CN116490469A - 非水电解质二次电池用正极活性物质及非水电解质二次电池 - Google Patents

非水电解质二次电池用正极活性物质及非水电解质二次电池 Download PDF

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Abstract

实施方式的一例的非水电解质二次电池用正极活性物质包含:第1锂过渡金属复合氧化物,其以通式LixNi1‑y‑zCoyMzO2(式中,0.8≤x≤1.2、0≤y≤0.2、0<z≤0.5,M为除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素)所示;及第2锂过渡金属复合氧化物,其具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少1个衍射峰。

Description

非水电解质二次电池用正极活性物质及非水电解质二次电池
技术领域
本发明涉及一种非水电解质二次电池用正极活性物质、及使用该正极活性物质的非水电解质二次电池。
背景技术
非水电解质二次电池具备正极、负极、夹设在正极及负极之间的分隔件和非水电解质,具有将这些组件收纳于外装体的结构。作为非水电解质二次电池的主要构成要素的正极的构成,对包括充放电循环特性在内的电池特性影响很大,因此对于正极已有很多研究。例如,在专利文献1、2中,公开了一种以提高充放电循环特性等性能为目的的正极活性物质。
专利文献1中公开的正极活性物质为通式LixNi1-y-z-v-wCoyAlzM1vM2wO2所示的复合氧化物,式中的元素M1为选自Mn、Ti、Y、Nb、Mo及W中的至少1种。元素M2为选自Mg、Ca、Sr、Ba及Ra中的至少2种,并且元素M2至少包含Mg与Ca。
此外,专利文献2公开的正极活性物质为[L]3a[M]3b[O2]6c(L=Li、M=Ni、Mn、及Co、或Li、Ni、Mn、及Co)所示的复合氧化物,相对于Mn、Ni、及Co的合计摩尔量,含有0.1~5mol%的选自Mo、W、Nb、Ta及Re中的1种以上元素。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第4781004号
专利文献2:日本专利第5359140号
发明内容
发明要解决的问题
然而,伴随非水电解质二次电池的车载用途、蓄电用途等的普及,对非水电解质二次电池要求进一步的高性能化、特别是充放电循环特性的改善。包括专利文献1、2的技术在内的现有技术,对于提高循环特性仍有改良的余地。
用于解决问题的方案
本发明的非水电解质二次电池用正极活性物质的特征在于,包含:第1锂过渡金属复合氧化物,其以通式LixNi1-y-zCoyMzO2(式中,0.8≤x≤1.2、0≤y≤0.2、0<z≤0.5,M为除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素)所示;第2锂过渡金属复合氧化物,其具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少1个衍射峰。
本发明的非水电解质二次电池具备含有上述正极活性物质的正极、负极、及非水电解质。
发明的效果
根据本发明的正极活性物质,可以使非水电解质二次电池的充放电循环特性得到改善。
附图说明
图1为实施方式的一例的非水电解质二次电池的截面图。
图2为将实施方式的一例的电极体截面的一部分扩大表示的图。
具体实施方式
如上所述,改善充放电循环特性是非水电解质二次电池中重要的课题。特别是,谋求兼顾电池的高容量化与良好的循环特性。本发明人们针对循环特性的改善深入研究,结果发现通过使用包含通式LixNi1-y-zCoyMzO2所示的第1锂过渡金属复合氧化物、与具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少1个衍射峰的第2锂过渡金属复合氧化物的正极,电池的循环特性特异性地改善。对于X射线衍射图的峰顶位置不在21.40°~21.65°范围内的复合氧化物,如后述的实施例示出的那样,对循环特性的改善没有贡献。
组合使用第1锂过渡金属复合氧化物、第2锂过渡金属复合氧化物从而改善循环特性的机理并不明确,但可以认为第2锂过渡金属复合氧化物保护了第1锂过渡金属复合氧化物的表面,从而抑制了劣化,结果大幅改善了循环特性。此外,第1锂过渡金属复合氧化物以Ni作为必须构成成分,通过提高Ni含量,容易兼顾高容量化与良好的循环特性。第2锂过渡金属复合氧化物的添加而产生的效果在使用Ni含量多的第1锂过渡金属复合氧化物时更为有效。
进而,优选谋求选自如下的至少一种手段:在正极合剂层中添加碳纳米管、在分隔件的与正极接触的面上设置含无机颗粒的层、及在非水电解质中添加磺酰亚胺盐。在该情况下,循环特性更有效地得到改善。
以下,边参照附图,边对本发明的正极活性物质、及使用该正极活性物质的非水电解质二次电池的实施方式的一例进行详细说明。需要说明的是,将以下说明的多个实施方式及变形例有选择性地组合也包含于本发明中。
以下中,例示将卷绕型的电极体14收纳于有底圆筒形状的外装罐16的圆筒形电池,但电池的外装体并不限于圆筒形的外装罐,例如可以为方形的外装罐(方形电池)、可以为硬币形的外装罐(硬币形电池),也可以为含金属层及树脂层的层压片构成的外装体(叠层电池)。此外,电极体也可以为多个正极与多个负极隔着分隔件交替层叠而成的层叠型的电极体。
图1为示意性表示作为实施方式的一例的非水电解质二次电池10的截面的图。如图1所示,非水电解质二次电池10具备卷绕型的电极体14、非水电解质、收纳电极体14及非水电解质的外装罐16。电极体14具有正极11、负极12、及分隔件13,具有将正极11与负极12隔着分隔件13卷绕成漩涡状的卷绕结构。外装罐16为在轴向一侧开口的有底圆筒形状的金属制容器,通过封口体17堵塞外装罐16的开口。以下为便于说明,以电池的封口体17侧为上,外装罐16的底部侧为下。
构成电极体14的正极11、负极12及分隔件13均为带状的长条体,通过卷绕为漩涡状而在电极体14的径向交替层叠。为了防止锂的析出,负极12以比正极11大一圈的尺寸形成。即,负极12以比正极11的长边方向及宽度方向(短边方向)长地形成。分隔件13形成为至少比正极11大一圈的尺寸,以夹住正极11的方式配置。电极体14具有通过焊接等连接于正极11的正极引线20、与通过焊接等连接于负极12的负极引线21。
在电极体14的上下分别配置绝缘板18、19。在图1所示的例子中,正极引线20通过绝缘板18的贯通孔而延伸至封口体17侧,负极引线21通过绝缘板19的外侧而延伸至外装罐16的底部侧。正极引线20通过焊接等连接于封口体17的内部端子板23的下表面,与内部端子板23电连接的封口体17的顶板即盖体27成为正极端子。负极引线21通过焊接等连接于外装罐16的底部内表面,外装罐16成为负极端子。
如上所述,外装罐16为在轴向一侧开口的有底圆筒形状的金属制容器。外装罐16与封口体17之间设有垫片28,确保电池内部的密闭性及外装罐16与封口体17的绝缘性。在外装罐16上形成有侧面部的一部分向内侧凸出的、支撑封口体17的沟槽部22。沟槽部22优选以沿着外装罐16的周向形成为环状,以其上表面支撑封口体17。通过沟槽部22和相对于封口体17铆接的外装罐16的开口端部,封口体17固定于外装罐16的上部。
封口体17具有从电极体14侧依次层叠内部端子板23、下阀体24、绝缘构件25、上阀体26、及盖体27而成的结构。构成封口体17的各构件具有例如圆板形状或环形状,除绝缘构件25以外的各构件相互电连接。下阀体24与上阀体26通过各自的中央部连接,在各自的周缘部之间夹设有绝缘构件25。电池发生异常而内压上升时,下阀体24以将上阀体26向盖体27侧挤压的方式变形并破裂,从而切断下阀体24与上阀体26之间的电流通路。内压进一步上升时,上阀体26破裂,从盖体27的开口部排出气体。
以下,边适宜参照图2边详细说明构成非水电解质二次电池10的正极11、负极12、分隔件13、及非水电解质。图2为将电极体14截面的一部分扩大表示的示意图。
<正极>
如图2所示,正极11具有正极芯体30及在正极芯体30的至少一个面上形成的正极合剂层31。正极芯体30可以使用铝、铝合金等在正极11的电位范围内稳定的金属的箔、将该金属配置于表层而成的薄膜等。正极合剂层31包含正极活性物质、导电剂及粘结剂,形成于正极芯体30的两面是优选的。正极活性物质使用锂过渡金属复合氧化物。正极11可以如下制造:在正极芯体30上涂布包含正极活性物质、导电剂、及粘结剂等的正极合剂浆料,使涂膜干燥后压缩,将正极合剂层31形成于正极芯体30的两面,从而制造。
作为正极合剂层31中包含的粘结剂,可以例示出聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)等氟树脂、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺、丙烯酸类树脂、聚烯烃等。此外,可以将这些树脂、与羧甲基纤维素(CMC)或其盐等纤维素衍生物、聚环氧乙烷(PEO)等组合使用。相对于正极合剂层31的总质量,粘结剂的含量例如为0.1~5质量%,或者为0.5~3质量%。
正极合剂层31中至少包含2种锂过渡金属复合氧化物。第1锂过渡金属复合氧化物(以下称为“复合氧化物(A)”)为通式LixNi1-y-zCoyMzO2(式中,0.8≤x≤1.2、0≤y≤0.2、0<z≤0.5,M为除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素)所示的复合氧化物。第2锂过渡金属复合氧化物(以下称为“复合氧化物(B)”)为具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少1个衍射峰的复合氧化物。
正极合剂层31中,通过共存复合氧化物(A,B),充放电循环特性特异地改善。认为复合氧化物(B)保护复合氧化物(A)的颗粒表面,有效地抑制颗粒表面的劣化,其结果,大幅改善循环特性。特别地,认为复合氧化物(A,B)的颗粒彼此相互接触、或隔着碳纳米管(CNT)等导电剂接触时,该保护效果更有效地发挥作用。此外,可以对复合氧化物(B)施加强剪切力、压缩力并与复合氧化物(A)混合,于复合氧化物(A)的表面上进行固定化处理。
通过少量添加复合氧化物(B)便发挥上述效果,但为了谋求维持高电池容量,且改善循环特性,复合氧化物(B)的添加量存在优选范围。相对于正极合剂层31的总质量,复合氧化物(B)的含量优选为0.05~10质量%,更优选为0.1~7质量%,或者为0.1~5质量%。同样地,相对于正极活性物质的总质量,优选为0.05~10质量%,更优选为0.1~7质量%、或者为0.1~5质量%。复合氧化物(B)的量在该范围内时,可以有效地提高循环特性。
在不损害本发明目的的范围内,正极合剂层31中可以含有复合氧化物(A,B)以外的复合氧化物(例如,不满足上述通式的锂过渡金属复合氧化物)。相对于正极合剂层31的总质量,优选含有复合氧化物(A,B)50质量%以上的量。相对于正极合剂层31的总质量,复合氧化物(A,B)的合计含量例如为85质量%以上,或为90质量%以上,或为95质量%以上。适宜的含量的一个例子为90~99质量%,或为95~99质量%。
[第1锂过渡金属复合氧化物(复合氧化物(A))]
复合氧化物(A)为上述通式表示的复合氧化物,作为必须构成元素含有除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素M。此外,复合氧化物(A)优选含有Co。但是,Co特别稀少且高价,因此复合氧化物(A)可以实质上不含有Co。复合氧化物(A)含有Co时,相对于除Li以外的金属元素的总摩尔量,Co的含量为20mol%以下,更优选为0.1~10mol%,或为0.5~5mol%。需要说明的是,复合氧化物中的金属元素的摩尔分数可以通过电感耦合等离子体(ICP)发光分光分析测定。
对于复合氧化物(A),在除Li以外的金属元素中,优选Ni的含量为最多。相对于除Li以外的金属元素的总摩尔量,Ni的含量优选为50mol%以上,更优选为70mol%以上,特别优选为80mol%以上。Ni含量的合适的例子为80~97mol%,或为85~95mol%。即,在上述通式中表示Ni含量的(1-y-z)的适宜的例子为0.80≤(1-y-z)≤0.97,或0.85≤(1-y-z)≤0.95。
如上所述,复合氧化物(A)的适宜的一例为相对于除Li以外的金属元素的总摩尔量含有80mol%以上的Ni的复合氧化物。通过提高复合氧化物(A)中的金属元素中Ni占据的比例,能谋求电池的高容量化。此外,富有Ni的复合氧化物(A)与复合氧化物(B)的相容性良好,从改善循环特性的角度是有效的。上述通式中表示Li含量的x为0.8≤x≤1.2,或为0.97≤x≤1.2,复合氧化物(A)可以为Li相对于过渡金属的摩尔比超过1的锂过量型的复合氧化物。
复合氧化物(A)含有除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素M。金属元素M例如为选自Mn、W、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Al、Zr、B、Fe、Cu、Zn、Sn、Na、K、Ba、Sr及Ca中的至少1种,更优选选自Mn、W、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Sr、Ca及Al中的至少1种。其中,优选含有Mn及Al中的至少一者。对于金属元素M的含量,在有多种元素时为合计,相对于除Li以外的金属元素的总摩尔量为50mol%以下,更优选为0.1~20mol%,或为0.5~10mol%,或为1~5mol%。
复合氧化物(A)例如具有归属于空间群R3-m的晶体结构。并且,复合氧化物(A)具有包含过渡金属层、Li层、及氧层的层状结构。在该情况下,复合氧化物(B)的保护效果更有效地发挥作用,即使反复充放电也能维持稳定的晶体结构,可更有效地改善循环特性。此外,复合氧化物(A)的BET比表面积例如为0.2~2.0m2/g。BET比表面积按照JIS R1626记载的BET法(氮气吸附法)测定。
复合氧化物(A)例如为多个一次颗粒聚集而成的二次颗粒。复合氧化物(A)的体积基准的中值粒径(D50)的一例为3~20μm,或者为5~15μm。D50是指体积基准的粒度分布中频率从粒径小起累积至50%的粒径,也称为中位径。复合氧化物的二次颗粒的粒度分布可以通过使用激光衍射式的粒度分布测定装置(例如MicrotracBEL公司制MT3000II)、以水为分散介质而测定。复合氧化物(A)的一次颗粒的粒径例如为0.05μm~1μm。对于一次颗粒的粒径,在通过扫描电子显微镜(SEM)观察的二次颗粒的截面画像中作为外接圆的直径而测定。
此外,在复合氧化物(A)的颗粒表面可以固着含有选自Sr、Ca、W、Mg、Nb及Al中的至少1种(以下称为“金属元素M2”)的化合物。含有金属元素M2的M2化合物可以在复合氧化物(A)的颗粒表面点状存在,也可以以包覆颗粒表面的整体的方式层状存在。M2化合物的层的厚度例如为0.1~5nm。认为M2化合物保护复合氧化物(A)的表面,或也保护复合氧化物(B)的表面,由此抑制复合氧化物(A,B)颗粒表面上的电解质的副反应。
M2化合物为氧化物、氢氧化物、或碳酸盐。作为M2化合物具体例,可以举出SrO、CaO、Sr(OH)2、Ca(OH)2、SrCO3、CaCO3等。相对于构成复合氧化物(A)的除Li以外的金属元素的总摩尔数,M2化合物的量例如以金属元素M2换算计为0.05~0.5mol%。M2化合物的存在可以通过能量色散X射线分光法(TEM-EDX)确认。此外,金属元素M2可通过将复合氧化物(A)溶解于氟硝酸而得的溶液使用ICP发光分光分析而测定。
复合氧化物(A)例如经由以下工序制造:第1工序,其得到含Ni、金属元素M等的复合氧化物;第2工序,其将该复合氧化物与Li原料混合而得到混合物;第3工序,其将该混合物烧成。复合氧化物(A)的颗粒表面固着M2化合物的情况下,可以在第2工序中添加含金属元素M2的原料(以下称为“M2原料”)。可以通过控制原料的混合比率、第3工序中的烧成条件等而调整复合氧化物(A)及M2化合物的组成、粒径、BET比表面积等。
第1工序中,例如一边搅拌含有Ni、金属元素M等金属元素的金属盐的溶液,一边滴加氢氧化钠等碱溶液,将pH向碱性侧(例如8.5~12.5)调整,由此使含金属元素的复合氢氧化物析出(共沉淀)。之后,通过烧成该复合氢氧化物,得到含Ni、金属元素M等的复合氧化物。烧成温度没有特别限制,但作为一例,为300~600℃。
第2工序中,将在第1工序中得到的复合氧化物、Li原料、及根据需要的M2原料混合而得到混合物。作为Li原料的一例,可以举出Li2CO3、LiOH、Li2O2、Li2O、LiNO3、LiNO2、Li2SO4、LiOH·H2O、LiH、LiF等。作为M2原料的一例,可以举出M2的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐等。对于第1工序中得到的复合氧化物与Li原料的混合比例,例如以除Li以外的金属元素:Li的摩尔比为1:0.98~1:1.22的方式调整。此外,复合氧化物与M2原料的混合比例例如以除Li以外的金属元素:M2的摩尔比为1:
0.0005~1:0.005的方式调整。
第3工序中,以规定的温度及时间烧成通过第2工序得到的混合物,得到烧成物。混合物的烧成例如通过包括如下工序的多阶段烧成而进行:第1烧成工序,在烧成炉内,氧气气流下以第1升温速度进行烧成至450℃以上且680℃以下的第1设定温度;第2烧成工序,在第1烧成工序后,在烧成炉内,氧气气流下以第2升温速度进行烧成至超过680℃且800℃以下的第2设定温度。第1升温速度为1.5~5.5℃/min,第2升温速度比第1升温速度缓慢,可以为0.1~3.5℃/min。需要说明的是,升温速度可以在各烧成工序中设定多个。
第1烧成工序中的第1设定温度的保持时间例如为0~5小时,或为0~3小时。需要说明的是,设定温度的保持时间是指在达到设定温度后,维持设定温度的时间。第2烧成工序中的第2设定温度的保持时间例如为1~10小时,或为1~5小时。混合物的烧成在氧气浓度60%以上的氧气气流中进行,对于氧气气流的流量,可以设为烧成炉每10cm3为0.2~4mL/min、及混合物每1kg为0.3L/min以上。对于烧成物,可以进行水洗、脱水、干燥而除去杂质。
需要说明的是,可以在第2工序中不添加M2原料,而在第3工序烧成物水洗时、或者干燥时添加M2原料,例如在真空气氛中,以150~400℃进行0.5~15小时的热处理,从而在复合氧化物(A)的颗粒表面固着M2化合物。
[第2锂过渡金属复合氧化物(复合氧化物(B))]
如上所述,复合氧化物(B)为具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少一个衍射峰的复合氧化物。该衍射峰在2θ=21.40°~21.65°的范围内存在峰顶即可,也可以为峰的全体不存在于该范围的宽峰。复合氧化物(B)的X射线衍射图中,例如在2θ=21.40°~21.65°的范围内存在一个峰顶。将这样的复合氧化物(B)与复合氧化物(A)组合使用时,相比使用2θ=21.40°~21.65°的范围内不存在峰顶的复合氧化物的情况,电池的循环特性特异地改善。
对于复合氧化物(B)的X射线衍射图,使用同步辐射设施(爱知同步辐射中心的光路BL5S2)、通过以下条件进行的粉末X射线衍射法得到。
光能量:16keV
扫描范围:10~90°
解析光学系统:德拜-谢乐型
将得到的数据使用鉴定解析软件PDXL(理学公司制)进行峰的寻找、复合氧化物(B)的鉴定。
复合氧化物(B)例如为通式LiaNi2-aO2(式中、0<a≤0.5)所示的复合氧化物。需要说明的是,通式所示的复合氧化物不因充电发生Li的释放、吸储,其组成不发生变化。对于通式中的a,更优选为0.1≤a≤0.5、或为0.2≤a≤0.4。a若在该范围内,则循环特性更有效地改善。复合氧化物(B)若为X射线衍射图满足上述条件的复合氧化物,则例如也可以为组成类似的多种复合氧化物的混合物。
通过上述装置的测定中,NiO在21.36°处具有峰,随着上述通式中a的增加,峰向高角度侧偏移。上述通式中的a若在上述范围内,则在21.40°~21.65°处存在主峰。通过包含其他峰在内与JCPDS卡对照,从而可以鉴定复合氧化物(B)。
复合氧化物(B)例如可以为通式LiaNi2-a-bMebO2(式中,0<a≤0.5、0≤b≤0.5;Me为除Li、Ni以外的至少1种金属元素)所示的复合氧化物。金属元素Me的含量优选少于Li、Ni的含量,例如相对于金属元素的总摩尔量为不足10mol%,或为不足5mol%。作为金属元素Me的一例,可以举出选自Cu、Sr、Ca、Nb、Si及Al中的至少1种。需要说明的是,复合氧化物(B)的组成可以通过X射线衍射图鉴定,或通过使用ICP发光分光分析解析。
复合氧化物(B)例如为比复合氧化物(A)粒径更小的颗粒,为多个一次颗粒聚集而成的二次颗粒。复合氧化物(B)的D50的一例为1~15μm、或为1~10μm、或为2~7μm。复合氧化物(B)的D50可以为复合氧化物(A)的D50的1/2以下,优选为复合氧化物(A)的D50的1/5~1/2,或为其1/3~1/2。通过使复合氧化物(B)的粒径小于复合氧化物(A)的粒径,能得到各颗粒的良好的接触状态,提高循环特性的改善效果。此外,复合氧化物(B)的BET比表面积例如为0.5~2.5m2/g。
对于复合氧化物(B),在正极合剂层31中,例如以被多个复合氧化物(A)包围的状态存在。并且,复合氧化物(A,B)的颗粒表面彼此相互接触。在该情况下,认为更有效地表现复合氧化物(A,B)的相互作用,提高循环特性的改善效果。需要说明的是,复合氧化物(B)不限定于有意添加的物质,可以作为复合氧化物(A)的副产物、或者其他正极材料的杂质而混入。
复合氧化物(B)例如经由以下工序制造:第1工序,将规定量的Li原料及Ni原料混合而得到混合物;第2工序,将该混合物于500~800℃下烧成10~30小时。第1工序中,可以根据需要将原料粉碎,也可以在复合氧化物(B)的X射线衍射图满足上述条件的范围内添加含有金属元素Me的原料。此外,第2工序中,可以将混合物以粒料状成形后进行烧成,也可以在烧成后进行破碎处理。第2工序的烧成例如在大气中或者氧气气氛下进行。
作为Li原料的一例,可以举出Li2CO3、LiOH、Li2O2、Li2O、LiNO3、LiNO2、Li2SO4、LiOH·H2O、LiH、LiF等。作为Ni原料的一例,可以举出NiO、Ni(OH)2、NiCO3、NiSO4、Ni(NO3)2等。对于Li原料与Ni原料的混合比,例如以复合氧化物(B)的X射线衍射图满足上述条件的方式,并以上述通式中的a满足0<a≤0.5的条件的方式调整。
[导电剂]
如上所述,正极合剂层31中含有导电剂。导电剂在正极合剂层31中形成良好的导电通路,有助于正极合剂层31的低电阻化。正极合剂层31中,作为导电剂可以含有碳纳米管(CNT)。此外,正极合剂层31中可以含有炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨等颗粒状导电剂、气相成长碳纤维(VGCF)、电纺丝法碳纤维、聚丙烯腈(PAN)系碳纤维、沥青系碳纤维、石墨烯等CNT以外的导电剂。
认为CNT在正极合剂层31中形成良好的导电通路,且将复合氧化物(A,B)的颗粒彼此连接,提高复合氧化物(B)产生的表面保护效果,通过将复合氧化物(B)与CNT共存,特异性地改善电池的循环特性。相对于正极合剂层31的总质量,CNT的含量例如为0.01~5质量%,更优选为0.04~2质量%,或为0.06~0.8质量%。CNT的含量在该范围内时,能有效地改善循环特性。正极合剂层31中,作为导电剂可以仅含有CNT。
CNT可以为单层CNT(SWCNT)、多层CNT(MWCNT)的任意者。此外,作为MWCNT,例如可以使用碳六元环形成的石墨烯片相对于纤维轴平行卷曲的管膜结构的CNT、碳六元环形成的石墨烯片相对于纤维轴垂直地排列的薄片结构的CNT、碳六元环形成的石墨烯片相对于纤维轴具有倾斜的角度而卷曲的人字纹结构的CNT等。正极合剂层31中可以添加2种以上的CNT。
CNT的平均直径例如为50nm以下,优选为40nm以下,更优选为25nm以下,或为20nm以下。CNT的平均直径的下限值并没有特别限定,作为一例为1nm、或为5nm。CNT的平均直径的适宜的范围的一例为1~20nm、或为5~20nm。CNT的平均直径在该范围内时,与使用平均直径在该范围外的CNT相比,循环特性的改善效果得到提高。
CNT的平均纤维长例如为0.5μm以上,优选为0.7μm以上,更优选为0.8μm以上,或为1μm以上。CNT的平均纤维长的上限值没有特别限定,但作为一例为10μm、或为5μm。CNT的平均纤维长的适宜的范围的一例为1~10μm、或为1~5μm。CNT的平均纤维长在该范围内时,与使用平均纤维长在该范围外的CNT相比,循环特性的改善效果提高。
CNT的平均纤维长例如短于与复合氧化物(B)D50相当的长度。需要说明的是,CNT的平均直径由正极合剂层31的表面TEM图像,平均纤维长由正极合剂层31的截面SEM图像,分别选择100个CNT并测量直径及纤维长,将该测量值平均化而求出。
<负极>
如图2所示,负极12具有负极芯体40、于负极芯体40的至少一个面上形成的负极合剂层41。负极芯体40可以使用铜、铜合金等在负极的电位范围内稳定的金属的箔、将该金属配置于表层的薄膜等。负极合剂层41含有负极活性物质及粘结剂,在负极芯体40的两面上形成是优选的。此外,负极合剂层41中可以添加CNT等导电剂。负极12可以如下制造:在负极芯体40上涂布包含负极活性物质及粘结剂等的负极合剂浆料,使涂膜干燥后压缩,将负极合剂层41形成于负极芯体40的两面,从而制造。
负极合剂层41中,作为负极活性物质包含:碳系活性物质、且包含选自Si、Sn、Sb、Mg、及Ge中的至少1种(以下称为“金属元素M3”)及含有金属元素M3的M3化合物中的至少一者。相对于负极活性物质的总质量,金属元素M3及M3化合物的含量例如为0.5~30质量%,优选为1~15质量%。
负极合剂层41中可以添加金属元素M3,但优选添加M3化合物。作为M3化合物的一例,可以举出SiC、SnO2、含有氧化硅相及分散于该氧化硅相中的Si的第1硅材料(SiO)、含有硅酸锂相及分散于该硅酸锂相中的Si的第2硅材料(LSX)、含有碳相与分散于碳相的Si的第3硅材料(Si-C)等。其中,优选SiO、或者LSX。
碳系活性物质例如可以使用鳞片状石墨等天然石墨、块状人造石墨、石墨化中间相碳微球等人造石墨等。相对于负极活性物质的质量,碳系活性物质(石墨)的含量例如为70~99.5质量%、或为85~99质量%。此外,碳系活性物质的D50的一例为1~20μm、或为2~15μm。通过将碳系活性物质与M3化合物组合使用,在维持良好的循环特性的同时,可以谋求高容量化。
SiO及LSX例如为D50小于石墨的D50的颗粒。SiO及LSX的D50的一例为1μm~15μm、或为3μm~10μm。SiO及LSX的颗粒表面可以形成由导电性高的材料构成的导电层。适宜的导电层的一例为由碳材料构成的碳覆膜。考虑到导电性的确保与锂离子向颗粒内部的扩散性,导电层的厚度优选为1~200nm、或为5~100nm。
SiO具有细微的Si颗粒分散于氧化硅相中的颗粒结构。适宜的SiO具有细微的Si颗粒大致均匀地分散于非晶质氧化硅的基质中的海岛结构,以通式SiOx(0<x≤2)表示。氧化硅相由比Si颗粒更细微的颗粒的集合构成。出于兼顾电池容量与循环特性的观点,相对于SiO的总质量,Si颗粒的含有率优选为35~75质量%。
于氧化硅相中分散的Si颗粒的平均粒径例如在充放电前为500nm以下,优选为200nm以下、或为50nm以下。充放电后,例如为400nm以下、或为100nm以下。对于Si颗粒的平均粒径,使用SEM或透射型电子显微镜(TEM)观察SiO的颗粒截面,作为100个Si颗粒的最长径的平均值求出。
LSX具有细微的Si颗粒分散于硅酸锂相中的颗粒结构。适宜的LSX具有细微的Si颗粒大致均一地分散于硅酸锂的基质中的海岛结构。硅酸锂相由比Si颗粒更细微的颗粒的集合组成。与SiO的情况同样地,相对于LSX的总质量,Si颗粒的含有率优选为35~75质量%。此外,Si颗粒的平均粒径例如在充放电前为500nm以下、优选为200nm以下、或为50nm以下。
硅酸锂相优选由通式Li2zSiO(2+z)(0<z<2)所示的化合物构成。即,硅酸锂相中不含有Li4SiO4(Z=2)。Li4SiO4为不稳定的化合物,与水反应显示碱性,因此有时会导致Si变质而招致充放电容量的降低。出于稳定性、制作容易性、锂离子导电性等观点,硅酸锂相优选以Li2SiO3(Z=1)或Li2Si2O5(Z=1/2)为主成分。以Li2SiO3或Li2Si2O5为主成分时,相对于硅酸锂相的总质量,该主成分的含量优选超过50质量%,更优选为80质量%以上。
Si-C具有碳相和分散于碳相内的硅颗粒。从高容量化等角度,适宜的Si-C的硅颗粒的含量优选为30质量%以上且80质量%以下,优选为35质量%以上且75质量%以下,更优选为55质量%以上且70质量%以下。适宜的硅颗粒的平均粒径一般在充放电前为500nm以下,优选为200nm以下,更优选为100nm以下。充放电后,优选为400nm以下,更优选为100nm以下。硅颗粒的平均粒径通过使用SEM或TEM观察Si-C的颗粒截面而测定,具体而言可作为100个硅颗粒的最长径的平均值求出。
对于负极合剂层41中包含的粘结剂可以与正极11的情况同样地,使用氟树脂、PAN、聚酰亚胺、丙烯酸类树脂、聚烯烃等,但特别地优选使用苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)。此外,负极合剂层41进一步优选包含CMC或其盐、聚丙烯酸(PAA)或其盐、聚乙烯醇(PVA)等。其中适宜将SBR与CMC或其盐、PAA或其盐组合使用。相对于负极活性物质的质量,粘结剂的含量例如为0.1~5质量%。
<分隔件>
如图2所示,分隔件13具有多孔质的基材50、在基材50的表面中朝向正极11侧的表面上形成的表层51。表层51为含有无机颗粒及粘结剂的层。表层51可以形成于基材50的两面,但出于高容量化等观点,优选仅形成于朝向正极11侧的基材50的单面。分隔件13为介于正极11与负极12之间的防止两极电接触的多孔质片,具有离子透过性及绝缘性。分隔件13的空隙率例如为30%~70%。需要说明的是,分隔件13的空隙率由基材50的空隙率决定。
基材50为树脂制的多孔质片。基材50的厚度例如为5~50μm,更优选为10~30μm。构成基材50的树脂没有特别限定,但作为具体例,可以举出聚乙烯、聚丙烯、乙烯与α烯烃的共聚物等聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、氟树脂、纤维素等。基材50可以为单层结构,也可以具有聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的3层结构等层叠结构。
表层51与基材50同样地为多孔质,具有离子透过性及绝缘性。表层51的厚度没有特别限定,但优选薄于基材50的厚度,例如为0.5~10μm,优选为1~6μm。表层51与正极合剂层31的表面相接,形成于基材50单面的约全部区域是优选的。表层51例如可以通过将含有无机颗粒及粘结剂的浆料涂布于基材50的整个表面后,使涂膜干燥而形成。
表层51为以无机颗粒作为主成分的层。相对于表层51的总质量,无机颗粒的含量例如为70质量%以上,优选为80质量%以上。无机颗粒含量的适宜的范围为70~99质量%、或为80~98质量%、或为85~95质量%。表层51具有抑制导电性异物导致的分隔件13的损伤、异常发热时分隔件13的变形等的功能。进而,认为与正极11相接的表层51抑制由与复合氧化物(B)的相互作用导致的正极11上电解质的副反应,通过设置表层51,特异性地提高电池的循环特性及保存特性。
作为表层51中包含的无机颗粒,可以举出金属氧化物、金属氮化物、金属氟化物、金属碳化物、氢氧化铝(勃姆石)、氢氧化镁等金属氢氧化物、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡等金属碳酸盐、硫酸钙、硫酸镁、硫酸钡等金属硫酸盐等颗粒。无机颗粒可以单独使用1种,也可以组合2种以上使用。无机颗粒的D50例如为0.01~10μm、优选为0.05~5μm。
金属氧化物的一例为氧化铝(矾土)、氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化镍、氧化硅、氧化锰等。金属氮化物的一例为氮化钛、氮化硼、氮化铝、氮化镁、氮化硅等。金属氟化物的一例为氟化铝、氟化锂、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化钡等。金属碳化物的一例为碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨等。出于循环特性及保存特性的改善的观点,适宜的无机颗粒的一例为选自矾土、勃姆石及硫酸钡中的至少1种。
对于表层51中包含的粘结剂,只要是能将无机颗粒彼此固着,并且能将无机颗粒相对于基材50固着,并且具有耐电解液性的物质就没有特别限定,例如可以使用与在正极合剂层31及负极合剂层41中使用的粘结剂同种的物质。作为具体例,可以举出PVdF、PTFE等氟树脂、PAN、丙烯酸类树脂等。此外,也可以使用芳族酰胺树脂这样的耐热性高的树脂。作为适宜的粘结剂的一例,可以举出选自芳族酰胺树脂及丙烯酸类树脂中的至少1种。
[非水电解质]
非水电解质包含非水溶剂、于非水溶剂中溶解的电解质盐。非水溶剂例如可以使用酯类、醚类、乙腈等腈类、二甲基甲酰胺等酰胺类、及这些的2种以上的混合溶剂等。非水溶剂可以含有将这些溶剂的氢的至少一部分以氟等卤素原子取代的卤素取代体。作为卤素取代体,可以举出氟代碳酸亚乙酯(FEC)等氟化环状碳酸酯、氟化链状碳酸酯、氟代丙酸甲酯(FMP)等氟化链状羧酸酯等。需要说明的是,非水电解质不限定于液体电解质,也可以是固体电解质。
非水电解质中,作为电解质盐含有磺酰亚胺盐。在具备含有复合氧化物(A,B)的正极11的非水电解质二次电池10中,通过向非水电解质添加磺酰亚胺盐,认为在正极活性物质的颗粒表面形成良好的保护覆膜,抑制颗粒表面上电解质的副反应,特异性地提高循环特性。磺酰亚胺盐的浓度优选为0.05~2.5mol/L,更优选为0.1~2.0mol/L,或为0.1~1.5mol/L。磺酰亚胺盐的含量在该范围内时,能更有效地改善循环特性。
非水电解质中添加的磺酰亚胺盐优选为磺酰亚胺锂。磺酰亚胺锂例如可以举出双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、双(九氟丁磺酰)亚胺锂、双(五氟乙磺酰)亚胺锂(LIBETI)等。其中,优选选自LiFSI及双(三氟甲磺酰)亚胺锂中的至少1种磺酰亚胺锂。磺酰亚胺盐可以单独使用1种,也可以将2种以上组合使用。
非水电解质中,进而可以含有其他锂盐。作为其他锂盐的例子,可以举出LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(P(C2O4)F4)、LiPF6-x(CnF2n+1)x(1<x<6,n为1或2)、LiB10Cl10、LiCl、LiBr、LiI、氯硼烷锂、低级脂肪族羧酸锂、Li2B4O7、Li(B(C2O4)F2)等硼酸盐类等。其中,出于离子传导性、电化学稳定性等观点,优选使用LiPF6。
非水电解质中,优选共存有磺酰亚胺锂及第2锂盐。在该情况下,特别优选LiFSI与LiPF6的组合。在含有第2锂盐的情况下,磺酰亚胺锂的浓度例如也调整至上述范围内。作为具体例,将磺酰亚胺锂的浓度设为0.1~1.5mol/L,将锂盐的合计浓度设为1.5~2.5mol/L。磺酰亚胺锂的浓度例如为非水电解质中含有的锂盐浓度的30~70%。
此外,非水电解质中可以含有碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸亚乙酯(ES)、环己基苯(CHB)、邻三联苯(OTP)、丙磺酸内酯系化合物等添加剂。其中,出于高容量化等观点,优选添加VC。添加剂的浓度没有特别限制,作为一例为0.1~5质量%。
如上所述,非水溶剂可以使用酯类及醚类。作为酯类的例子,可以举出碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯等环状碳酸酯、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙基甲酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲基丙酯、碳酸乙基丙酯、碳酸甲基异丙酯等链状碳酸酯、γ-丁内酯(GBL)、γ-戊内酯(GVL)等环状羧酸酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)等链状羧酸酯等。
作为醚类的例子,可以举出1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环氧丙烷、1,2-环氧丁烷、1,3-二噁烷、1,4-二噁烷、1,3,5-三噁烷、呋喃、2-甲基呋喃、1,8-桉树脑、冠醚等环状醚、1,2-二甲氧基乙烷、二乙醚、二丙醚、二异丙基醚、二丁醚、二己醚、乙基乙烯基醚、丁基乙烯基醚、甲基苯基醚、乙基苯基醚、丁基苯基醚、戊基苯基醚、甲氧基甲苯、苄基乙基醚、二苯醚、二苄醚、邻二甲氧基苯、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二丁氧基乙烷、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丁醚、1,1-二甲氧基甲烷、1,1-二乙氧基乙烷、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚等链状醚等。
(变形例)
在复合氧化物(A)的颗粒表面,代替含金属元素M2的化合物,也可以固着含镧系元素的化合物等其他化合物。或者,在复合氧化物(A)的颗粒表面上也可以实质上不存在固着物。此外,在复合氧化物(A)的颗粒表面也可以固着有粒径小的复合氧化物(B)。
正极合剂层中可以不含有CNT,作为导电剂,可以含有炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨等。此外,负极合剂层中可以不含有金属元素M3及M3化合物,作为负极活性物质,可仅含有石墨等碳系活性物质。
分隔件可以为不具有以无机颗粒为主成分的表层的多孔质片。或者,在正极合剂层的表面也可以设有以无机颗粒为主成分的表层。此外,非水电解质中可以不包含磺酰亚胺盐,作为锂盐可以仅包含LiPF6
实施例
以下,通过实施例对本发明进行进一步说明,但本发明并不受到这些实施例的限定。
<实施例1>
[复合氧化物(A1)的合成]
将通过共沉淀法得到的[Ni0.91Co0.04Al0.05](OH)2所示的复合氢氧化物在500℃下烧成8小时,得到复合氧化物(Ni0.91Co0.04Al0.05O2)(第1工序)。接着,以Li与Ni、Co、及Al的总量的摩尔比为1.02:1的方式混合氢氧化锂(LiOH)及上述复合氧化物而得到混合物。将该混合物于氧气浓度95%的氧气气流下(每10cm3为2mL/min及混合物每1kg为5L/min的流量),以升温速度2℃/min从室温烧成至650℃后,以升温速度0.5℃/min从650℃烧成至720℃。将该烧成物水洗、除去杂质,得到复合氧化物(A1)。
通过ICP分析的结果,复合氧化物(A1)的组成为LiNi0.91Co0.04Al0.05O2。此外,通过X射线衍射法,第1锂过渡金属复合氧化物的晶体结构鉴定归属于空间群R-3m。使用MicrotracBEL公司制的MT3000II,以水为分散介质测定的复合氧化物(A1)的D50为10μm。
[复合氧化物(B1)的合成]
以Li与Ni的摩尔比成为0.3:1.7的方式称量Li2O、NiO,将它们粉碎并混合而制作混合物。接着,将该混合物于氧气气氛下以650℃进行20小时烧成,进一步进行破碎而得到复合氧化物(B1)。使用上述同步辐射设施进行复合氧化物(B1)的X射线衍射测定时,在得到的X射线衍射图的2θ=21.40°~21.65°范围内,确认到在21.48°处具有峰顶的1个峰。此外,对于复合氧化物(B1)的组成,通过与包含其他峰的JCPDS卡对照,确认为Li0.3Ni1.7O2。使用MicrotracBEL公司制、MT3000II,以水为分散介质测定的复合氧化物(B1)的D50为5μm。
[正极的制作]
将以99:1的质量比混合复合氧化物(A1,B1)而成者作为正极活性物质。将正极活性物质、乙炔黑(AB)、与聚偏二氟乙烯(PVdF)以92:5:3的固体成分质量比混合,适量加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)后,将其混炼而制备正极合剂浆料。将该正极合剂浆料涂布于铝箔制成的正极芯体,使涂膜干燥后,使用轧制辊将涂膜轧制,切割成规定的电极尺寸,得到在正极芯体的两面形成有正极合剂层的正极。需要说明的是,正极的一部分设有露出正极集电体的表面的露出部。
[非水电解质的制备]
相对于将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸乙基甲酯(EMC)以3:7的体积比(25℃、1气压)混合而成的混合溶剂,以1mol/L的浓度溶解LiPF6,制备非水电解质。
[试验电池单元的制作]
将石墨(负极活性物质)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)的分散剂、与羧甲基纤维素钠(CMC-Na)以98:1:1的固体成分质量比混合,使用水作为分散介质制备负极合剂浆料。接着,将该负极合剂浆料涂布于铜箔制成的负极芯体的两面,使涂膜干燥、压缩后,切割成规定的电极尺寸,制作在负极芯体的两面形成有负极合剂层的负极。在上述正极的露出部安装铝制引线,在负极规定的位置安装镍制引线,隔着聚烯烃制的分隔件使正极与负极相对而制作电极体。将该电极体收纳于外装体内,注入上述非水电解质后,封住外装体的开口部,得到试验电池单元。
<实施例2>
正极的制作中,将复合氧化物(A1,B1)以97:3的质量比混合,除此以外,与实施例1同样地制作试验电池单元。
<实施例3>
正极的制作中,将复合氧化物(A1,B1)以95:5的质量比混合,除此以外,与实施例1同样地制作试验电池单元。
<实施例4>
以Li与Ni的摩尔比成为0.2:1.8的方式将Li2O、NiO混合而合成复合氧化物(B2),除此以外,与实施例2同样地制作试验电池单元。
<实施例5>
以Li与Ni的摩尔比成为0.5:1.5的方式将Li2O、NiO混合而合成复合氧化物(B3),除此以外,与实施例2同样地制作试验电池单元。
<比较例1>
正极的制作中不使用复合氧化物(B1),除此以外,与实施例1同样地制作试验电池单元。
<比较例2>
正极的制作中,代替复合氧化物(B1)使用下述复合氧化物(B10),除此以外,与实施例2同样地制作试验电池单元。
[复合氧化物(B10)的合成]
以Li与Ni的摩尔比成为0.7:1.3的方式称量Li2O、NiO,将它们粉碎并混合而制作混合物。接着,将该混合物于氧气气氛下以650℃进行20小时烧成,进一步破碎而得到复合氧化物(B10)。
<比较例3>
正极的制作中,代替复合氧化物(B1)使用氧化镍(B11),除此以外,与实施例2同样地制作试验电池单元。
对于实施例及比较例的各试验电池单元,使用下述的方法进行充放电循环特性的评价。评价结果与正极的构成一同示于表1。
[循环特性(容量维持率)的评价]
在25℃的温度环境下,对试验电池单元以0.3C进行恒定电流充电至电池电压成为4.3V,以4.3V进行恒定电压充电至电流值成为0.02C。之后,以0.05C进行恒定电流放电至电池电压成为2.5V。将该充放电进行30个循环,基于下述式子求出30个循环后的容量维持率。表1中示出的容量维持率为以比较例1的试验电池单元的容量维持率为基准(100)时的相对值。
容量维持率=(第30个循环的放电容量/第1个循环的放电容量)×100
[表1]
从表1所示的结果可以理解,与比较例的试验电池单元相比,实施例的试验电池单元容量维持率均更高,循环特性均优异。即,使用含有复合氧化物(A1)、与具有在X射线衍射图的2θ=21.40°~21.65°处具有峰顶的衍射峰的复合氧化物(B1~B3)时,可见循环特性特异性地提高。
单独使用复合氧化物(A1)时(比较例1)、代替复合氧化物(B1~B3)使用2θ=21.40°~21.65°处不具有峰顶的复合氧化物(B10)时(比较例2)、及使用氧化镍时(比较例3),任意者均无法得到实施例那样的循环特性的改善效果。而且可知若组合使用2θ=21.40°~21.65°处不具有峰顶的氧化物,相比单独使用复合氧化物(A1)时反而容量维持率降低。
附图标记说明
10非水电解质二次电池、11正极、12负极、13分隔件、14电极体、16外装罐、17封口体、18、19绝缘板、20正极引线、21负极引线、22沟槽部、23内部端子板、24下阀体、25绝缘构件、26上阀体、27盖体、28垫片、30正极芯体、31正极合剂层、40负极芯体、41负极合剂层、50基材、51表层

Claims (7)

1.一种非水电解质二次电池用正极活性物质,其包含:
第1锂过渡金属复合氧化物,其以通式LixNi1-y-zCoyMzO2所示,式中,0.8≤x≤1.2、0≤y≤0.2、0<z≤0.5,M为除Li、Ni、Co以外的至少1种金属元素;及
第2锂过渡金属复合氧化物,其具备在同步辐射X射线衍射(光能量16keV)的衍射角(2θ)21.40°~21.65°处具有峰顶的至少1个衍射峰。
2.根据权利要求1所述的非水电解质二次电池用正极活性物质,其中,相对于正极活性物质的总质量,所述第2锂过渡金属复合氧化物的含量为0.1~10质量%。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质二次电池用正极活性物质,其中,所述第2锂过渡金属复合氧化物为通式LiaNi2-aO2所示的复合氧化物,式中,0<a≤0.5。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的非水电解质二次电池用正极活性物质,其中,所述第1锂过渡金属复合氧化物含有选自Mn、W、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Sr、Ca及Al中的至少1种金属元素M。
5.根据权利要求1~4中的任一项所述的非水电解质二次电池用正极活性物质,其中,所述第1锂过渡金属复合氧化物具有归属于空间群R3-m的晶体结构。
6.根据权利要求1~5中的任一项所述的非水电解质二次电池用正极活性物质,其中,所述第1锂过渡金属复合氧化物的颗粒表面固着有含有选自Sr、Ca、W、Mg、Nb及Al中的至少1种的化合物。
7.一种非水电解质二次电池,其具备:
包含权利要求1~6中的任一项所述的非水电解质二次电池用正极活性物质的正极、
负极、和
非水电解质。
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