JP2024057590A - 非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質蓄電素子 - Google Patents

非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質蓄電素子 Download PDF

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Abstract

【課題】高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一側面に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと、セパレータを有する電極体を準備することと、上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと、上記未充電蓄電素子を初期充電することとを備え、上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Li+より貴であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.060mol/dm3以上であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第2添加剤の含有量が0.005mol/dm3以上であり、上記セパレータの透気度が70秒/100cm3以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質蓄電素子に関する。
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間で電荷輸送イオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。
非水電解質蓄電素子の性能を向上させるために、従来から、非水電解質に種々の添加剤を添加することが検討されている。特許文献1には、環状硫黄化合物を含む電解質組成物が用いられたリチウム二次電池が記載されている。
特開第2021-524125号公報
非水電解質蓄電素子においては、非水電解質に環状硫黄化合物等の添加剤を用いることによって、初期出力を大きくできる場合がある。また、透気度の低いセパレータを使用することによって、初期出力をさらに大きくし得る。一方、透気度の低いセパレータを使用すると、高温環境下で保存後の出力が低下する場合がある。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子の製造方法、及び高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと、セパレータを有する電極体を準備することと、上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと、上記未充電蓄電素子を初期充電することとを備え、上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.060mol/dm以上であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第2添加剤の含有量が0.005mol/dm以上であり、上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である。
本発明の他の一側面に係る非水電解質蓄電素子は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質と、セパレータとを備え、上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.012mol/dm以上であり、上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である。
本発明の一側面に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子を製造可能である。また、本発明の他の一側面に係る非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力が大きい。
図1は、非水電解質蓄電素子の一実施形態を示す透視斜視図である。 図2は、非水電解質蓄電素子を複数個集合して構成した非水電解質蓄電装置の一実施形態を示す概略図である。
初めに、本明細書によって開示される非水電解質蓄電素子の製造方法及び非水電解質蓄電素子の概要について説明する。
(1)本発明の一側面に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと、セパレータを有する電極体を準備することと、上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと、上記未充電蓄電素子を初期充電することとを備え、上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.060mol/dm以上であり、上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第2添加剤の含有量が0.005mol/dm以上であり、上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である。
上記(1)に記載の非水電解質蓄電素子の製造方法は、高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子を製造可能である。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。当該非水電解質蓄電素子の製造方法においては、第1添加剤として初期出力を大きくすることが可能な環状硫酸エステルを含有する非水電解質を用いる。また、初期出力をさらに大きくすることが可能な透気度が一定値以下のセパレータを用いる。発明者等の知見によれば、従来のこのように製造された非水電解質蓄電素子は、初期出力が大きくなるが、高温環境下で保存後に出力が低下しやすい。これは、負極側に上記環状硫酸エステルが供給されやすく、また上記環状硫酸エステルが負極表面において消費されやすいため、高温環境下で保存後に非水電解質中の上記環状硫酸エステルが枯渇することが要因と考えられる。すなわち、上記非水電解質蓄電素子を高温環境下で保存すると、初期出力が大きいというメリットを十分に享受することが困難であった。これに対し、当該非水電解質蓄電素子の製造方法に用いる非水電解質は、上記第1添加剤(環状硫酸エステル)の含有量が一定値以上であり、且つ還元分解電位が1.0V vs.Li/Liよりも貴な第2添加剤を一定値以上含有する。この第2添加剤は、初期充電時に、上記第1添加剤に優先して負極表面にて還元分解し、容易に被膜を形成する。これにより、上記第1添加剤(環状硫酸エステル)の消費が抑制されるため、非水電解質中に十分な量の上記第1添加剤(環状硫酸エステル)が残存する。このように残存した上記第1添加剤(環状硫酸エステル)は、高温環境下で保存中に負極表面において上記被膜を維持するように緩やかに消費される。このため、当該非水電解質蓄電素子の製造方法で得られる非水電解質蓄電素子は、初期出力が大きく、且つ高温環境下で保存後の出力維持率が高い。したがって、当該非水電解質蓄電素子の製造方法で得られる非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力が大きい。
(2)上記(1)に記載の非水電解質蓄電素子の製造方法において、上記第1添加剤がエチレンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4,5-ペンテンサルフェート又はこれらの組み合わせであり、上記第2添加剤がリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-ト、1,3-プロペンスルトン又はこれらの組み合わせであってもよい。
上記(2)に記載の非水電解質蓄電素子の製造方法で得られる非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力がより大きい。
(3)本発明の他の一側面に係る非水電解質蓄電素子は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質と、セパレータとを備え、上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.012mol/dm以上であり、上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である。
上記(3)に記載の非水電解質蓄電素子は、上記非水電解質が上記環状硫酸エステルを含有し、且つ上記セパレータの透気度が一定値以下であるため、初期出力が大きい。また、上記非水電解質は上記環状硫酸エステル(第1添加剤)の含有量が一定値以上であり、且つ還元分解電位が1.0V vs.Li/Liよりも貴な第2添加剤を含有するため、高温環境下で保存後の出力維持率が高い。したがって、当該非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力が大きい。
(4)上記(3)に記載の非水電解質蓄電素子において、上記第1添加剤がエチレンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4,5-ペンテンサルフェート又はこれらの組み合わせであり、上記第2添加剤がリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-ト、1,3-プロペンスルトン又はこれらの組み合わせであってもよい。
上記(4)に記載の非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力がより大きい。
本発明において、「還元分解電位」とは、サイクリックボルタンメトリ(CV)法による測定結果から確認される還元ピーク(1サイクル目において観察される最も貴な電位の還元ピーク)における電位(vs.Li/Li)を意味する。なお、CV法は、以下の測定条件で実施するものとする。
〔測定条件〕
作用極:黒鉛
参照極:Li金属
溶媒組成:EC:EMC=3:7(体積比)
電解質塩:LiPF(1mol/dm
温度:室温
走査速度:1mV/秒
走査回数:3サイクル
走査範囲:0V(vs.Li/Li)-3.0V(vs.Li/Li
本発明において、添加剤の「含有量」とは、当該非水電解質蓄電素子の製造方法にあっては初期充電前の添加剤の含有量(mol/dm)を意味し、当該非水電解質蓄電素子にあっては初期充電後の添加剤の含有量(mol/dm)を意味する。
本発明において、「透気度」とは、ガーレ値ともいい、一定圧力差のもとで一定体積の空気が一定面積の紙を通過する秒数を示し、JIS-P-8117(2009)に準拠して測定される値である。
以下、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法、非水電解質蓄電素子、蓄電装置、及びその他の実施形態について詳述する。なお、各実施形態に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称は、背景技術に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称と異なる場合がある。
[非水電解質蓄電素子の製造方法]
本実施形態の非水電解質蓄電素子(以下、単に「蓄電素子」ともいう。)の製造方法は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと、セパレータを有する電極体を準備することと、上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと、上記未充電蓄電素子を初期充電することとを備える。換言すると、当該非水電解質蓄電素子の製造方法は、未充電蓄電素子組立工程と、初期充電工程とを備える。また、以下では、当該非水電解質蓄電素子の製造方法の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)の製造方法について説明する。
〔未充電蓄電素子組立工程〕
最初に、未充電蓄電素子組立工程について説明する。未充電蓄電素子組立工程は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと(以下、「第1工程」ともいう)、セパレータを有する電極体を準備することと(以下、「第2工程」ともいう)、上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと(以下、「第3工程」ともいう)、を含む。
<第1工程>
第1工程で準備(調製又は購入)する非水電解質は、添加剤を含有する。また、この添加剤として、少なくとも第1添加剤及び第2添加剤を含有する。非水電解質は、通常、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩及び上記添加剤とを含む非水電解液である。換言すると、本発明の一実施形態において、第1工程は、非水溶媒に電解質塩及び上記添加剤を混合し、溶解させて非水電解質を調製することを備えることができる。
非水電解質を準備することは、市販の非水電解質を購入することであってもよい。
(非水電解質)
第1添加剤は、環状硫酸エステルである。環状硫酸エステルは、2つの炭素原子がそれぞれオキシスルホニルオキシ基(-O-S(=O)-O-)に結合している構造を含む環状化合物であってもよい。すなわち、環状サルフェートであってもよい。環状サルフェートの一例として、一般式:-C-O-S(=O)-O-C-(C-で表される環状化合物が挙げられる。ここで、式中のC、C及びCは炭素原子であり、nは0から6(好ましくは0から3、より好ましくは0又は1)の整数である。nが0の場合、C及びCは相互に結合して環状構造を形成する。nが1から6の場合、-(C-の末端のC及びCは相互に結合して環状構造を形成する。R、R、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルケニル基及びアルキニル基から選択される基である。上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基は置換基を有していてもよい。上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基における炭素原子の総数は、それぞれ例えば1から8(例えば1から6、典型的には1から4)であり、上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基における置換基を除いた炭素原子数は、それぞれ例えば1から4(例えば1から3、典型的には1又は2)である。上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基は、鎖状(直鎖状又は分岐状)又は環状であり得る。上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基が有し得る置換基は、硫黄(S)原子及び酸素(O)原子を含む置換基(例えば、スルホニル基(-S(=O)-)、スルホニルオキシ基(-S(=O)-O-)、オキシスルホニルオキシ基(-O-S(=O)-O-)等)、カルボニル基(-C(=O)-O-)、アリール基等を包含する。上記アルキル基、上記アルケニル基及び上記アルキニル基においては、上記置換基以外に含まれる2つの炭素原子がそれぞれ上記置換基に結合して環状構造を形成してもよい。また、R又はRと、R又はRとが結合して環状構造を形成してもよい。
環状サルフェートの一好適例として、R、R、R及びRがいずれも水素原子であるものが挙げられる。例えば、R、R、R及びRがいずれも水素原子であり、かつ、nが0から6(好ましくは0から3)である環状サルフェートが好ましい。そのような環状サルフェートの具体例として、エチレンサルフェート、1,3-プロピレンサルフェート、1,4-ペンチレンサルフェート等が例示される。中でも、初期出力を大きくする観点から、エチレンサルフェートが好ましい。
環状サルフェートの他の好適例として、R、R、R及びRのうち少なくとも1つが炭素原子数1から6のアルキル基であるものが挙げられる。例えば、Rが炭素原子数1から6(好ましくは1から3)のアルキル基であり、R、R及びRが水素原子であり、かつ、nが0又は1である環状サルフェートが好ましい。そのような環状サルフェートの具体例として、2,3-プロピレンサルフェート、4,5-ペンテンサルフェート等が例示される。中でも、初期出力を大きくし、且つ高温環境下で保存後の出力を大きくする観点から、4,5-ペンテンサルフェートが好ましい。
環状サルフェートの他の好適例として、R、R、R及びRのうち少なくとも1つが硫黄原子及び酸素原子を含む置換基で置換されたアルキル基であるものが挙げられる。例えば、Rが硫黄原子及び酸素原子を含む置換基(好ましくはスルホニル基又はオキシスルホニルオキシ基)で置換されたアルキル基であり、R、R及びRが水素原子であり、かつ、nが0又は1である環状サルフェートが好ましい。そのような環状サルフェートの具体例として、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン等が例示される。中でも、初期出力を大きくし、且つ高温環境下で保存後の出力を大きくする観点から、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)が好ましい。
第1添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
第2添加剤は、還元分解電位が1.0V vs.Li/Liよりも貴な化合物である。第2添加剤の還元分解電位の下限としては、上述の通り1.0V vs.Li/Li超であり、1.05V vs.Li/Liが好ましく、1.08V vs.Li/Liがより好ましく、1.1V vs.Li/Liがさらに好ましく、1.2V vs.Li/Li(例えば1.4V vs.Li/Li又は1.5V vs.Li/Li)がよりさらに好ましい場合もある。一方、第2添加剤の還元分解電位の上限としては、3.0V vs.Li/Liが好ましく、2.5V vs.Li/Li(例えば2.2V vs.Li/Li又は2.0V vs.Li/Li)がより好ましい。第2添加剤の還元分解電位が上記下限よりも貴であると、上記第1添加剤に優先して負極表面に容易に第2添加剤由来の被膜が形成されやすい。このため、負極表面において第1添加剤の消費を抑制できる。また、第2添加剤の還元分解電位が上記上限よりも卑であると、負極表面において上記第2添加剤由来の被膜が過剰に厚く形成されることによって初期出力が小さくなることを抑制できる。また、第2添加剤の還元分解電位としては、1.05V vs.Li/Li以上3.0V vs.Li/Li以下が好ましく、1.08V vs.Li/Li以上3.0V vs.Li/Li以下がより好ましく、1.1V vs.Li/Li以上3.0V vs.Li/Li以下がさらに好ましく、1.2V vs.Li/Li以上2.5V vs.Li/Li以下(例えば1.4V vs.Li/Li以上2.2V vs.Li/Li以下又は1.5V vs.Li/Li以上2.0V vs.Li/Li以下)がよりさらに好ましい場合もある。第2添加剤の還元分解電位は、上記したいずれかの下限よりも貴且つ上記したいずれかの上限よりも卑であってもよい。
第2添加剤としては、負極表面に良好な被膜を形成しつつ、初期出力を大きくする観点から、シュウ酸塩又は環状スルホン酸エステルが好ましい。シュウ酸塩としては、オキサレートボレート塩がより好ましく、リチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-トがさらに好ましい。環状スルホン酸エステルは、2つの炭素原子がそれぞれスルホニルオキシ基(-S(=O)O-)に結合している構造を含む環状化合物であってもよい。そのような環状スルホン酸エステルの具体例として、1,3-プロパンスルトン、1,3-プロペンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,4-ブテンスルトン等が例示される。環状スルホン酸エステルの中でも、1,3-プロペンスルトンがより好ましい。第2添加剤としては、シュウ酸塩と環状スルホン酸エステルとでは、シュウ酸塩が好ましい。第2添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
第1添加剤の含有量の下限としては、初期出力を大きくし、且つ高温環境下で保存後の出力を大きくする観点から、0.060mol/dmであり、0.065mol/dmが好ましく、0.068mol/dmがより好ましく、0.080mol/dmがさらに好ましく、0.120mol/dmがよりさらに好ましい。一方、第1添加剤の含有量の上限としては、第1添加剤の含有量を適正に保つ観点から、0.200mol/dmが好ましく、0.180mol/dmがより好ましい。また、第1添加剤の含有量としては、0.065mol/dm以上0.200mol/dm以下が好ましく、0.068mol/dm以上0.180mol/dm以下がより好ましい。第1添加剤の含有量は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。なお、ここで「第1添加剤の含有量」とは、第1添加剤を2種以上混合している場合、2種以上の第1添加剤の合計含有量を意味する。非水電解質における第1添加剤の含有量は、ガスクロマトグラフィー分析を用いて求める。また、第1添加剤の含有量は、20℃1気圧下における含有量である。
第2添加剤の含有量の下限としては、初期出力を大きくする観点から、0.005mol/dmであり、0.010mol/dmが好ましく、0.012mol/dmがより好ましい。一方、第2添加剤の含有量の上限としては、第2添加剤の含有量を適正に保つ観点から、0.040mol/dmが好ましく、0.030mol/dmがより好ましい。また、第2添加剤の含有量としては、0.010mol/dm以上0.040mol/dm以下が好ましく、0.012mol/dm以上0.030mol/dm以下がより好ましい。第2添加剤の含有量は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。なお、ここで「第2添加剤の含有量」とは、第2添加剤を2種以上混合している場合、2種以上の第2添加剤の合計含有量を意味する。第2添加剤がシュウ酸塩の場合、非水電解質における第2添加剤の含有量は、イオンクロマトグラフィー分析を用いて求める。第2添加剤が環状スルホン酸エステルの場合、非水電解質における第2添加剤の含有量は、ガスクロマトグラフィー分析を用いて求める。また、第2添加剤の含有量は、20℃1気圧下における含有量である。
第1添加剤の含有量に対する第2添加剤の含有量のモル比の下限としては、初期出力を大きくし、且つ高温環境下で保存後の出力を大きくする観点から、0.06が好ましく、0.07がより好ましく、0.08がさらに好ましい。一方、上記モル比の上限としては、第2添加剤の含有量を適正に保つ観点から、0.20が好ましく、0.18がより好ましく、0.16がさらに好ましい。また、上記モル比は、0.06以上0.20以下が好ましく、0.07以上0.18以下がより好ましく、0.08以上0.16以下がさらに好ましい。上記モル比は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。
非水溶媒としては、公知の非水溶媒の中から適宜選択できる。非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、リン酸エステル、スルホン酸エステル、エーテル、アミド、ニトリル等が挙げられる。非水溶媒として、これらの化合物に含まれる水素原子の一部がハロゲンに置換されたものを用いてもよい。
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、スチレンカーボネート、1-フェニルビニレンカーボネート、1,2-ジフェニルビニレンカーボネート等が挙げられる。これらの中でもECが好ましい。
鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート、ビス(トリフルオロエチル)カーボネート等が挙げられる。これらの中でもEMCが好ましい。
非水溶媒として、環状カーボネート又は鎖状カーボネートを用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。環状カーボネートを用いることで、電解質塩の解離を促進して非水電解液のイオン伝導度を向上させることができる。鎖状カーボネートを用いることで、非水電解液の粘度を低く抑えることができる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比率(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、例えば、5:95から50:50の範囲とすることが好ましい。
電解質塩としては、公知の電解質塩から適宜選択できる。電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等が挙げられる。これらの中でもリチウム塩が好ましい。
リチウム塩としては、LiPF、LiPO、LiBF、LiClO、LiN(SOF)等の無機リチウム塩、LiSOCF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiN(SOCF)(SO)、LiC(SOCF、LiC(SO等のハロゲン化炭化水素基を有するリチウム塩等が挙げられる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPFがより好ましい。
非水電解液における電解質塩の含有量は、20℃1気圧下において、0.1mol/dm以上2.5mol/dm以下であると好ましく、0.3mol/dm以上2.0mol/dm以下であるとより好ましく、0.5mol/dm以上1.7mol/dm以下であるとさらに好ましく、0.7mol/dm以上1.5mol/dm以下であると特に好ましい。電解質塩の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解液のイオン伝導度を高めることができる。
非水電解液は、上述した添加剤以外の他の添加剤を含んでもよい。この他の添加剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)等のハロゲン化炭酸エステル;リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のイミド塩;ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等のハロゲン化アニソール化合物;ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物;亜硫酸エチレン、亜硫酸プロピレン、亜硫酸ジメチル、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、トルエンスルホン酸メチル、硫酸ジメチル、スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、ジフェニルスルフィド、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド、パーフルオロオクタン、ホウ酸トリストリメチルシリル、リン酸トリストリメチルシリル、チタン酸テトラキストリメチルシリル、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。これらの他の添加剤のうち還元分解電位が1.0V vs.Li/Liよりも貴なものは第2添加剤として用いてもよい。これらの他の添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
非水電解液に含まれる他の添加剤の含有量は、非水電解液全体の質量に対して0.01質量%以上10質量%以下が好ましく、0.1質量%以上7質量%以下がより好ましく、0.2質量%以上5質量%以下がさらに好ましく、0.3質量%以上3質量%以下が特に好ましい。他の添加剤の含有量を上記の範囲とすることで、高温保存後の容量維持性能又は充放電サイクル性能を向上させたり、安全性をより向上させたりすることができる。
<第2工程>
第2工程では、上述の通り、セパレータを有する電極体を準備する。第2工程で準備する電極体は、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在させたセパレータとを有する。本発明の一実施形態において、第2工程は、正極,負極及びセパレータを準備することと、セパレータを介して正極及び負極を積層又は巻回することにより電極体を形成することとを含む。セパレータを準備することは、市販のセパレータを購入することであってもよい。
(正極)
正極は、正極基材と、当該正極基材に直接又は中間層を介して配される正極活物質層とを有する。
正極基材は、導電性を有する。「導電性」を有するか否かは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が10-2Ω・cmを閾値として判定する。正極基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)又はJIS-H-4160(2006年)に規定されるA1085、A3003、A1N30等が例示できる。
正極基材の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材の強度を高めつつ、非水電解質蓄電素子の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。
中間層は、正極基材と正極活物質層との間に配される層である。中間層は、炭素粒子等の導電剤を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば、バインダ及び導電剤を含む。
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層は、必要に応じて、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。
正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LiNi(1-x)]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγCo(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1、0<1-x-γ)、Li[LiCo(1-x)]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγMn(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1、0<1-x-γ)、Li[LiNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1、0<1-x-γ-β)、Li[LiNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1、0<1-x-γ-β)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LiMn、LiNiγMn(2-γ)等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO、Li(PO、LiMnSiO、LiCoPOF等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
正極活物質は、通常、粒子(粉体)である。正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。なお、正極活物質と他の材料との複合体を用いる場合、該複合体の平均粒径を正極活物質の平均粒径とする。「平均粒径」とは、JIS-Z-8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS-Z-8819-2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。
粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。
正極活物質層における正極活物質の含有量は、50質量%以上99質量%以下が好ましく、70質量%以上98質量%以下がより好ましく、80質量%以上95質量%以下がさらに好ましい。正極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、正極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。
導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、炭素質材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛、非黒鉛質炭素、グラフェン系炭素等が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、カーボンナノファイバー、ピッチ系炭素繊維、カーボンブラック等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。グラフェン系炭素としては、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。導電剤としては、これらの材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、これらの材料を複合化して用いてもよい。例えば、カーボンブラックとCNTとを複合化した材料を用いてもよい。これらの中でも、電子伝導性及び塗工性の観点よりカーボンブラックが好ましく、中でもアセチレンブラックが好ましい。
正極活物質層における導電剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。導電剤の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解質蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。
バインダとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。
正極活物質層におけるバインダの含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。バインダの含有量を上記の範囲とすることで、正極活物質を安定して保持することができる。
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。増粘剤を使用する場合、正極活物質層における増粘剤の含有量は、0.1質量%以上8質量%以下とすることができ、通常、5質量%以下が好ましく、2質量%以下がより好ましい。ここで開示される技術は、正極活物質層が増粘剤を含まない態様で好ましく実施され得る。
フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、アルミナ、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。フィラーを使用する場合、正極活物質層におけるフィラーの含有量は、0.1質量%以上8質量%以下とすることができ、通常、5質量%以下が好ましく、2質量%以下がより好ましい。ここで開示される技術は、正極活物質層がフィラーを含まない態様で好ましく実施され得る。
正極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。
正極の作製方法は特に限定されず、従来の方法を適宜採用することができる。例えば、正極は、正極活物質、その他の正極活物質層を構成する任意成分及び分散媒としてN-メチルピロリドン、トルエン等の有機溶媒又は水を混合し、得られた正極合剤ペーストをアルミニウム箔等の正極基材の上に塗布又は圧着した後、乾燥処理することにより好適に作製される。上記正極合剤ペーストを塗布する方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。
(負極)
負極は、負極基材と、当該負極基材に直接又は中間層を介して配される負極活物質層とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極で例示した構成から選択することができる。
負極基材は、導電性を有する。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金、炭素質材料等が用いられる。これらの中でも銅又は銅合金が好ましい。負極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、負極基材としては銅箔又は銅合金箔が好ましい。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。
負極基材の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材の強度を高めつつ、非水電解質蓄電素子の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質層は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極で例示した材料から選択できる。
負極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。
負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;LiTi12、LiTiO2、TiNb等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。
「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。
ここで、炭素材料の「放電状態」とは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されるように放電された状態を意味する。例えば、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた半電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態である。
「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。
「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。
負極活物質は、通常、粒子(粉体)である。負極活物質の平均粒径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が炭素材料、チタン含有酸化物又はポリリン酸化合物である場合、その平均粒径は、1μm以上100μm以下であってもよい。負極活物質が、Si、Sn、Si酸化物、又は、Sn酸化物等である場合、その平均粒径は、1nm以上1μm以下であってもよい。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、負極活物質層の電子伝導性が向上する。粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び分級方法は、例えば、上記正極で例示した方法から選択できる。負極活物質が金属Li等の金属である場合、負極活物質層は、箔状であってもよい。
負極活物質層における負極活物質の含有量は、60質量%以上99.5質量%以下が好ましく、90質量%以上99質量%以下がより好ましい。負極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、負極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。負極活物質が金属Liである場合、負極活物質層における負極活物質の含有量は99質量%以上であってよく、100質量%であってよい。
負極の作製方法は特に限定されず、従来の方法を適宜採用することができる。例えば、負極は、負極活物質、その他の負極活物質層を構成する任意成分及び分散媒としてN-メチルピロリドン、トルエン等の有機溶媒又は水を混合し、得られた負極合剤ペーストを銅箔等の負極基材の上に塗布又は圧着した後、乾燥処理することにより好適に作製される。上記負極合剤ペーストを塗布する方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。
(セパレータ)
セパレータは、透気度が70秒/100cm以下である公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層の形状としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの形状の中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
耐熱層に含まれる耐熱粒子は、1気圧の空気雰囲気下で室温から500℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものが好ましく、室温から800℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものがさらに好ましい。質量減少が所定以下である材料として無機化合物が挙げられる。無機化合物として、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物;炭酸カルシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム等の硫酸塩;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、チタン酸バリウム等の難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶;タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。無機化合物として、これらの物質の単体又は複合体を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの無機化合物の中でも、非水電解質蓄電素子の安全性の観点から、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はアルミノケイ酸塩が好ましい。
セパレータの透気度の上限としては、初期出力を大きくする観点から、70秒/100cmであり、65秒/100cmが好ましく、60秒/100cmがより好ましい。一方、セパレータの透気度の下限としては、セパレータの強度維持の観点から30秒/100cmが好ましく、40秒/100cmがより好ましい。また、セパレータの透気度としては、30秒/100cm以上65秒/100cm以下が好ましく、40秒/100cm以上60秒/100cm以下がより好ましい。セパレータの透気度は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。
セパレータの空孔率は、強度の観点から80体積%以下が好ましく、放電性能の観点から20体積%以上が好ましい。ここで、「空孔率」とは、体積基準の値であり、水銀ポロシメータでの測定値を意味する。
<第3工程>
本発明の一実施形態において、第3工程では、上述した電極体及び上述した非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てる。上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てる方法としては、公知の方法から適宜選択できる。例えば、注液口が形成された容器に電極体を収容し、注液口から非水電解質を注入した後、注液口を封止することが挙げられる。
電極体を収容する容器としては、非水電解質蓄電素子の容器として通常用いられる公知の金属容器、樹脂容器等を用いることができる。上記金属としては、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。本実施形態に係る容器はアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。
〔初期充電工程〕
次に、初期充電工程について説明する。初期充電工程は、上記未充電蓄電素子に対して初期充電を行う。すなわち、初期充電工程は、初回の充電操作を行うことを含む。この充電操作によって、上記第1添加剤及び第2添加剤由来の被膜が負極(典型的には負極に含まれる負極活物質)の表面に形成される。
本発明の一実施形態において、初期充電工程では、上記未充電蓄電素子に対して1又は複数回の充電操作を行う。充電操作としては、上記未充電蓄電素子を定電流で所定の充電終止条件になるまで充電することを含む。上記所定の充電終止条件は、所定の充電終止電圧になるまでであってもよく、所定の充電時間になるまでであってもよい。また、上記未充電蓄電素子を定電流で所定の充電終止条件になるまで充電し、次いで、定電流で所定の放電終止条件になるまで放電する充放電操作としてもよく、上記充放電操作を複数回繰り返してもよい。上記所定の放電終止条件は、所定の放電終止電圧になるまでであってもよく、所定の放電時間になるまでであってもよい。初期充電工程における正負極端子間の充電終止電圧としては、使用する正極及び負極の活物質材料等によっても異なるが、例えば3.6V以上4.9V以下としてもよく、3.95V以上4.2V以下としてもよい。一方、放電終止電圧としては、例えば2.0V以上3.4V以下としてもよく、2.7V以上3.0V以下としてもよい。初期充電工程を行う温度は特に限定されず、例えば常温(典型的には25℃程度)であってもよい。
充電操作は、上記所定の充電終止条件になるまで定電流で充電する方式(CC充電)により行ってもよく、あるいは上記所定の充電終止電圧になるまで定電流で充電した後、上記所定の充電終止電圧にて定電圧で充電する方式(CCCV充電)により行ってもよい。定電流での充電における充電電流は特に限定されないが、例えば0.1C以上2.0C以下としてもよく、0.5C以上1.5C以下としてもよく、0.6C以上1.0C以下としてもよい。なお、「1.0C」とは、所定の充電終止電圧まで充電した蓄電素子を定電流で放電した際、1時間で所定の放電終止電圧に到達できる電流を意味する。
上記初期充電工程(典型的には上記充放電操作を行う工程)後、必要に応じてガス抜きや品質検査等を行うことによって、本実施形態に係る非水電解質蓄電素子を得られる。
上記得られた非水電解質蓄電素子では、0.060mol/dm以上の上記第1添加剤及び0.005mol/dm以上の上記第2添加剤を含む非水電解質を容器に注入した後に、未充電蓄電素子に対して初回の充電操作(初期充電)を行うことによって、負極の表面に上記第1添加剤及び上記第2添加剤由来の被膜が形成される。その際、上記第2添加剤は、上記第1添加剤に優先して負極表面にて還元分解し、容易に被膜を形成する。これにより、上記第1添加剤(環状硫酸エステル)の消費が抑制されるため、非水電解質中に十分な量の上記第1添加剤(環状硫酸エステル)が残存する。このように残存した上記第1添加剤(環状硫酸エステル)は、高温環境下で保存中に負極表面において上記被膜を維持するように緩やかに消費される。このため、当該非水電解質蓄電素子の製造方法で得られる非水電解質蓄電素子は、初期出力が大きく、且つ高温環境下で保存後の出力維持率が高い。したがって、当該非水電解質蓄電素子の製造方法で得られる非水電解質蓄電素子は、高温環境下で保存後の出力が大きい。
[非水電解質蓄電素子]
本実施形態の非水電解質蓄電素子は、第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質と、電極体とを備える。当該非水電解質蓄電素子として、例えば非水電解質二次電池が挙げられる。本発明の一実施形態において、上記電極体は、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在させたセパレータとを有する。上記電極体は、セパレータを介して正極及び負極を積層することにより形成される積層型電極体であってもよく、セパレータを介して正極及び負極を積層した状態で巻回することにより形成される巻回型電極体であってもよい。
当該非水電解質蓄電素子が備える非水電解質は、第1添加剤の含有量及び第2添加剤の含有量を除き、上述した当該非水電解質蓄電素子の製造方法で準備する非水電解質と同様の構成とすることができる。また、当該非水電解質蓄電素子が備える電極体は、上述した当該非水電解質蓄電素子の製造方法で準備する電極体と同様の構成とすることができる。このため、以下では、当該非水電解質蓄電素子における第1添加剤の含有量及び第2添加剤の含有量について説明し、その他の説明は省略する。
第1添加剤の含有量の下限としては、初期出力を大きくし、且つ高温環境下で保存後の出力を大きくする観点から、0.012mol/dmであり、0.014mol/dmが好ましく、0.016mol/dmがより好ましい。一方、第1添加剤の含有量の上限としては、第1添加剤の含有量を適正に保つ観点から、0.060mol/dmが好ましく、0.050mol/dmがより好ましく、0.040mol/dmがさらに好ましい。また、第1添加剤の含有量としては、0.014mol/dm以上0.060mol/dm以下が好ましく、0.016mol/dm以上0.050mol/dm以下がより好ましく、0.016mol/dm以上0.040mol/dm以下がさらに好ましい。第1添加剤の含有量は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。なお、ここで「第1添加剤の含有量」とは、第1添加剤を2種以上混合している場合、2種以上の第1添加剤の合計含有量を意味する。非水電解質における第1添加剤の含有量(残存量)は、ガスクロマトグラフィー分析を用いて求める。また、第1添加剤の含有量は、20℃1気圧下における含有量である。
第2添加剤の含有量の下限としては、初期出力を大きくする観点から、5.0×10-5mol/dmが好ましく、1.0×10-4mol/dmがより好ましい。一方、第2添加剤の含有量の上限としては、第2添加剤の含有量を適正に保つ観点から、1.0×10-3mol/dmが好ましく、5.0×10-4mol/dmがより好ましい。また、第2添加剤の含有量としては、5.0×10-5mol/dm以上1.0×10-3mol/dm以下が好ましく、1.0×10-4mol/dm以上5.0×10-4mol/dm以下がより好ましい。第2添加剤の含有量は、上記したいずれかの下限以上且つ上記したいずれかの上限以下であってもよい。なお、ここで「第2添加剤の含有量」とは、第2添加剤を2種以上混合している場合、第2添加剤の合計含有量を意味する。第2添加剤がシュウ酸塩の場合、非水電解質における第2添加剤の含有量(残存量)は、イオンクロマトグラフィー分析を用いて求める。第2添加剤が環状スルホン酸エステルの場合、非水電解質における第2添加剤の含有量(残存量)は、ガスクロマトグラフィー分析を用いて求める。また、第2添加剤の含有量は、20℃1気圧下における含有量である。
本実施形態の非水電解質蓄電素子の形状については特に限定されるものではなく、例えば、円筒型電池、角型電池、扁平型電池、コイン型電池、ボタン型電池等が挙げられる。
図1に角型電池の一例としての非水電解質蓄電素子1を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。セパレータを挟んで巻回された正極及び負極を有する電極体2が角型の容器3に収納される。正極は正極リード41を介して正極端子4と電気的に接続されている。負極は負極リード51を介して負極端子5と電気的に接続されている。ただし、図1は本実施形態に係る非水電解質蓄電素子が備える電極体の形態を、巻回型電極体に限定することを意図するものではない。
[蓄電装置]
本実施形態の非水電解質蓄電素子は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の非水電解質蓄電素子を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも一つの非水電解質蓄電素子に対して、本発明の技術が適用されていればよい。
図2に、電気的に接続された二以上の非水電解質蓄電素子1が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の非水電解質蓄電素子1を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の非水電解質蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。
[その他の実施形態]
尚、本発明の非水電解質蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
上記実施形態では、非水電解質蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、非水電解質蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。本発明は、種々の二次電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタにも適用できる。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。
[実施例1]
(正極の作製)
正極活物質として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3を準備した。次いで、N-メチルピロリドン(NMP)を分散媒とし、上記正極活物質、導電剤であるアセチレンブラック(AB)、及びバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を固形分換算で90:5:5の質量比率で含有する正極合剤ペーストを作製した。正極基材であるアルミニウム箔の両面に、上記正極合剤ペーストを直接塗布し、乾燥後プレスした。これにより、上記正極基材の両面に正極活物質層が積層された正極を得た。
(負極の作製)
負極活物質である黒鉛(Gr)、バインダであるスチレン-ブタジエンゴム(SBR)、増粘剤であるカルボキシルメチルセルロース(CMC)及び分散媒である水を混合した負極合剤ペーストを作製した。なお、Gr、SBR及びCMCの質量比率は96:2:2(固形分換算)とした。負極基材である銅箔の両面に、上記負極合剤ペーストを塗布し、乾燥した後プレスした。これにより、上記負極基材の両面に負極活物質層が積層された負極を得た。
(非水電解質の調製)
EC、DMC及びEMCを30:35:35の体積比で混合した非水溶媒に、電解質塩としてLiPFを1.2mol/dmの濃度で溶解させ、且つ第1添加剤として4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)(DGLST)を0.068mol/dmの含有量で、第2添加剤としてリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-ト(LiBOB)を0.006mol/dmの含有量で溶解させた溶液を作製した。上記溶液を非水電解質として得た。第1添加剤及び第2添加剤それぞれの含有量は、「投入量」として表1に示す。なお、LiBOBの還元分解電位は、1.6V vs.Li/Liであった。
(未充電蓄電素子の作製)
上記正極と負極と透気度が60秒/100cmのポリオレフィン製微多孔膜のセパレータとを用いて巻回型の電極体を得た。この電極体を容器に収納し、上記非水電解質を注入して封口し、実施例1の未充電蓄電素子を得た。
(初期充放電)
得られた未充電蓄電素子について、以下の条件にて初期充放電を行った。
25℃の恒温槽内において、充電電流1.0C、充電終止電圧4.10Vとして定電流充電を行った後、4.10Vにて定電圧充電した。充電の終了条件は、総充電時間が3時間となるまでとした。その後、10分間の休止期間を設けた。放電電流1.0C、放電終止電圧3.0Vとして定電流放電した。上記初期充放電によって、実施例1の非水電解質蓄電素子を得た。また、このときの放電容量を、「初期の放電容量」とした。
[実施例2から5、比較例1から5及び比較例9]
添加剤の種類及び含有量を表1に示す通りとしたことを除いて、実施例1と同様の手順によって実施例2から5、比較例1から5及び比較例9の非水電解質蓄電素子を得た。なお、表1において「GLST」はエチレンサルフェートを、「DGLST」は4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)を、「PEGLST」は4,5-ペンテンサルフェートを、「LiBOB」はリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-トを、「PRS」は1,3-プロペンスルトンを意味する。また、PRSの還元分解電位は、1.1V vs.Li/Liであった。
[比較例6から8]
添加剤の種類及び含有量、並びにセパレータの透気度を表1に示す通りとしたことを除いて、実施例1と同様の手順によって比較例6から8の非水電解質蓄電素子を得た。
[評価]
(1-1)初期充放電後の非水電解質の測定
上記初期充放電後、各非水電解質蓄電素子について、非水電解質の一部を取り出し、第1添加剤及び第2添加剤それぞれの含有量を測定した。LiBOBの含有量はイオンクロマトグラフィー分析、その他の添加剤の含有量はガスクロマトグラフィー分析を用いて測定した。これらの含有量を「残存量」として表1に示す。
(1-2)初期出力の測定
上記初期充放電後、各非水電解質蓄電素子について、以下の要領で初期出力を測定した。
25℃の恒温槽内において、1.0Cの充電電流で定電流充電を行い、SOC50%に調整し、-30℃の恒温槽に4時間保管した後、10C、20C、30C、40C又は50Cの定電流でそれぞれ10秒間放電した。「SOC」(State of Charge)とは、非水電解質蓄電素子が通常使用される電圧範囲で測定される、定格容量を基準とする、当該非水電解質蓄電素子の充電状態をいう。本実施例において、定格容量は上記初期の放電容量とした。各放電終了後には、0.2Cの電流で定電流充電を行い、SOCを50%にした。各放電における電流と放電開始後1秒後の電圧との傾きから抵抗値を算出し、「{放電前の電圧と下限電圧(2.7V)との差}/抵抗値×下限電圧(2.7V)」を求め、初期出力とした。初期出力を表1に示す。
(1-3)高温環境下で保存後の出力及び放電容量の測定
上記初期出力の測定後、各非水電解質蓄電素子について、以下の要領で高温環境下で保存後の出力を測定した。
25℃の恒温槽内において、1.0Cの充電電流で定電流充電を行い、SOCをそれぞれ80%に調整した。このSOC80%の状態で、80℃の恒温槽中で90日間保存した。
上述の手順の後、各非水電解質蓄電素子について、上記初期出力の測定と同様の手順で、それぞれ高温環境下で保存後の出力を測定した。さらに、この高温環境下で保存後の出力の上記初期出力に対する百分率を高温環境下で保存後の出力維持率として算出した。高温環境下で保存後の出力及び出力維持率を表1に示す。
また、各非水電解質蓄電素子について、上記初期充放電と同様の手順で、それぞれ高温環境下で保存後の放電容量を測定した。さらに、この高温環境下で保存後の放電容量の上記初期の放電容量に対する百分率を高温環境下で保存後の容量維持率として算出した。高温環境下で保存後の容量維持率を表1に示す。
Figure 2024057590000002
表1に示す通り、比較例1、2は、非水電解質が第1添加剤(環状硫酸エステル)のみを含有し、且つセパレータの透気度が70秒/100cm以下であるため、初期出力が大きく(450W以上)、高温環境下で保存後の出力維持率が小さい(80%未満)。その結果、高温環境下で保存後の出力が小さい(390W未満)。第1添加剤の含有量が比較例1、2よりも多い比較例3、5、及び第2添加剤のみを含む比較例4も、高温環境下で保存後の出力が小さい(390W未満)。これらについては、高温環境下で保存後において非水電解質中の第1添加剤が枯渇していることが推察された。
比較例6から8は、非水電解質が第1添加剤及び第2添加剤を含有し、且つセパレータの透気度が70秒/100cm超であるため、初期出力が小さく(450W未満)、高温環境下で保存後の出力維持率が大きい(80%以上)。その結果、高温環境下で保存後の出力が小さい(390W未満)。これらについては、高温環境下で保存後において非水電解質中の第1添加剤が残存しているものの、セパレータの透気度が大きいために第1添加剤の負極への供給が制限されたことが推察された。
比較例9は、非水電解質が第1添加剤及び第2添加剤を含有し、且つセパレータの透気度が70秒/100cm以下であるが、高温環境下で保存後の出力が小さい(390W未満)。比較例9については、第1添加剤の投入量が0.060mol/dm未満であるため、高温環境下で保存後において非水電解質中の第1添加剤が枯渇していることが推察された。
実施例1から5は、非水電解質が第1添加剤及び第2添加剤を含有し、且つセパレータの透気度が70秒/100cm以下であるため、初期出力が大きく(450W以上)、高温環境下で保存後の出力維持率も大きい(80%以上)。その結果、高温環境下で保存後の出力が大きい(390W以上)。これらについては、高温環境下で保存後において非水電解質中の第1添加剤が残存しつつ、セパレータの透気度が小さいために第1添加剤の負極への供給が円滑化されたことが推察された。
実施例5及び比較例2は、いずれも第1添加剤の投入量が0.060mol/dm以上である。この場合、第2添加剤の投入量を0.005mol/dm以上とした実施例5は、第2添加剤を投入しなかった比較例2に比べて、高温環境下で保存後の出力が13W増大した。これに対して、比較例1及び比較例9は、いずれも第1添加剤の投入量が0.060mol/dm未満である。この場合、第2添加剤の投入量を0.005mol/dm以上とした比較例9は、第2添加剤を投入しなかった比較例1に比べて、高温環境下で保存後の出力は増大しなかった。この結果から、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm以上とし、且つ第2添加剤の投入量を0.005mol/dm以上とした場合に、高温環境下で保存後の出力が特異的に大きくなることが確認された。
また、実施例5及び比較例9は、いずれも第2添加剤の投入量が0.005mol/dm以上であり、セパレータの透気度が70秒/100cm以下である。この場合、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm以上とした実施例5は、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm未満とした比較例9に比べて、高温環境下で保存後の出力が20W増大した。これに対して、比較例6及び比較例7は、いずれも第2添加剤の投入量が0.005mol/dm以上であり、セパレータの透気度が70秒/100cm超である。この場合、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm以上とした比較例7は、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm未満とした比較例6に比べて、高温環境下で保存後の出力の増大量は4Wに留まった。この結果から、第1添加剤の投入量を0.060mol/dm以上とし、セパレータの透気度を70秒/100cm以下とした場合に、高温環境下で保存後の出力が格段に大きくなることが確認された。換言すれば、第1添加剤及び第2添加剤を一定量以上含有する非水電解質と、透気度が70秒/100cm以下のセパレータと組み合わせることにより、この組み合わせによる相乗効果として、高温環境下で保存後の出力が大きい非水電解質蓄電素子を得られたものと考えられる。
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車などの電源として使用される非水電解質蓄電素子などに適用できる。
1 非水電解質蓄電素子
2 電極体
3 容器
4 正極端子
41 正極リード
5 負極端子
51 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置

Claims (4)

  1. 第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質を準備することと、
    セパレータを有する電極体を準備することと、
    上記電極体及び上記非水電解質を容器に収容して未充電蓄電素子を組み立てることと、
    上記未充電蓄電素子を初期充電することと
    を備え、
    上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、
    上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、
    上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.060mol/dm以上であり、
    上記未充電蓄電素子において、上記非水電解質における上記第2添加剤の含有量が0.005mol/dm以上であり、
    上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である非水電解質蓄電素子の製造方法。
  2. 上記第1添加剤がエチレンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4,5-ペンテンサルフェート又はこれらの組み合わせであり、
    上記第2添加剤がリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-ト、1,3-プロペンスルトン又はこれらの組み合わせである請求項1に記載の非水電解質蓄電素子の製造方法。
  3. 第1添加剤及び第2添加剤を含有する非水電解質と、
    セパレータと
    を備え、
    上記第1添加剤が環状硫酸エステルであり、
    上記第2添加剤の還元分解電位が1.0V vs.Li/Liより貴であり、
    上記非水電解質における上記第1添加剤の含有量が0.012mol/dm以上であり、
    上記セパレータの透気度が70秒/100cm以下である非水電解質蓄電素子。
  4. 上記第1添加剤がエチレンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4,5-ペンテンサルフェート又はこれらの組み合わせであり、
    上記第2添加剤がリチウムビス(オキサレ-ト)ボレ-ト、1,3-プロペンスルトン又はこれらの組み合わせである請求項3に記載の非水電解質蓄電素子。
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