件对所得到的正极前体13进行压制。
<负极活性物质的制备>
[制备例3]
将100g平均粒径为0.9μm的硅装入不锈钢网制笼中,放在加入有煤炭系沥青(软化点:50℃)30g的不锈钢盘上,将两者设置在电炉(炉内有效尺寸300mm×300mm×300mm)内。将硅和煤炭系沥青在氮气气氛下利用15小时升温至1000℃,通过在该温度下保持6小时使其发生热反应,得到复合材料1。通过自然冷却将所得到的复合材料1冷却至60℃后,从电炉中取出。所得到的复合材料1的平均粒径为1.1μm。
[制备例4]
除了不使用硅而使用平均粒径为1.0μm的一氧化硅以外,与制备例3同样地制造复合材料2。所得到的复合材料2的平均粒径为1.2μm。
[制备例5]
除了不使用硅而使用平均粒径为0.8μm的锡以外,与制备例3同样地制造复合材料3。所得到的复合材料3的平均粒径为1.0μm。
[制备例6]
除了不使用硅而使用平均粒径为1.1μm的二氧化锡以外,与制备例1同样地制造复合材料4。所得到的复合材料4的平均粒径为1.3μm。
<负极的制造>
将75质量份平均粒径为0.9μm的硅、10质量份科琴黑和15质量份聚酰亚胺粘结剂、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(注册商标)”,以圆周速度为15m/s的条件将该混合物分散,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2,982mPa·s、TI值为3.2。使用东丽工程公司制造的模涂机以涂布速度为1m/s的条件将上述涂布液涂布在厚度为10μm、Rzjis为1.5μm的电解铜箔的双面,以85℃的干燥温度进行干燥,得到负极12(以下也称为“双面负极”)。对于所得到的负极12,使用辊压机以压力为4kN/cm、压制部的表面温度为25℃的条件实施压制。使用小野计器公司制造的膜厚计LinearGauge Sensor GS-551,在负极12的任意10处对所得到的负极12的总厚度进行测定。由测定出的总厚度的平均值减去铜箔的厚度,求出负极12的负极活性物质层的膜厚。其结果,负极12的负极活性物质层的膜厚在每个单面为10μm。
<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75:25(摩尔比)、且LiN(SO2F)2和LiPF6的浓度之和为1.2mol/L的方式将各电解质盐溶解,使用所得到的溶液作为非水系电解液2。
此处制备的非水系电解液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造>
使用上述得到的正极前体13和负极12,以后述的条件制造出多个非水系锂蓄电元件。
[组装]
将所得到的双面负极12和双面正极前体13切割成10cm×10cm(100cm2)。最上表面和最下表面使用单面正极前体13,进一步使用21片双面负极12和20片双面正极前体13,在负极12和正极前体13之间隔着厚度为15μm的微多孔膜隔板进行层压。其后在负极12和正极前体13上分别通过超声波焊接连接负极端子和正极端子,得到电极层压体。将该电极层压体收纳于由铝层压包装材料构成的外装体内,以温度为180℃、密封时间为20sec、密封压为1.0MPa的条件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的条件下进行真空干燥。
[液体注入、浸渗、密封工序]
在大气压下、温度25℃、露点-40℃以下的干燥空气环境下将约80g上述非水系电解液2注入到收纳于铝层压包装材料中的电极层压体中。接着,将该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。其后,反复进行4次从大气压减压至-87kPa、之后恢复到大气压的工序,之后静置15分钟。进一步将包装材料从大气压减压至-91kPa后,恢复到大气压。反复进行合计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,使非水系电解液浸渗到电极层压体中。
其后,将包含浸渗有非水系电解液的电极层压体的铝层压包装材料装入减压密封机中,在减压至-95kPa的状态下,于180℃以10秒、0.1MPa的压力进行密封,由此将铝层压包装材料密封,制作出非水系锂蓄电元件。
[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25℃环境下以电流值50mA进行恒流充电至电压达到4.0V后,接着继续进行120小时4.0V的恒压充电,通过该方法进行初期充电,对负极进行锂掺杂。
[老化工序]
对于锂掺杂后的非水系锂蓄电元件,在25℃环境下以100mA进行恒流放电至电压达到2.0V,之后以100mA进行恒流充电至电压达到4.0V,进一步进行48小时4.0V的恒流放电,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装入减压腔室中,反复进行合计3次的下述工序:使用KNF公司制造的隔膜泵(N816.3KT.45.18)用3分钟的时间从大气压减压至-80kPa,之后用3分钟的时间恢复到大气压。其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>
对于上述得到的非水系锂蓄电元件中的1个,实施后述的[静电容量、Ra的测定]和[高负载充放电循环试验]。使用剩余的非水系锂蓄电元件分别实施后述的[正极中的锂化合物的定量]和[正极活性物质层中包含的化合物的定量]。
[静电容量、Ra的测定]
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株式会社制造的充放电装置(5V,360A)通过上述方法计算出静电容量Fa和25℃的内部电阻Ra,得到能量密度Wh/Vi。将所得到的结果列于表7。
[高负载充放电循环试验]
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株式会社制造的充放电装置(5V,360A)通过上述方法实施高负载充放电循环试验,测定高温保存试验后的常温内部电阻Rb,得到Rb/Ra。将所得到的结果列于表7。
[正极中的锂化合物的定量]
将所得到的非水系锂蓄电元件在露点温度-72℃的氩箱中拆开,将在双面涂布有正极活性物质层的正极切割成10cm×5cm的尺寸。将切出的正极浸在30g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,将正极浸在新准备的30g碳酸二乙酯溶剂中,利用与上述相同的方法清洗10分钟。将正极从氩箱中取出,使用真空干燥机(Yamato Scientific制造,DP33)以温度25℃、压力1kPa的条件干燥20小时,得到正极试样。
将切割成5cm×5cm的尺寸的正极试样浸在甲醇,将容器加盖,在25℃的环境下静置3天。其后将正极取出,以120℃、5kPa的条件真空干燥10小时。对于清洗后的甲醇溶液,以预先制作了校正曲线的条件进行GC/MS测定,确认到碳酸二乙酯的存在量小于1%。接着,在测定正极质量M0后,在蒸馏水中浸渗正极试样,将容器加盖,在45℃的环境下静置3天。其后将正极试样取出,以150℃、3kPa的条件进行12小时真空干燥。对于清洗后的蒸馏水,以预先制作了校正曲线的条件进行GC/MS测定,确认到甲醇的存在量小于1%。其后测定正极质量M1,接下来使用抹刀、刷或刷毛除去正极集电体上的活性物质层,测定正极集电体的质量M2。使用所得到的M0、M1、M2通过上述方法对正极中的锂化合物量N(质量%)进行定量。将其结果列于表7。
[正极活性物质层中包含的式(1)~(3)的化合物的定量]
将所得到的非水系锂蓄电元件调整为2.9V后,将非水系锂蓄电元件在设置于23℃的房间内的以露点-90℃以下、氧浓度1ppm以下进行管理的氩(Ar)箱内拆开,取出正极。将取出的正极用碳酸二甲酯(DMC)浸渍清洗后,在维持不暴露于大气中的状态下在侧箱中进行真空干燥。
将干燥后的正极在维持不暴露于大气中的状态下从侧箱移到Ar箱中,用重水进行浸渍提取,得到正极提取液。提取液的分析利用(i)IC和(ii)1H-NMR进行,由所求出的正极提取液中各化合物的浓度C(mol/ml)、提取中使用的重水的体积D(ml)以及提取中使用的正极活性物质层的质量E(g)通过下述数学式13求出堆积于正极的各化合物在每单位质量正极活性物质层中的存在量(mol/g)。
每单位质量的存在量(mol/g)=C×D÷E···(13)
提取中使用的正极活性物质层的质量通过以下方法求出。从重水提取后残留的正极集电体上剥离下合剂(正极活性物质层),对该剥离后的合剂进行水洗,之后进行真空干燥。将真空干燥得到的合剂用NMP或DMF清洗。接着,将所得到的正极活性物质层再次真空干燥后进行称量,由此检测出提取中使用的正极活性物质层的质量。
将正极提取液放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到加入有含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。利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,求出所观测的各化合物的积分值。
另外,将加入有浓度已知的二甲基亚砜的氘代氯仿放入3mmφNMR管(株式会社Shigemi制PN-002)中,插入到与上述相同的加入有含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。与上述同样地利用1,2,4,5-四氟苯的信号7.1ppm(m,2H)对测定结果进行标准化,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XOCH2CH2OX]
XOCH2CH2OX的CH2:3.7ppm(s,4H)
CH3OX:3.3ppm(s,3H)
CH3CH2OX的CH3:1.2ppm(t,3H)
CH3CH2OX的CH2O:3.7ppm(q,2H)
如上所述,XOCH2CH2OX的CH2的信号(3.7ppm)与CH3CH2OX的CH2O的信号(3.7ppm)重叠,因而将由CH3CH2OX的CH3的信号(1.2ppm)计算出的CH3CH2OX的CH2O相当量除去,计算出XOCH2CH2OX量。
上述式中,X分别为-(COO)nLi或-(COO)nR1(此处,n为0或1,R1是碳原子数为1~4的烷基、碳原子数为1~4的卤代烷基)。
由通过上述(i)和(ii)的分析求出的各化合物的提取液中的浓度以及提取中使用的重水的体积、提取中使用的正极活性物质层的质量计算出上述正极活性物质层中的式(1)~(3)的化合物量。将所得到的结果列于表7。
<实施例56~57>
<负极的制造>
将65质量份平均粒径为0.2μm的硅微粒、15质量份科琴黑和20质量份聚酰亚胺粘结剂、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的条件将其分散,得到涂布液。使用上述涂布液,将负极活性物质层的每个单面的膜厚调整为表7所示的值,除此以外与实施例55同样地制造负极。
<非水系锂蓄电元件的制造、评价>
除了使正极活性物质、锂化合物以及它们的质量份如表7所示以外,与实施例55同样地制造正极前体,将其与上述得到的负极组合,除此以外与实施例55同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
<实施例58~68和71~72>
<负极的制造>
除了使负极活性物质、负极活性物质层每个单面的膜厚如表7所示以外,与实施例55同样地制造负极。
<非水系锂蓄电元件的制造、评价>
除了使正极活性物质、锂化合物以及它们的质量份如表7所示以外,与实施例55同样地制造正极前体,将其与上述得到的负极组合,除此以外与实施例55同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
<实施例69>
除了进行后述的老化工序以外,与实施例64同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
[老化工序]
对于锂掺杂后的非水系锂蓄电元件,在0℃环境下,以100mA进行恒流放电至电压达到2.0V后,以100mA进行恒流充电至电压达到4.0V,进一步进行10小时4.0V恒流放电,实施了恒流恒压充电工序:。
<实施例70>
除了进行后述的老化工序以外,与实施例64同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
[老化工序]
对于锂掺杂后的非水系锂蓄电元件,在75℃环境下,以100mA进行恒流放电至电压达到2.0V后,以100mA进行恒流充电至电压达到4.0V,进一步进行120小时4.0V恒流放电,实施了恒流恒压充电工序:。
<比较例64>
<正极前体的制造>
将87.5质量份活性炭2、3.0质量份科琴黑、1.5质量份PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和8.0质量份PVDF(聚偏二氟乙烯)、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的条件将其分散,得到涂布液。除了使用上述得到的涂布液以外,与实施例55同样地得到正极前体。
<负极的制造>
除了使负极活性物质以及负极活性物质层每个单面的膜厚如表7所示以外,与实施例55同样地制造负极。
<非水系锂蓄电元件的制造、评价>
除了使用所得到的正极前体、以及在负极活性物质层表面贴附有金属锂箔(该金属锂箔在每单位质量的负极活性物质中相当于1300mAh/g)的负极以外,与实施例55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120小时,使金属锂发生离子化并掺杂于负极中。其后,对于所得到的非水系锂蓄电元件,与实施例55同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
<比较例65>
作为负极活性物质使用复合材料2,使用在负极活性物质层表面贴附有金属锂箔(该金属锂箔在每单位质量的负极活性物质中相当于750mAh/g)的负极,除此以外与比较例64同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
<比较例66>
<正极前体的制造>
除了使正极活性物质、锂化合物以及它们的质量份如表7所示以外,与实施例55同样地制造正极前体。
<负极的制造>
将80质量份平均粒径为5.2μm的人造石墨、5质量份科琴黑和15质量份PVdF(聚偏二氟乙烯)、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的条件将其分散,得到涂布液。使用上述涂布液,按照成为表7所示的负极活性物质层每个单面的膜厚的方式进行调整,除此以外与实施例55同样地制造负极。
<非水系锂蓄电元件的制造、评价>
除了将上述得到的表7所示的正极前体与负极组合以外,与实施例55同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
<比较例67>
除了使用平均粒径为7.1μm的天然石墨以外,与比较例66同样地制造非水系锂蓄电元件并进行评价。将其结果列于表7。
将以上的结果汇总列于以下的表7中。
由实施例55~72和比较例64~67可知,通过使正极活性物质层除了正极活性物质以外还具有锂化合物,并且使负极活性物质具有与锂形成合金的合金系负极材料(例如硅等),即使在负极活性物质层的膜厚小的情况下,也能够提高高负载充放电循环特性,能够兼顾高能量密度和高负载充放电循环特性。
【工业实用性】
本发明的非水系锂蓄电元件例如可将多个非水系锂蓄电元件串联或并联连接而制作出蓄电模块。本发明的非水系锂蓄电元件和上述蓄电模块可适宜地用于要求高负载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、以微波送电或电解共振等电压变动的平衡和蓄能为目的的非接触供电系统、以由振动发电等所发出的电力的利用为目的的能量采集系统中。
本发明的非水系锂蓄电元件在作为例如锂离子电容器或锂离子二次电池应用时,可最大限度地发挥出本发明的效果,因而是优选的。
符号说明
1 正极活性物质层Cx面
2 正极活性物质层Cy面
3 正极集电体
4 负极活性物质层Ax面
5 负极活性物质层Ay面
6 负极集电体
7 隔板
8 电极层压体
9 外装体
10 负极活性物质层Aw面
11 负极活性物质层Az面
12 正极活性物质层Cz面
Claims (34)
1.一种非水系锂蓄电元件,该非水系锂蓄电元件包含至少一个正极、至少一个负极、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,
在所述正极的无孔状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0.85以上1.15以下,其中,该Cx1和Cy1的单位为g/m2,
将与所述Cy面对置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0.85以上1.15以下、且(Ax1+Cx1)/(Ay1+Cy1)为0.80以上1.20以下,其中,该Ay1和Ax1的单位为g/m2,并且
将单位面积的所述Cx面的所述锂化合物的量设为Cx2、将单位面积的所述Cy面的所述锂化合物的量设为Cy2时,Cx2和Cy2分别为0.1以上18以下、且Cy2/Cx2和Cx2/Cy2分别为0.60以上1.70以下,其中,该Cx2和Cy2的单位为g/m2。
2.如权利要求1所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)为0.70以上1.30以下。
3.如权利要求1或2所述的非水系锂蓄电元件,其中,(Cx1+Cx2+Ay1)/(Cy1+Cy2+Ax1)为0.80以上1.20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,
所述正极含有相对于所述正极物质层的每单位质量为1.60×10-4mol/g~300×10- 4mol/g的选自由下式(1)~(3)所表示的化合物组成的组中的至少一种,
LiX1-OR1O-X2Li 式(1)
式(1)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,-(COO)n中的n为0或1,
LiX1-OR1O-X2R2 式(2)
式(2)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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,-(COO)n中的n为0或1,
R2X1-OR1O-X2R3 式(3)
式(3)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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,-(COO)n中的n为0或1。
5.如权利要求4所述的非水系锂蓄电元件,其中,将所述Cy面的每单位质量的由所述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Cy3时,Cy3为1.60×10-4以上300×10-4以下,其中该Cy3的单位为mol/g。
6.如权利要求5所述的非水系锂蓄电元件,其中,将所述Ay面中含有的由所述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Ay3时,Cy3/Ay3为0.2以上20以下,其中该Ay3的单位为mol/g。
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,所述锂化合物为选自由碳酸锂、氧化锂以及氢氧化锂组成的组的至少一种。
8.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,将所述Cx面和Cy面的碳酸根离子分布像的面积比例分别设为Sx%和Sy%时,Sx和Sy分别为1以上40以下,并且Sx/Sy为0.5以上1.5以下。
9.如权利要求1~8中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述非水系锂蓄电元件包含电极层压体或电极卷绕体,该电极层压体或电极卷绕体是所述正极和所述负极隔着所述隔板进行层压或卷绕而成的,
所述电极层压体或电极卷绕体包含所述负极作为至少一个最外层,并且作为所述最外层的所述负极具有不与所述正极对置的负极活性物质层Aw面,并且
将所述Aw面中包含的单位面积的锂离子量设为Aw1、将所述Aw面的背面的负极活性物质层设为Az面、并且将所述Az面中包含的单位面积的锂离子量设为Az1时,Aw1/Az1为0.01以上0.45以下,其中该Aw1和Az1的单位为mol/m2。
10.如权利要求9所述的非水系锂蓄电元件,其中,将与所述Az面对置的正极活性物质层设为Cz面时,所述Cz面中包含的单位面积的所述活性物质量Cz1为10以上50以下,所述Cz面中包含的单位面积的所述锂化合物量Cz2为0.1以上18.0以下,并且Cz2/Cz1为0.03以上0.5以下,其中该Cz1和Cz2的单位为g/m2。
11.如权利要求9或10所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述Aw面中包含的单位面积的负极活性物质量Aw2与所述Az面中包含的单位面积的负极活性物质量Az2之比Aw2/Az2为0.85以上1.15以下,其中该Aw2和Az2的单位为g/m2。
12.如权利要求10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Cz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Sz%时,Sz为1以上40以下。
13.如权利要求10所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述Cz面包含选自由下式(1)~(3)所表示的化合物组成的组中的至少一种,并且
将所述Cz面的每单位质量的由所述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Cz3时,Cz3为1.60×10-4以上300×10-4以下,其中该Cz3的单位为mol/g,
LiX1-OR1O-X2Li 式(1)
式(1)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,-(COO)n中的n为0或1,
LiX1-OR1O-X2R2 式(2)
式(2)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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,-(COO)n中的n为0或1,
R2X1-OR1O-X2R3 式(3)
式(3)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、或者芳基,并且X1和X2各自独立地为-(COO)n,-(COO)n中的n为0或1。
14.如权利要求13所述的非水系锂蓄电元件,其中,将所述负极活性物质层Az面的每单位质量的由所述式(1)~(3)表示的化合物的含量设为Az3时,Cz3/Az3为0.2以上20以下,其中该Az3的单位为mol/g。
15.如权利要求1~14中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述锂离子相对于所述负极活性物质的掺杂量在每单位质量的该负极活性物质中为530mAh/g以上2,500mAh/g以下。
16.如权利要求15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。
17.如权利要求1~14中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述锂离子相对于所述负极活性物质的掺杂量在每单位质量的该负极活性物质中为50mAh/g以上700mAh/g以下。
18.如权利要求17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。
19.如权利要求1~14、17和18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。
20.如权利要求1~19中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
所述正极活性物质层中的正极活性物质包含活性炭,并且
所述负极活性物质包含与锂形成合金的合金系负极材料。
21.如权利要求20所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述合金系负极材料为选自由硅、硅化合物、锡、锡化合物以及它们与碳或碳质材料的复合材料组成的组中的至少一种。
22.如权利要求20或21所述的非水系锂蓄电元件,其中,以所述正极活性物质层的全部质量为基准,所述正极中的所述锂化合物的含有比例为1质量%以上50质量%以下。
23.如权利要求20~22中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述锂化合物的平均粒径为0.1μm以上10μm以下。
24.如权利要求20~23中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,所述负极活性物质层的厚度在每个单面为1μm以上30μm以下。
25.如权利要求20~24中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,
将所述非水系锂蓄电元件的电能设为Wh、将所述蓄电元件的体积设为Vi时,Wh/Vi为15以上50以下,其中Wh的单位为Wh、Vi的单位为L,
对于所述非水系锂蓄电元件,以环境温度25℃、电池电压2.2V至3.8V、300C的倍率进行60,000次充放电循环,将所述充放电循环后的内部电阻设为Rb、将所述充放电循环前的内部电阻设为Ra时,Rb/Ra为0.9以上2.0以下,其中该Rb和Ra的单位为Ω。
26.如权利要求20~25中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,对于所述活性炭,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以及0.5≤V2≤1.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且通过BET法测定出的比表面积显示为1,500m2/g以上3,000m2/g以下。
27.如权利要求20~25中任一项所述的非水系锂蓄电元件,其中,对于所述活性炭,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以及0.8<V2≤3.0,其中V1和V2的单位为cc/g,并且通过BET法测定出的比表面积显示为2,300m2/g以上4,000m2/g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。
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。
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。
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。
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。
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。
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