TW201737533A - 非水系鋰型蓄電元件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種非水系鋰型蓄電元件,其係於正極含有鋰化合物者,並且減少因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失,高負載充放電循環特性優異。本發明之非水系鋰型蓄電元件係具有含有正極活性物質以外之鋰化合物之正極、負極、分隔件、及含有鋰離子之非水系電解液者,並且上述正極具有正極集電體、與設置於上述正極集電體之單面或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層,上述負極具有負極集電體、與設置於上述負極集電體之單面或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層,於將上述正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C[ppm]時,2≦C≦300,於將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質以外之上述鋰化合物之單位面積重量設為D[g/m2],將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質之單位面積重量設為E[g/m2]時,1.0≦D≦15,10≦E≦100,0.2≦C/D≦38,且0.1≦C/E≦7.2。
Description
本發明係關於一種非水系鋰型蓄電元件。
近年來,就以保護地球環境及節省資源為目標之有效利用能源之觀點而言,風力發電之電力平滑化系統或深夜電力儲存系統、基於太陽光發電技術之家庭用分散型蓄電系統、電動汽車用之蓄電系統等受到關注。 該等蓄電系統所使用之電池之第一要求事項為能量密度較高。作為能夠應對此種要求之高能量密度電池之有力候補,業界正積極地推進鋰離子電池之開發。 第二要求事項為輸出特性較高。例如對於高效率引擎與蓄電系統之組合(例如油電混合車)或燃料電池與蓄電系統之組合(例如燃料電池電動汽車),要求加速時發揮出較高之輸出放電特性之蓄電系統。 目前,作為高輸出蓄電裝置,開發有電雙層電容器、鎳氫電池等。 電雙層電容器中將活性碳用於電極者具有0.5~1 kW/L左右之輸出特性。該電雙層電容器不僅輸出特性較高,而且耐久性(循環特性及高溫保存特性)亦較高,一直被認為係最適於要求上述高輸出之領域的裝置。但是,其能量密度僅為1~5 Wh/L左右。因此,需要進一步提高能量密度。 另一方面,目前油電混合車通常所採用之鎳氫電池具有與電雙層電容器同等之高輸出,且具有160 Wh/L左右之能量密度。然而,業界正積極地推進用以更進一步提高其能量密度及輸出特性並且提高耐久性(尤其是高溫下之穩定性)之研究。 又,對於鋰離子電池,亦正進行適於高輸出化之研究。例如,開發出於放電深度(即,蓄電元件之放電量相對於放電電容之比率(%))50%下獲得超過3 kW/L之高輸出的鋰離子電池。但是,其能量密度為100 Wh/L以下,為強行抑制作為鋰離子電池之最大特徵之高能量密度的設計。又,其耐久性(循環特性及高溫保存特性)遜於電雙層電容器。因此,為了使此種鋰離子電池具有實用上之耐久性,於放電深度小於0~100%之範圍的範圍內使用。實際可使用之電容變得更小,因而業界正積極地推進用以更進一步提高耐久性之研究。 如上所述,業界強烈謀求兼具高能量密度、高輸出特性、及高耐久性之蓄電元件之實用化。但是,上述之現有之蓄電元件各有長短。因此,謀求滿足該等技術要求之新穎蓄電元件。作為其有力之候補,稱為鋰離子電容器之蓄電元件受到關注,業界正盛行其之開發。 鋰離子電容器係使用含有鋰鹽之非水系電解液的蓄電元件(以下,亦稱為「非水系鋰型蓄電元件」)之一種,且係於正極中於約3 V以上之條件下藉由與電雙層電容器相同之利用陰離子之吸附及脫附所進行之非法拉第反應,於負極中藉由與鋰離子電池相同之利用鋰離子之吸藏及釋放所進行之法拉第反應,而進行充放電之蓄電元件。 若總結通常用於上述蓄電元件之電極材料與其特徵,則一般而言,於將活性碳等材料用於電極,藉由活性碳表面之離子之吸附及脫離(非法拉第反應)而進行充放電之情形時,雖然可獲得高輸出及高耐久性,但能量密度會變低(例如設為1倍)。另一方面,於將氧化物或碳材料用於電極,藉由法拉第反應進行充放電之情形時,雖然能量密度會變高(例如設為使用活性碳之非法拉第反應之10倍),但於耐久性及輸出特性方面存在課題。 作為該等電極材料之組合,電雙層電容器係以將活性碳(能量密度1倍)用於正極及負極,正負極均藉由非法拉第反應進行充放電為特徵,因此具有雖然具有高輸出及高耐久性但能量密度較低(正極1倍×負極1倍=1)之特徵。 鋰離子二次電池係以將鋰過渡金屬氧化物(能量密度10倍)用於正極,且將碳材料(能量密度10倍)用於負極,正負極均藉由法拉第反應進行充放電為特徵,因此雖然具有高能量密度(正極10倍×負極10倍=100),但於輸出特性及耐久性方面存在課題。進而,為了滿足油電混合車等所要求之高耐久性,必須限制放電深度,對於鋰離子二次電池而言,僅能使用其能量之10~50%。 鋰離子電容器係以將活性碳(能量密度1倍)用於正極,且將碳材料(能量密度10倍)用於負極,於正極藉由非法拉第反應且於負極藉由法拉第反應進行充放電為特徵,因此為兼具電雙層電容器及鋰離子二次電池之特徵的非對稱電容器。而且,鋰離子電容器具有如下特徵:為高輸出且高耐久性,並且具有高能量密度(正極1倍×負極10倍=10),無需如鋰離子二次電池般限制放電深度。 專利文獻1中提出有如下之鋰離子二次電池,其使用使正極中含有碳酸鋰之正極,且具有根據電池內壓上升而作動之電流斷路機構。專利文獻2中提出有如下之鋰離子二次電池,其將鋰錳酸等鋰複合氧化物用於正極,藉由使正極含有碳酸鋰而抑制錳之溶出。專利文獻3中提出有於正極將作為可氧化物之各種鋰化合物進行氧化,而使劣化之蓄電元件之電容恢復之方法。於專利文獻4中提出有藉由於正極之含有鋰及鎳之複合氧化物中添加碳酸鋰而抑制伴隨充放電循環之電容劣化,使初期電容增加的方法。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開平4-328278號公報 [專利文獻2]日本專利特開2001-167767號公報 [專利文獻3]日本專利第5278467號公報 [專利文獻4]日本專利特開2001-84998號公報
[發明所欲解決之問題] 然而,於該等先前之方法中,並未考慮到因鋰化合物殘存於正極中而引起之高溫環境下之蓄電元件之電壓降低引起之能量損失或因正極中之鋰化合物之分解所致之電阻上升,關於高負載充放電循環特性、高溫耐久性具有進一步改善之餘地。 本發明係鑒於以上現狀而完成者。因此,於一實施形態中,本發明所欲解決之課題之一在於提供一種非水系鋰型蓄電元件,其係於正極含有鋰化合物者,並且減少因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失,高負載充放電循環特性優異。於一實施形態中,本發明所欲解決之課題之一在於提供一種顯示出較高之輸入輸出特性與優異之高負載充放電循環特性、高溫保存耐久性之非水系鋰型蓄電元件。 [解決問題之技術手段] 本發明係基於該知識見解而完成者。即,本發明如以下所述。 [1] 一種非水系鋰型蓄電元件,其係具有含有正極活性物質以外之鋰化合物之正極、負極、分隔件、及含有鋰離子之非水系電解液者,並且 上述正極具有正極集電體、與設置於上述正極集電體之單面或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層, 上述負極具有負極集電體、與設置於上述負極集電體之單面或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層, 於將上述正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C(ppm)時,2≦C≦300, 於將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質以外之上述鋰化合物之單位面積重量設為D(g/m2
),將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質之單位面積重量設為E(g/m2
)時,1.0≦D≦15,10≦E≦100,0.2≦C/D≦38,且0.1≦C/E≦7.2。 [2] 如項目1所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述鋰化合物為碳酸鋰。 [3] 如項目1或2所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述濃度C為2.5≦C≦300。 [4] 如項目1至3中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中0.01≦D/E≦0.52。 [5] 如項目1至4中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於正極表面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,將以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A1
為40%以上且99%以下。 [6] 如項目1至5中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於經BIB加工之正極剖面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A2
為10%以上且60%以下。 [7] 如項目1至6中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中對於上述非水系鋰型蓄電元件,於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以電流值200 C之速率進行60,000次充放電循環,繼而進行4.5 V之恆定電壓充電1小時後,將此時之靜電電容設為Fe(F),將上述充放電循環前之靜電電容設為F(F)時,滿足以下之(h): (h)Fe/F為1.01以上。 [8] 如項目1至7中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其使用如下之正極前驅體,該正極前驅體具有含有包含活性碳之正極活性物質及上述正極活性物質以外之鋰化合物之正極活性物質層,並且上述正極前驅體之上述正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度C0
(ppm)為20≦C0
≦1300 ppm,上述正極前驅體之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物之單位面積重量D0
(g/m2
)為8.0≦D0
≦50.0,上述正極前驅體之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質之單位面積重量E0
(g/m2
)為10≦E0
≦100,0.2≦C0
/D0
≦38,0.1≦C0
/E0
≦7.2。 [9] 如項目1至8中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述負極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C1
(ppm), 將上述電解液中所含之Na及/或K元素之濃度設為C2
(ppm)時, 1.00≦C1
/C2
≦15.00, 上述鋰化合物為選自碳酸鋰、氧化鋰、氫氧化鋰、氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、氮化鋰、草酸鋰、及乙酸鋰中之1種以上,且 於將上述鋰化合物之平均粒徑設為X1
時,0.1 μm≦X1
≦10 μm,於將上述正極活性物質之平均粒徑設為Y1
時,2 μm≦Y1
≦20 μm,X1
<Y1
,上述正極中所含之鋰化合物之量以上述正極活性物質層之總質量作為基準而為1質量%以上且50質量%以下。 [10]如項目9所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於上述正極活性物質層之固態7
Li-NMR光譜中,由-40 ppm~40 ppm下之波峰之面積所計算之鋰量為10.0×10-4
mol/g以上且300×10-4
mol/g以下。 [11] 如項目9或10所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液含有選自碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯、碳酸伸乙烯酯及氟化碳酸乙二酯中之至少1種有機溶劑。 [12] 如項目9至11中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液含有LiPF6
及LiBF4
中之至少1種。 [13] 如項目9至12中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液中之LiN(SO2
F)2
之濃度以上述非水系電解液之總量作為基準而為0.3 mol/L以上且1.5 mol/L以下。 [14] 如項目9至13中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極集電體及上述負極集電體係無貫通孔之金屬箔。 [15] 如項目9至14中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於如項目1至13中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件中,將單元電壓4 V下之初期之內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將電量設為E(Wh),將收納有電極積層體之外裝體之體積設為V(L)時,滿足以下之(a)及(b): (a)Ra與F之積Ra・F為0.3以上且3.0以下、 (b)E/V為15以上且50以下。 [16] 如項目9至15中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將單元電壓4 V下之初期之內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月後之25℃下之內部電阻設為Rd(Ω),將於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以300 C之速率進行充放電循環60,000次後之內部電阻設為Re(Ω)時,滿足以下之(e)及(g): (e)Rd/Ra為0.9以上且3.0以下、 (g)Re/Ra為0.9以上且2.0以下。 [17] 如項目1至16中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質含有可吸藏及釋放鋰離子之碳材料, 上述正極活性物質含有活性碳, 上述正極以上述正極活性物質層之總質量作為基準,含有1質量%以上且50質量%以下之上述正極活性物質以外之鋰化合物, 上述非水系電解液之Al濃度為1 ppm以上且300 ppm以下。 [18] 如項目17所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液進而含有如下鋰鹽: (A)LiPF6
、及LiBF4
中之至少1種、以及 (B)LiN(SO2
F)2
、LiN(SO2
CF3
)2
、及LiN(SO2
C2
F5
)2
中之至少1種。 [19] 如項目18所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於以上述非水系電解液之總量作為基準,將上述(A)之合計莫耳濃度設為MA
(mol/L),將上述(B)之合計莫耳濃度設為MB
(mol/L)時,莫耳濃度比MA
/(MA
+MB
)為1/10以上且9/10以下之範圍。 [20] 如項目19所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述鋰鹽之莫耳濃度比MA
/MB
為2/10以上且6/10以下之範圍。 [21] 如項目18至20中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述(B)之合計莫耳濃度MB
(mol/L)為0.1 mol/L以上且1.5 mol/L以下。 [22] 如項目18至21中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述(A)為LiPF6
,上述(B)為LiN(SO2
F)2
。 [23] 如項目17至22中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物之平均粒徑設為X1
時,0.1 μm≦X1
≦10 μm。 [24] 如項目17至23中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物為碳酸鋰。 [25] 如項目17至24中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F)時,滿足: (a)Ra與F之積Ra・F為0.3以上且3.0以下。 [26] 如項目17至25中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月後之常溫放電內部電阻設為Rd(Ω)時,滿足以下: (e)Rd/Ra為0.9以上且3.0以下、 (f)於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量於25℃下為30×10-3
cc/F以下。 [27] 如項目17至26中任一項所記載之上述非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以300 C之速率進行充放電循環60,000次後之常溫放電內部電阻設為Re(Ω)時,滿足: (g)Re/Ra為0.9以上且2.0以下。 [28] 如項目1至27中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質層所含之上述正極活性物質係於藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1
(cc/g),將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2
(cc/g)時,滿足0.3<V1
≦0.8及0.5≦V2
≦1.0,且藉由BET法所測得之比表面積顯示1,500 m2
/g以上且3,000 m2
/g以下之活性碳。 [29] 如項目1至27中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質層所含之上述正極活性物質係於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1
(cc/g),將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2
(cc/g)時,滿足0.8<V1
≦2.5、及0.8<V2
≦3.0,且藉由BET法所測得之比表面積顯示2,300 m2
/g以上且4,000 m2
/g以下之活性碳。 [30] 如項目1至29中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之鋰離子之摻雜量相對於上述負極活性物質之單位質量而為530 mAh/g以上且2,500 mAh/g以下。 [31] 如項目1至30中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之BET比表面積為100 m2
/g以上且1,500 m2
/g以下。 [32] 如項目1至29中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之鋰離子之摻雜量相對於上述負極活性物質之單位質量而為50 mAh/g以上且700 mAh/g以下。 [33] 如項目1至29、及32中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之BET比表面積為1 m2
/g以上且50 m2
/g以下。 [34] 如項目1至29、32、及33中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之平均粒徑為1 μm以上且10 μm以下。 [35] 一種蓄電模組,其使用如項目1至34中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [36] 一種電力再生系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [37] 一種電力負載平準化系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [38] 一種不斷電電源系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [39] 一種非接觸供電系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [40] 一種能量採集系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [41] 一種蓄電系統,其使用如項目1至35中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。 [發明之效果] 根據本發明,於一實施形態中,可提供一種非水系鋰型蓄電元件,其係於正極含有鋰化合物者,並且減少因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失,高負載充放電循環特性優異。於一實施形態中,可提供一種顯示出較高之輸入輸出特性及優異之高負載充放電循環特性、高溫保存耐久性之非水系鋰型蓄電元件。
以下,對本發明之實施形態(以下稱為「本實施形態」)進行詳細說明,但本發明並不限定於本實施形態。本實施形態之各數值範圍內之上限值及下限值可任意地組合而構成任意之數值範圍。 非水系鋰型蓄電元件一般以正極、負極、分隔件、及電解液作為主要構成要素。作為電解液,使用含有鋰離子之有機溶劑(以下亦稱為「非水系電解液」)。 <正極> 本實施形態之正極具有正極集電體、與設置於其單面或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層。 本實施形態之正極較佳為含有鋰化合物作為組裝蓄電元件前之正極前驅體。如下所述,於本實施形態中,較佳為於組裝蓄電元件時對負極預摻雜鋰離子。作為本實施形態之預摻雜方法,較佳為於使用含有鋰化合物之正極前驅體、負極、分隔件、及非水系電解液而組裝蓄電元件後,對正極前驅體與負極之間施加電壓。鋰化合物較佳為含有於形成於正極前驅體之正極集電體上之正極活性物質層內。 於本案說明書中,將鋰摻雜前之正極定義為「正極前驅體」,將鋰摻雜後之正極定義為「正極」。 [正極活性物質層] 正極活性物質層含有正極活性物質,此外,亦可視需要含有導電性填料、黏結劑、及分散穩定劑等任意成分。正極活性物質較佳為含有碳材料。 正極前驅體之正極活性物質層較佳為含有鋰化合物。 [正極活性物質] 正極活性物質較佳為含有碳材料。作為碳材料,較佳可列舉奈米碳管、導電性高分子、及多孔性之碳材料,進而較佳為活性碳。正極活性物質可混合含有2種以上之材料,亦可含有碳材料以外之材料、例如鋰與過渡金屬之複合氧化物等。 碳材料相對於正極活性物質之合計質量的含有率較佳為50質量%以上,更佳為70質量%以上。碳材料之含有率亦可為100質量%,然而,就良好地獲得因與其他材料併用而產生之效果之觀點而言,例如較佳為90質量%以下,亦可為80質量%以下。 於使用活性碳作為正極活性物質之情形時,活性碳之種類及其原料並無特別限制。但是,為了同時實現較高之輸入輸出特性、與較高之能量密度,較佳為將活性碳之細孔控制為最佳。具體而言,於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1
(cc/g),且將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2
(cc/g)時, 較佳為(1)為了獲得較高之輸入輸出特性而滿足0.3<V1
≦0.8、及0.5≦V2
≦1.0,且藉由BET法所測得之比表面積為1,500 m2
/g以上且3,000 m2
/g以下之活性碳(以下,亦稱為「活性碳1」),又, 較佳為(2)為了獲得較高之能量密度而滿足0.8<V1
≦2.5、及0.8<V2
≦3.0,且藉由BET法所測得之比表面積為2,300 m2
/g以上且4,000 m2
/g以下之活性碳(以下,亦稱為「活性碳2」)。 以下,對於(1)活性碳1及(2)活性碳2,個別地依序進行說明。 (活性碳1) 活性碳1之中孔量V1
就增大將正極材料組入至蓄電元件時之輸入輸出特性之方面而言,較佳為大於0.3 cc/g之值。就抑制正極之鬆密度之降低之方面而言,活性碳1之V1
較佳為0.8 cc/g以下。活性碳1之V1
更佳為0.35 cc/g以上且0.7 cc/g以下,進而較佳為0.4 cc/g以上且0.6 cc/g以下。 為了增大活性碳之比表面積而使電容增加,活性碳1之微孔量V2
較佳為0.5 cc/g以上。就抑制活性碳之體積,使作為電極之密度增加,而使每單位體積之電容增加之方面而言,活性碳1之V2
較佳為1.0 cc/g以下。活性碳1之V2
更佳為0.6 cc/g以上且1.0 cc/g以下,進而較佳為0.8 cc/g以上且1.0 cc/g以下。 活性碳1之中孔量V1
相對於微孔量V2
之比(V1
/V2
)較佳為0.3≦V1
/V2
≦0.9之範圍。即,就以能夠維持高電容並且抑制輸出特性降低之程度增大中孔量相對於微孔量之比例之方面而言,活性碳1之V1
/V2
較佳為0.3以上。就以能夠維持高輸出特性並且抑制電容降低之程度增大微孔量相對於中孔量之比例之方面而言,活性碳1之V1
/V2
較佳為0.9以下。活性碳1之V1
/V2
之範圍更佳為0.4≦V1
/V2
≦0.7,進而較佳為0.55≦V1
/V2
≦0.7。 就使所獲得之蓄電元件之輸出增大之方面而言,活性碳1之平均細孔徑較佳為17 Å以上,更佳為18 Å以上,進而較佳為20 Å以上。又,就使電容增大之方面而言,活性碳1之平均細孔徑較佳為25 Å以下。 活性碳1之BET比表面積較佳為1,500 m2
/g以上且3,000 m2
/g以下,更佳為1,500 m2
/g以上且2,500 m2
/g以下。於活性碳1之BET比表面積為1,500 m2
/g以上之情形時,容易獲得良好之能量密度,另一方面,於活性碳1之BET比表面積為3,000 m2
/g以下之情形時,無需為了保持電極之強度而大量地加入黏合劑,因此相對於電極體積之性能變高。 具有如上所述之特徵的活性碳1例如可使用以下所說明之原料及處理方法而獲得。 於本實施形態中,用作活性碳1之原料的碳源並無特別限定。作為活性碳1之碳源,例如可列舉:木材、木粉、椰子殼、製造紙漿時之副產物、甘蔗渣、赤糖蜜等植物系原料;泥炭、褐煤、褐炭、瀝青煤、無煙煤、石油蒸餾殘渣成分、石油瀝青、焦炭、煤焦油等化石系原料;酚樹脂、氯乙烯樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、三聚氰胺樹脂、脲樹脂、間苯二酚樹脂、賽璐珞、環氧樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂等各種合成樹脂;聚丁烯、聚丁二烯、聚氯戊二烯等合成橡膠;其他之合成木材、合成紙漿等、及該等之碳化物。該等原料中,就量產應對及成本之觀點而言,較佳為椰子殼、木粉等植物系原料、及此等之碳化物,尤佳為椰子殼碳化物。 作為用以由該等之原料製作活性碳1之碳化及活化之方式,例如可採用:固定床方式、移動床方式、流動床方式、漿料方式、旋轉窯方式等已知方式。 作為該等原料之碳化方法,可列舉:使用氮氣、二氧化碳、氦氣、氬氣、氙氣、氖氣、一氧化碳、燃燒排氣等惰性氣體、或以該等惰性氣體作為主成分之與其他氣體之混合氣體,於400~700℃、較佳為450~600℃左右之溫度下煅燒30分鐘~10小時左右之方法。 作為藉由上述碳化方法而獲得之碳化物之活化方法,較佳為採用使用水蒸汽、二氧化碳、氧氣等活化氣體進行煅燒之氣體活化法。更佳為使用水蒸汽或二氧化碳作為活化氣體之方法。 於該活化方法中,較佳為一邊以0.5~3.0 kg/h、較佳為0.7~2.0 kg/h之比例供給活化氣體,一邊以3~12小時、較佳為5~11小時、進而較佳為6~10小時將碳化物升溫至800~1,000℃而進行活化。 進而,亦可於碳化物之活化處理之前,預先將碳化物進行1次活化。於該1次活化中,通常較佳為使用水蒸汽、二氧化碳、氧氣等活化氣體,將碳材料於未達900℃之溫度下進行煅燒而進行氣體活化。 藉由將碳化方法中之煅燒溫度及煅燒時間、與活化方法中之活化氣體供給量、升溫速度及最高活化溫度適當加以組合,可製造出於本實施形態中較佳之具有上述特徵之活性碳1。 活性碳1之平均粒徑較佳為2~20 μm。若活性碳1之平均粒徑為2 μm以上,則由於活性物質層之密度較高,故而有相對於電極體積之電容變高之傾向。若活性碳1之平均粒徑較小,則有耐久性變低之情況,但若平均粒徑為2 μm以上,則耐久性不易降低。若活性碳1之平均粒徑為20 μm以下,則有變得容易適於高速充放電之傾向。活性碳1之平均粒徑更佳為2~15 μm,進而較佳為3~10 μm。 (活性碳2) 就增大將正極材料組入至蓄電元件時之輸出特性之觀點而言,活性碳2之中孔量V1
較佳為大於0.8 cc/g之值,另一方面,就抑制蓄電元件之電容之降低之觀點而言,較佳為2.5 cc/g以下。活性碳2之V1
更佳為1.00 cc/g以上且2.0 cc/g以下,進而較佳為1.2 cc/g以上且1.8 cc/g以下。 為了增大活性碳之比表面積而使電容增加,活性碳2之微孔量V2
較佳為大於0.8 cc/g之值。就使活性碳之作為電極之密度增加,而使每單位體積之電容增加之觀點而言,活性碳2之V2
較佳為3.0 cc/g以下。活性碳2之V2
更佳為大於1.0 cc/g且為2.5 cc/g以下,進而較佳為1.5 cc/g以上且2.5 cc/g以下。 具有上述之中孔量及微孔量的活性碳2係BET比表面積高於先前作為電雙層電容器或鋰離子電容器用而使用之活性碳者。作為活性碳2之BET比表面積之具體值,較佳為3,000 m2
/g以上且4,000 m2
/g以下,更佳為3,200 m2
/g以上且3,800 m2
/g以下。於活性碳2之BET比表面積為3,000 m2
/g以上之情形時,容易獲得良好之能量密度,於活性碳2之BET比表面積為4,000 m2
/g以下之情形時,無需為了保持電極之強度而大量地加入黏合劑,因此相對於電極體積之性能變高。 具有如上所述之特徵的活性碳2可使用例如以下所說明之原料及處理方法而獲得。 作為用作活性碳2之原料的碳質材料,只要為通常用作活性碳原料之碳源,則無特別限定,例如可列舉:木材、木粉、椰子殼等植物系原料;石油瀝青、焦炭等化石系原料;酚樹脂、呋喃樹脂、氯乙烯樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、三聚氰胺樹脂、脲樹脂、間苯二酚樹脂等各種合成樹脂等。該等原料中,酚樹脂、及呋喃樹脂適合製作高比表面積之活性碳2,故而尤佳。 作為將該等原料進行碳化之方式、或者活化處理時之加熱方法,例如可列舉:固定床方式、移動床方式、流動床方式、漿料方式、旋轉窯方式等公知方式。加熱時之環境係使用氮氣、二氧化碳、氦氣、氬氣等惰性氣體、或以該等惰性氣體作為主成分而與其他氣體混合而成之氣體。通常為於碳化溫度為400~700℃左右、以碳化時間為0.5~10小時左右進行煅燒之方法。 作為碳化處理後之碳化物之活化方法,可列舉:使用水蒸汽、二氧化碳、氧氣等活化氣體進行煅燒之氣體活化法、及於與鹼金屬化合物混合後進行加熱處理之鹼金屬活化法。對於製作高比表面積之活性碳而言,較佳為鹼金屬活化法。 於該活化方法中,較佳為以碳化物與KOH、NaOH等鹼金屬化合物之質量比成為1:1以上(鹼金屬化合物之量為與碳化物相同之量或高於其之量)之方式進行混合後,於惰性氣體環境下於600~900℃之範圍內加熱0.5~5小時,其後利用酸及水將鹼金屬化合物洗淨除去,進而進行乾燥。 碳化物與鹼金屬化合物之質量比(=碳化物:鹼金屬化合物)較佳為1:1以上。由於有鹼金屬化合物之量越增多,則中孔量越增多,以質量比1:3.5附近為界孔量急遽增多之傾向,故而較佳為自質量比1:3增加鹼金屬化合物,較佳為1:5.5以下。雖然質量比係鹼金屬化合物越增多則孔量越多,但考慮到其後之洗淨等之處理效率,較佳為1:5.5以下。 為了增多微孔量且不增多中孔量,於活化時使碳化物之量更多而與KOH進行混合即可。為了增多微孔量及中孔量之兩者,使KOH之量更多即可。為了主要增多中孔量,較佳為於進行鹼活化處理後進行水蒸汽活化。 活性碳2之平均粒徑較佳為2 μm以上且20 μm以下,更佳為3 μm以上且10 μm以下。 (活性碳之使用態樣) 活性碳1及2可分別為單一之活性碳,亦可為2種以上之活性碳之混合物,且混合物整體顯示出上述特徵。 活性碳1及2可選擇該等中之任一者而使用,亦可將兩者混合而使用。 正極活性物質亦可含有活性碳1及2以外之材料、例如不具有上述特定之V1
及/或者V2
之活性碳,或活性碳以外之材料、例如鋰與過渡金屬之複合氧化物等。於例示之態樣中,活性碳1之含量、或活性碳2之含量、或活性碳1及2之合計含量較佳為分別高於全部正極活性物質之50質量%,更佳為70質量%以上,進而較佳為90質量%以上,進而更佳為100質量%。 正極活性物質層中之正極活性物質之含有比率以正極前驅體中之正極活性物質層之總質量作為基準,較佳為35質量%以上且95質量%以下。作為正極活性物質之含有比率之下限,更佳為45質量%以上,進而較佳為55質量%以上。作為正極活性物質之含有比率之上限,更佳為90質量%以下,進而較佳為85質量%以下。藉由將正極活性物質之含有比率設為該範圍,發揮出適宜之充放電特性。 (鋰化合物) 於本案說明書中,所謂「鋰化合物」係指既非正極活性物質且亦非有時因充放電而沈積於正極活性物質層之含鋰沈積物的鋰化合物。 作為上述鋰化合物,可列舉下述鋰摻雜時能夠於正極分解而釋放鋰離子之鋰化合物,例如可列舉選自碳酸鋰、氧化鋰、氫氧化鋰、氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、氮化鋰、草酸鋰、及乙酸鋰中之1種以上。其中,更佳為能夠吸附電解液中之氟離子之鋰化合物,例如更佳為碳酸鋰、氧化鋰、及氫氧化鋰。就能夠於空氣中使用且吸濕性較低之觀點而言,進而較佳為碳酸鋰。此種鋰化合物由於藉由施加電壓會分解,而作為向負極之鋰摻雜之摻雜劑源發揮機能,並且於正極活性物質層形成空孔,故而可形成電解液之保持性優異且離子傳導性優異之正極。 [正極前驅體之鋰化合物] 鋰化合物較佳為粒子狀。正極前驅體所含有之鋰化合物之平均粒徑較佳為0.1 μm以上且100 μm以下。作為正極前驅體所含有之鋰化合物之平均粒徑之上限,更佳為50 μm以下,進而較佳為20 μm以下,最佳為10 μm以下。作為正極前驅體所含有之鋰化合物之平均粒徑之下限,更佳為0.3 μm以上,進而較佳為0.5 μm以上。若鋰化合物之平均粒徑為0.1 μm以上,則正極中之鋰化合物之氧化反應後殘留之空孔具有對於保持電解液而言充分之容積,因此高負載充放電特性提高。若鋰化合物之平均粒徑為100 μm以下,則鋰化合物之表面積不會變得過小,因此可確保鋰化合物之氧化反應之速度。鋰化合物之平均粒徑之範圍之上限與下限可任意地組合。 鋰化合物之微粒子化可使用各種方法。例如可使用:球磨機、珠磨機、環輥磨機、噴射磨機、棒磨機等粉碎機。 正極前驅體之正極活性物質層中之鋰化合物之含有比率以正極前驅體中之正極活性物質層之總質量作為基準,較佳為5質量%以上且60質量%以下,更佳為10質量%以上且50質量%以下。藉由設為該範圍之含有比率,可作為向負極之摻雜劑源而發揮適宜之機能,並且對正極賦予適當程度之多孔性,兩者相互作用而可提供高負載充放電效率優異之蓄電元件,故而較佳。該含有比率之範圍之上限與下限可任意組合。 [正極之鋰化合物及正極活性物質之平均粒徑] 較佳為於將正極所含之鋰化合物之平均粒徑設為X1
時,0.1 μm≦X1
≦10 μm,於將正極活性物質之平均粒徑設為Y1
時,2 μm≦Y1
≦20 μm,X1
<Y1
。進而較佳為0.5 μm≦X1
≦5 μm,3 μm≦Y1
≦10 μm。於X1
為0.1 μm以上之情形時,藉由鋰化合物吸附高負載充放電循環中所生成之氟離子,高負載充放電循環特性提高。於X1
為10 μm以下之情形時,鋰化合物與高負載充放電循環中所生成之氟離子之反應面積增加,故而可高效率地進行氟離子之吸附。於Y1
為2 μm以上之情形時,可確保正極活性物質間之電子傳導性。於Y1
為20 μm以下之情形時,由於與電解質離子之反應面積增加,故而可表現出較高之輸出特性。於X1
<Y1
之情形時,由於碳酸鋰會填充正極活性物質間所產生之間隙,故而可確保正極活性物質間之電子傳導性,並且提高能量密度。 X1
及Y1
之測定方法並無特別限定,可根據正極剖面之SEM圖像、及SEM-EDX圖像而算出。於正極剖面之形成方法中,可使用如下之BIB加工:自正極上部照射氬束,沿著設置於試樣正上方之遮蔽板之端部而製作平滑之剖面。於使正極含有碳酸鋰之情形時,亦可藉由測定正極剖面之拉曼成像而求出碳酸根離子之分佈。 再者,關於上述之V1
之上限值與下限值、及V2
之上限值與下限值,可分別任意地組合。於本說明書中,關於除此以外之構成要件彼此之上限值與下限值之組合亦同樣。 (鋰化合物與正極活性物質之判別方法) 鋰化合物及正極活性物質可根據氧分佈分析進行判別,該氧分佈分析係由將觀察倍率設為1000倍~4000倍而測得之正極剖面之SEM-EDX圖像所獲得。關於SEM-EDX圖像之測定方法,較佳為以無亮度達到最大亮度之像素,亮度之平均值處於亮度40%~60%之範圍之方式調整亮度及對比度。對於所獲得之氧分佈分析,將含有面積50%以上之以亮度之平均值作為基準進行二值化之明部的粒子設為鋰化合物。 (X1
及Y1
之算出方法) X1
及Y1
可藉由如下方式求出:於與上述正極剖面SEM同一視野中進行測定,對由所測得之正極剖面SEM-EDX所獲得之圖像進行圖像分析。於上述正極剖面之SEM圖像中判別出鋰化合物之粒子X,將其以外之粒子設為正極活性物質之粒子Y,針對剖面SEM圖像中所觀察到之X及Y各自之全部粒子求出剖面積S,並根據下述式(7)進行計算而求出粒徑d(將圓周率設為π)。 d=2×(S/π)1/2
...式(7) 使用所獲得之粒徑d,根據下述式(8)求出體積平均粒徑X0
及Y0
。 X0
=Σ[4/3π×(d/2)3
×d]/Σ[4/3π×(d/2)3
] ...式(8) 改變正極剖面之視野測定5處以上,將各自之X0
及Y0
之平均值設為平均粒徑X1
及Y1
。 (正極之鋰化合物量) 正極含有之正極活性物質以外之鋰化合物之特徵在於,以正極之正極活性物質層之總質量作為基準而為1質量%以上且50質量%以下,更佳為2.5質量%以上且25質量%以下。若鋰化合物量為1質量%以上,則碳酸鋰會抑制高溫環境下之正極上之電解液溶劑之分解反應,因此高溫耐久性提高,當為2.5質量%以上時,該效果顯著。若鋰化合物量為50質量%以下,則正極活性物質間之電子傳導性受鋰化合物阻礙之程度相對較小,因此顯示出較高之輸入輸出特性,若為25質量%以下,則尤其就輸入輸出特性之觀點而言尤佳。再者,下限與上限之組合可為任意者。 正極之每一單面之正極活性物質中所含之正極活性物質以外之鋰化合物之單位面積重量D(g/m2
)為0.1以上且15以下。單位面積重量D較佳為0.5以上且10以下。若鋰化合物之單位面積重量D為0.1 g/m2
以上,則存在吸附高負載充放電循環中所生成之氟離子之充分量之碳酸鋰,因此高負載充放電循環特性提高。若鋰化合物之單位面積重量D為15 g/m2
以下,則可提高非水系鋰型蓄電元件之能量密度。 正極活性物質與鋰化合物一併含有鈉(Na)及/或鉀(K)元素。Na及/或K元素之濃度C為2 ppm以上且300 ppm以下。濃度C較佳為2.5 ppm以上且250 ppm以下,更佳為3 ppm以上且200 ppm以下。若濃度C為2 ppm以上,則可抑制因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失。若濃度C為300 ppm以下,則可抑制高負載充放電循環後之電容降低。正極活性物質可含有該等Na及K之元素中之任一者,亦可含有兩者。於正極活性物質含有Na及K之兩者之情形時,Na及K之合計濃度C為2 ppm以上且300 ppm以下即可。 正極之每一單面之正極活性物質中所含之正極活性物質之單位面積重量E(g/m2
)為10以上且100以下。單位面積重量E較佳為15以上且80以下。若正極活性物質之單位面積重量E為10 g/m2
以上,則可提高能量密度。若正極活性物質之單位面積重量E為10 g/m2
以下,則可低電阻化。 濃度C(ppm)與單位面積重量D(g/m2
)之比(C/D)為0.2以上且38以下。若C/D為0.2以上,則可藉由抑制Li離子自鋰化合物之溶出而抑制高溫高電壓下之電壓降低。若C/D為30以下,則鋰化合物可捕捉高負載充放電循環中所產生之氟離子,因此可抑制電容降低。 濃度C(ppm)與單位面積重量E(g/m2
)之比(C/E)較佳為0.1以上且3以下。若C/E為0.1以上,則鋰化合物可捕捉高負載充放電循環中所產生之氟離子,因此可抑制電容降低。若C/E為3以下,則正極中之活性物質比率提高,因此可提高能量密度。 若將非水系鋰型蓄電元件充電至例如4.0 V之高電壓,保管於60℃之高溫下,則會緩慢地引起電壓降低,使充電之能量損失。尤其,於正極含有鋰化合物之非水系鋰型蓄電元件中,因鋰自正極中之鋰化合物離子化而釋放於電解液中,而生成反應活性種,並與電解液或電解質反應,由此於正極充電之能量被消耗,電壓降低。 發明者等人發現,於正極含有鋰化合物之非水系鋰型蓄電元件中,藉由將含有選自Na及K中之至少1種元素之化合物添加至正極中,可抑制上述電壓降低。雖然原因並不確定,不受理論所限定,但認為,含有離子半徑大於鋰(Li)離子之Na及/或K等之陽離子之化合物可較Li離子使陽離子上之正電荷非定域化,因此容易離子化。認為其結果為,藉由抑制Li離子自鋰化合物之釋放而抑制反應活性種之生成,從而可抑制高溫高電壓狀態下之電壓降低。 作為添加Na及/或K之方法,並無特別限制,可列舉:將含有Na及/或K之化合物與鋰化合物混合粉碎並使其承載於正極前驅體之方法;藉由濺鍍或真空蒸鍍將含有Na及/或K之化合物塗佈於正極前驅體之方法;利用含有Na及/或K之溶液將正極活性物質進行處理後,製作正極前驅體之方法;藉由於電解液中溶解含有Na及/或K之鹽而於正極上進行氧化分解,而使其承載於正極之方法等。 Na及/或K之定量可藉由ICP-AES、原子吸光分析法、螢光X射線分析法、中性子放射化分析法、及下述ICP-MS等而算出。 正極之正極活性物質層中所含之鋰化合物若曝露於約4.0 V以上之高電位,則會緩慢地分解而氣體化,所產生之氣體會阻礙電解液中之離子之擴散,因此導致電阻上升。因此,較佳為於鋰化合物之表面形成包含含氟化合物之覆膜,抑制鋰化合物之反應。 於鋰化合物之表面形成包含含氟化合物之覆膜之方法並無特別限定,可列舉:使於高電位下分解之含氟化合物含有於電解液中,對非水系鋰型蓄電元件施加含氟化合物之分解電位以上之高電壓之方法;或施加分解溫度以上之溫度之方法等。 被覆於鋰化合物之表面之氟化合物之被覆率可由正極表面之SEM-EDX圖像中之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A1
與正極剖面之SEM-EDX圖像中之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A2
表示。 重合率A1
較佳為40%以上且99%以下。若重合率A1
為40%以上,則可抑制鋰化合物之分解。若重合率A1
為99%以下,則可確保正極附近為鹼性,因此高負載循環特性優異。 重合率A1
係藉由於正極表面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,算出以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率而求出。 SEM-EDX之元素分佈分析之測定條件並無特別限定,像素數較佳為128×128個像素~512×512個像素之範圍,較佳為以無亮度達到最大亮度之像素,亮度之平均值處於亮度40%~60%之範圍之方式調整亮度及對比度。 面積重合率A2
可藉由於經寬離子束(BIB)加工之正極剖面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,算出以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率而測定。所謂BIB加工係指自正極上部照射氬束,沿著設置於試樣正上方之遮蔽板之端部而製作平滑之剖面的加工。 重合率A2
較佳為10%以上且60%以下。若重合率A2
為10%以上,則可抑制鋰化合物之分解。若重合率A2
為60%以下,則為未氟化至鋰化合物之內部之狀態,因此可確保正極附近為鹼性,高負載循環特性優異。 (正極活性物質層之其他成分) 本實施形態之正極活性物質層除正極活性物質及鋰化合物以外,視需要亦可含有導電性填料、黏結劑、分散穩定劑等任意成分。 作為導電性填料,可列舉導電性高於正極活性物質之導電性碳質材料。作為導電性填料,例如較佳為科琴黑、乙炔黑、氣相生長碳纖維、石墨、奈米碳管、該等之混合物等。 正極活性物質層中之導電性填料之混合量相對於正極活性物質100質量份,較佳為超過0~20質量份,進而較佳為1~15質量份之範圍。就高輸入之觀點而言,正極活性物質層較佳為含有導電性填料。若正極活性物質層中之導電性填料之混合量為20質量份以下,則正極活性物質層中之正極活性物質之含有比率變多,可確保相對於正極活性物質層之體積之能量密度。 作為黏結劑,並無特別限定,例如可使用:PVdF(聚偏二氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、聚醯亞胺、乳膠、苯乙烯-丁二烯共聚物、氟橡膠、丙烯酸系共聚物等。黏結材之使用量相對於正極活性物質100質量份,較佳為1質量份以上且30質量份以下。更佳為3質量份以上且27質量份以下,進而較佳為5質量份以上且25質量份以下。若黏結劑之量為1質量%以上,則表現出充分之電極強度。另一方面,若黏結材之量為30質量份以下,則不會阻礙離子對正極活性物質之出入及擴散,表現出較高之輸入輸出特性。 作為分散穩定劑,並無特別限定,例如可使用:PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、PVA(聚乙烯醇)、纖維素衍生物等。黏結材之使用量相對於正極活性物質100質量份,較佳為超過0質量份且10質量份以下。若分散穩定劑之量為10質量份以下,則不會阻礙離子對正極活性物質之出入及擴散,表現出較高之輸入輸出特性。 [正極集電體] 作為構成本實施形態之正極集電體的材料,只要為電子傳導性較高、不易發生因向電解液之溶出及與電解質或離子之反應等所引起之劣化的材料,則無特別限制,較佳為金屬箔。作為本實施形態之非水系鋰型蓄電元件中之正極集電體,尤佳為鋁箔。 金屬箔可為不具有凹凸或貫通孔之通常之金屬箔,亦可為實施有壓紋加工、化學蝕刻、電解析出法、噴擊加工等之具有凹凸之金屬箔,亦可為多孔金屬網(expand metal)、穿孔金屬、蝕刻箔等具有貫通孔之金屬箔。 正極集電體之厚度只要能夠充分地保持正極之形狀及強度,則無特別限制,例如較佳為1~100 μm。 [正極前驅體之製造] 於本實施形態中,成為非水系鋰型蓄電元件之正極的正極前驅體可藉由已知之鋰離子電池、電雙層電容器等中之電極之製造技術而製造。例如可藉由將正極活性物質及鋰化合物、以及視需要使用之其他之任意成分分散或溶解至水或有機溶劑中,而製備漿料狀之塗敷液,將該塗敷液塗敷至正極集電體之單面或兩面上而形成塗膜,並將其加以乾燥,而獲得正極前驅體。進而,亦可對所獲得之正極前驅體進行加壓,而調整正極活性物質層之膜厚或鬆密度。或者,亦可採用如下方法:不使用溶劑,將正極活性物質及鋰化合物、以及視需要使用之其他之任意成分以乾式加以混合,並對所獲得之混合物進行加壓成型後,使用導電性接著劑將其貼附於正極集電體。 正極前驅體之塗敷液之調整亦可將含有正極活性物質之各種材料粉末之一部分或者全部進行乾摻,繼而追加水或有機溶劑及/或於此等中溶解或分散有黏結材或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質而進行調整。亦可向於水或有機溶劑中溶解或分散有黏結材或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質之中追加含有正極活性物質之各種材料粉末而進行調整。作為乾摻之方法,例如亦可使用球磨機等,將正極活性物質及鋰化合物、以及視需要之導電性填料加以預混合,而進行用以對導電性較低之鋰化合物塗佈導電材之預混合。藉此,於下述之鋰摻雜時,於正極前驅體中,鋰化合物變得容易分解。於將水用於塗敷液之溶劑之情形時,由於亦有因添加鋰化合物而塗敷液成為鹼性之情形,故而視需要亦可添加pH值調整劑。 溶解或分散方法並無特別限定,可適宜地使用:勻相分散機或多軸分散機、行星式混合機、薄膜回轉型高速混合機等分散機等。為了獲得良好之分散狀態之塗敷液,較佳為於周速1 m/s以上且50 m/s以下之條件下進行分散。若周速為1 m/s以上,則各種材料會良好地溶解或分散,故而較佳。若周速為50 m/s以下,則各種材料不易因由分散產生之熱或剪切力而破壞,而減少再凝集,故而較佳。 關於塗敷液之分散度,利用粒度計所測得之粒度較佳為0.1 μm以上且100 μm以下。作為分散度之上限,更佳為粒度為80 μm以下,進而較佳為粒度為50 μm以下。粒度為0.1 μm以上意味著含有正極活性物質之各種材料粉末不會於製作塗敷液時過度破碎。若粒度為100 μm以下,則產生噴出塗敷液時之堵塞或塗膜之條紋之情況較少,而可穩定地進行塗敷。 正極前驅體之塗敷液之黏度(ηb)較佳為1,000 mPa・s以上且20,000 mPa・s以下,更佳為1,500 mPa・s以上且10,000 mPa・s以下,進而較佳為1,700 mPa・s以上且5,000 mPa・s以下。若正極前驅體之塗敷液之黏度(ηb)為1,000 mPa・s以上,則會抑制形成塗膜時之滴液,可良好地控制塗膜寬度及厚度。若正極前驅體之塗敷液之黏度(ηb)為20,000 mPa・s以下,則使用塗敷機時之塗敷液之流道中之壓力損失較少,而可穩定地進行塗敷,又,可控制為所需之塗膜厚度以下。 正極前驅體之塗敷液之TI值(觸變指數值)較佳為1.1以上,更佳為1.2以上,進而較佳為1.5以上。若正極前驅體之塗敷液之TI值為1.1以上,則可良好地控制塗膜寬度及厚度。 正極前驅體之塗膜之形成方法並無特別限定,可適宜地使用模具塗佈機或刮刀塗佈機、刮塗機、凹版塗敷機等塗敷機。塗膜可塗敷單層而形成,亦可塗敷多層而形成。於塗敷多層之之情形時,亦可以塗膜各層內之鋰化合物之含量不同之方式調整塗敷液之組成。塗敷速度較佳為0.1 m/min以上且100 m/min以下,更佳為0.5 m/min以上且70 m/min以下,進而較佳為1 m/min以上且50 m/min以下。若塗敷速度為0.1 m/min以上,則可穩定地進行塗敷,若為100 m/min以下,則可充分地確保塗敷精度。 正極前驅體之塗膜之乾燥方法並無特別限定,可適宜地採用熱風乾燥或紅外線(IR)乾燥等乾燥方法。塗膜之乾燥可於單一溫度下進行乾燥,亦可多階段地改變溫度而進行乾燥。亦可將複數種乾燥方法組合而進行乾燥。乾燥溫度較佳為25℃以上且200℃以下,更佳為40℃以上且180℃以下,進而較佳為50℃以上且160℃以下。若乾燥溫度為25℃以上,則可使塗膜中之溶劑充分地揮發。若乾燥溫度為200℃以下,則可抑制因急速之溶劑揮發引起之塗膜皸裂破裂或因遷移引起之黏結材之偏集存在、正極集電體或正極活性物質層之氧化。 正極前驅體之加壓方法並無特別限定,可適宜地使用油壓加壓機、真空加壓機等加壓機。正極活性物質層之膜厚、鬆密度及電極強度可藉由下述加壓壓力、間隙、加壓部之表面溫度進行調整。加壓壓力較佳為0.5 kN/cm以上且20 kN/cm以下,更佳為1 kN/cm以上且10 kN/cm以下,進而較佳為2 kN/cm以上且7 kN/cm以下。若加壓壓力為0.5 kN/cm以上,則可充分提高電極強度。若加壓壓力為20 kN/cm以下,則正極前驅體上不易產生彎曲或皺褶,容易調整為正極活性物質層膜所需之膜厚或鬆密度。加壓輥彼此之間隙可以成為正極活性物質層所需之膜厚或鬆密度之方式根據乾燥後之正極前驅體膜厚而設定任意之值。加壓速度可以減少正極前驅體之彎曲或皺褶之方式設定為任意之速度。加壓部之表面溫度可為室溫,亦可視需要進行加熱。於進行加熱之情形時之加壓部之表面溫度之下限較佳為所使用之黏結材之熔點-60℃以上,更佳為黏結材之熔點-45℃以上,進而較佳為黏結材之熔點-30℃以上。於進行加熱之情形時之加壓部之表面溫度之上限較佳為所使用之黏結材之熔點+50℃以下,更佳為黏結材之熔點+30℃以下,進而較佳為黏結材之熔點+20℃以下。例如,於將PVdF(聚偏二氟乙烯:熔點150℃)用於黏結材之情形時,較佳為加熱至90℃以上且200℃以下,更佳為加熱至105℃以上且180℃以下,進而較佳為加熱至120℃以上且170℃以下。於將苯乙烯-丁二烯共聚物(熔點100℃)用於黏結材之情形時,較佳為加溫至40℃以上且150℃以下,更佳為加溫至55℃以上且130℃以下,進而較佳為加溫至70℃以上且120℃以下。 黏結材之熔點可根據DSC(Differential Scanning Calorimetry,示差掃描熱量分析)之吸熱波峰位置而求出。例如,使用PerkinElmer公司製造之示差掃描熱量計「DSC7」,將試樣樹脂10 mg設置於測定單元,於氮氣環境中,以10℃/分鐘之升溫速度自溫度30℃升溫至250℃,升溫過程中之吸熱波峰溫度成為熔點。 亦可一邊改變加壓壓力、間隙、速度、加壓部之表面溫度之條件,一邊實施複數次加壓。 正極活性物質層之厚度較佳為於正極集電體之每一單面為20 μm以上且200 μm以下。正極活性物質層之厚度更佳為於每一單面為25 μm以上且100 μm以下,進而較佳為30 μm以上且80 μm以下。若正極活性物質層之厚度為20 μm以上,則可表現出充分之充放電電容。若正極活性物質層之厚度為200 μm以下,則可將電極內之離子擴散阻力維持為較低。因此,若正極集電體層之厚度為20 μm以上且200 μm以下,則可獲得充分之輸出特性,並且縮小單元體積(cell volume),因而可提高能量密度。再者,正極集電體具有貫通孔或凹凸之情形時之正極活性物質層之所謂厚度係指正極集電體之不具有貫通孔或凹凸之部分之每一單面之正極活性物質層之厚度之平均值。 於將正極前驅體之正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C0
(ppm)時,20≦C0
≦1300 ppm,於將正極前驅體之每一單面之正極活性物質層中所含之正極活性物質以外之鋰化合物之單位面積重量設為D0
(g/m2
)時,8.0≦D0
≦50.0,於將正極前驅體之每一單面之正極活性物質層中所含之正極活性物質之單位面積重量設為E0
(g/m2
)時,10≦E0
≦100,0.2≦C0
/D0
≦38,較佳為0.1≦C0
/E0
≦7.2。藉由於該範圍內製作正極前驅體,可於下述鋰摻雜後製作性能更高之非水系鋰型蓄電元件。 下述鋰摻雜後之正極之正極活性物質層之鬆密度較佳為0.50 g/cm3
以上,更佳為0.55 g/cm3
以上且1.3 g/cm3
以下之範圍。若正極活性物質層之鬆密度為0.50 g/cm3
以上,則可表現出較高之能量密度,可達成蓄電元件之小型化。若正極活性物質層之鬆密度為1.3 g/cm3
以下,則正極活性物質層內之空孔中之電解液之擴散變得充分,而獲得較高之輸出特性。 [正極活性物質層中之鋰量] 於本實施形態中,上述正極活性物質層之鋰量根據於固態7
Li-NMR光譜之-40 ppm~40 ppm所觀測到之波峰之面積計算,鋰量較佳為10.0×10-4
mol/g以上且300×10-4
mol/g以下。上述鋰量較佳為12.0×10-4
mol/g以上且280×10-4
mol/g以下,更佳為15.0×10-4
mol/g以上且260×10-4
mol/g以下,進而較佳為17.0×10-4
mol/g以上且240×10-4
mol/g以下,尤佳為20.0×10-4
mol/g以上且220×10-4
mol/g以下。 藉由將上述鋰量調整為特定之範圍而可維持較高之輸入輸出特性並且提高高負載充放電循環耐久性之原理並不明確,且不受理論所限定,但推斷如下。認為鋰量主要源自正極活性物質層之含鋰覆膜。該含鋰覆膜由於內部極化,故而離子傳導性較高。可藉由該含鋰覆膜抑制非水系電解液之氧化分解。與不含鋰離子之有機及無機覆膜成分相比,含鋰覆膜於充放電過程中穩定地存在,因此即使重複極多次之充放電循環,破壞覆膜之情況亦較少,不會重新產生非水系電解液之氧化分解。因此,可顯示出較高之高負載充放電循環特性。 若上述鋰量為10×10-4
mol/g以上,則形成於正極活性物質層之含鋰覆膜之量充分,因此可抑制充放電循環中之非水系電解液之氧化分解,顯示出較高之高負載充放電循環特性。若該鋰量為300×10-4
mol/g以下,則可抑制因含鋰覆膜所致之電阻增加,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。 於本說明書中,正極活性物質層所含之鋰量可藉由固態7
Li-NMR光譜並藉由以下之方法而算出。 作為固態7
Li-NMR之測定裝置,可使用市售之裝置。於室溫環境下,將魔角旋轉之轉數設為14.5 kHz,將照射脈衝寬度設為45°脈衝,藉由單脈衝法進行測定。測定時,以測定期間之重複等待時間充分之方式設定。 使用1 mol/L氯化鋰水溶液作為位移基準,將作為外部標準而另外測得之該位移位置設為0 ppm。測定氯化鋰水溶液時,不使試樣旋轉,將照射脈衝寬度設為45°脈衝,藉由單脈衝法進行測定。 根據藉由上述條件所獲得之正極活性物質層之固態7
Li-NMR光譜,求出於-40 ppm~40 ppm之範圍所觀測到之成分之波峰面積。將該等波峰面積除以以測定用轉子中之試樣高度與測定正極活性物質層時相同之方式測定之1 mol/L氯化鋰水溶液之波峰面積,進而除以用於測定之正極活性物質層之質量,藉此可算出上述鋰量。 再者,該鋰量係包含鋰化合物、及其他含鋰化合物之總鋰量。 <負極> 本實施形態之負極具有負極集電體、與設置於其單面或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層。 [負極活性物質層] 負極活性物質層含有負極活性物質,視需要亦可含有導電性填料、黏結劑、分散材穩定劑等任意成分。 [負極活性物質] 負極活性物質可使用能夠吸藏及釋放鋰離子之物質。作為負極活性物質,具體而言,可列舉:碳材料、鈦氧化物、矽、矽氧化物、矽合金、矽化合物、錫、及錫化合物等。碳材料之含有率相對於負極活性物質之合計質量,較佳為50質量%以上,更佳為70質量%以上。碳材料之含有率雖然可為100質量%,但就良好地獲得因併用其他材料而產生之效果之觀點而言,例如較佳為90質量%以下,亦可為80質量%以下。 較佳為負極活性物質中摻雜鋰離子。於本說明書中,作為負極活性物質中所摻雜之鋰離子,主要包括3種形態。 作為第一形態,係於製作非水系鋰型蓄電元件之前,負極活性物質中作為設計值而預先吸藏之鋰離子。 作為第二形態,係於製作非水系鋰型蓄電元件並出貨時之負極活性物質中所吸藏之鋰離子。 作為第三形態,係使用非水系鋰型蓄電元件作為裝置後之負極活性物質中所吸藏之鋰離子。 藉由預先對負極活性物質摻雜鋰離子,變得能夠將所獲得之非水系鋰型蓄電元件之電容及工作電壓控制為良好。 作為碳材料,例如可列舉:難石墨化碳材料;易石墨化碳材料;碳黑;碳奈米粒子;活性碳;人造石墨;天然石墨;石墨化中間相碳微球;石墨晶鬚;多并苯系物質等非晶碳質材料;對石油系之瀝青、煤系之瀝青、中間相碳微球、焦炭、合成樹脂(例如酚樹脂等)等碳前驅體進行熱處理而獲得之碳質材料;糠醇樹脂或酚醛清漆樹脂之熱分解物;富勒烯;碳奈米角;及該等之複合碳材料。 該等中,就降低負極之電阻之觀點而言,較佳為於使1種以上之上述碳材料(以下亦稱為基材)與上述碳質材料前驅體共存之狀態下進行熱處理,而複合有基材與源自碳質材料前驅體之碳質材料之複合碳材料。作為碳質材料前驅體,只要為藉由熱處理而成為碳質材料者,則並無特別限制,尤佳為石油系之瀝青或煤系之瀝青。於進行熱處理之前,亦可於高於碳質材料前驅體之熔點之溫度下將基材與碳質材料前驅體加以混合。熱處理溫度只要為所使用之碳質材料前驅體揮發或熱分解而產生之成分成為碳質材料之溫度即可,較佳為400℃以上且2500℃以下,更佳為500℃以上且2000℃以下,進而較佳為550℃以上且1500℃以下。進行熱處理之環境並無特別限制,較佳為非氧化性環境。 (複合碳材料1) 複合碳材料1係將1種以上之BET比表面積為100 m2
/g以上且3000 m2
/g以下之碳材料用作基材的複合碳材料。基材並無特別限定,可適宜地使用活性碳或碳黑、鑄模多孔質碳、高比表面積石墨、碳奈米粒子等。 複合碳材料1之BET比表面積較佳為100 m2
/g以上且1,500 m2
/g以下,更佳為150 m2
/g以上且1,100 m2
/g以下,進而較佳為180 m2
/g以上且550 m2
/g以下。若該BET比表面積為100 m2
/g以上,則可適度地保持細孔,使鋰離子之擴散變得良好,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。藉由為1,500 m2
/g以下,鋰離子之充放電效率提高,因此不易損及循環耐久性。 複合碳材料1中之碳質材料相對於基材之質量比率較佳為10質量%以上且200質量%以下。該質量比率較佳為12質量%以上且180質量%以下,更佳為15質量%以上且160質量%以下,尤佳為18質量%以上且150質量%以下。若碳質材料之質量比率為10質量%以上,則可利用碳質材料適度地填埋基材所具有之微孔,鋰離子之充放電效率提高,因此可顯示出良好之循環耐久性。若碳質材料之質量比率為200質量%以下,則可適度地保持細孔,鋰離子之擴散變得良好,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。 複合碳材料1之每單位質量之鋰離子之摻雜量較佳為530 mAh/g以上且2,500 mAh/g以下。更佳為620 mAh/g以上且2,100 mAh/g以下,進而較佳為760 mAh/g以上且1,700 mAh/g以下,尤佳為840 mAh/g以上且1,500 mAh/g以下。 藉由摻雜鋰離子,負極電位變低。因此,於將含有摻雜有鋰離子之複合碳材料1的負極與正極加以組合之情形時,非水系鋰型蓄電元件之電壓變高,並且正極之利用電容變大。因此,所獲得之非水系鋰型蓄電元件之電容及能量密度變高。 若摻雜量為530 mAh/g以上,則對於複合碳材料1中之一旦插入鋰離子便無法脫離之不可逆之位點亦可良好地摻雜鋰離子,進而可減少相對於所需鋰量之複合碳材料1之量。因此,變得能夠減小負極膜厚,而獲得較高之能量密度。摻雜量越高,負極電位越降低,輸入輸出特性、能量密度、及耐久性越提高。 另一方面,若摻雜量為2,500 mAh/g以下,則產生鋰金屬之析出等副作用之虞較少。 以下,作為複合碳材料1之較佳例,對使用活性碳作為基材之複合碳材料1a進行說明。 複合碳材料1a較佳為於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為Vm1
(cc/g),且將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為Vm2
(cc/g)時,0.010≦Vm1
≦0.300,0.001≦Vm2
≦0.650。 中孔量Vm1
更佳為0.010≦Vm1
≦0.225,進而較佳為0.010≦Vm1
≦0.200。微孔量Vm2
更佳為0.001≦Vm2
≦0.200,進而較佳為0.001≦Vm2
≦0.150,尤佳為0.001≦Vm2
≦0.100。 若中孔量Vm1
為0.300 cc/g以下,則可增大BET比表面積,而可提高鋰離子之摻雜量,此外亦可提高負極之鬆密度。其結果為,可將負極薄膜化。若微孔量Vm2
為0.650 cc/g以下,則可維持針對鋰離子之較高之充放電效率。若中孔量Vm1
及微孔量Vm2
為下限以上(0.010≦Vm1
、0.001≦Vm2
),則獲得較高之輸入輸出特性。 複合碳材料1a之BET比表面積較佳為100 m2
/g以上且1,500 m2
/g以下。更佳為150 m2
/g以上且1,100 m2
/g以下,進而較佳為180 m2
/g以上且550 m2
/g以下。若該BET比表面積為100 m2
/g以上,則可適度地保持細孔,因此使鋰離子之擴散變得良好,因此可顯示出較高之輸入輸出特性,又,由於可提高鋰離子之摻雜量,故而可將負極薄膜化。藉由為1,500 m2
/g以下,鋰離子之充放電效率提高,因此不易損及循環耐久性。 就成為較高之輸入輸出特性之方面而言,複合碳材料1a之平均細孔徑較佳為20 Å以上,更佳為25 Å以上,進而較佳為30 Å以上。就成為高能量密度之方面而言,平均細孔徑較佳為65 Å以下,更佳為60 Å以下。 複合碳材料1a之平均粒徑較佳為1 μm以上且10 μm以下。下限更佳為2 μm以上,進而較佳為2.5 μm以上。上限更佳為6 μm以下,進而較佳為4 μm以下。若平均粒徑為1 μm以上且10 μm以下,則保持良好之耐久性。 複合碳材料1a之氫原子/碳原子之原子數比(H/C)較佳為0.05以上且0.35以下,更佳為0.05以上且0.15以下。於H/C為0.35以下之情形時,覆著於活性碳表面之碳質材料之結構(典型而言,為多環芳香族系共軛結構)良好地發達,電容(能量密度)及充放電效率變高。於H/C為0.05以上之情形時,可抑制過度之碳化,因此可獲得良好之能量密度。H/C係藉由元素分析裝置進行測定。 複合碳材料1a具有源自基材之活性碳的非晶結構,但同時主要具有源自所覆著之碳質材料的結晶結構。若採用X射線廣角繞射法,則複合碳材料1a較佳為(002)面之面間隔d002為3.60 Å以上且4.00 Å以下,由該波峰之半高寬所獲得之c軸方向之結晶子尺寸Lc為8.0 Å以上且20.0 Å以下者,更佳為d002為3.60 Å以上且3.75 Å以下,由該波峰之半高寬所獲得之c軸方向之結晶子尺寸Lc為11.0 Å以上且16.0 Å以下者。 作為用作複合碳材料1a之基材的活性碳,只要所獲得之複合碳材料1a發揮出所需之特性,則無特別限制。例如可使用:由石油系、煤系、植物系、高分子系等之各種原材料所獲得之市售品。尤其是,較佳為使用平均粒徑為1 μm以上且15 μm以下之活性碳粉末。平均粒徑更佳為2 μm以上且10 μm以下。 為了獲得具有本實施形態中所規定之細孔分佈範圍的複合碳材料1a,重要的是基材所使用之活性碳之細孔分佈。 關於活性碳,於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1
(cc/g),且將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2
(cc/g)時,較佳為0.050≦V1
≦0.500,0.005≦V2
≦1.000,且0.2≦V1
/V2
≦20.0。 中孔量V1
更佳為0.050≦V1
≦0.350,進而較佳為0.100≦V1
≦0.300。微孔量V2
更佳為0.005≦V2
≦0.850,進而較佳為0.100≦V2
≦0.800。中孔量/微孔量之比率更佳為0.22≦V1
/V2
≦15.0,進而較佳為0.25≦V1
/V2
≦10.0。於活性碳之中孔量V1
為0.500以下之情形及微孔量V2
為1.000以下之情形時,為了獲得本實施形態之複合碳材料1a之細孔結構,覆著適量之碳質材料即可,因此變得容易控制細孔結構。於活性碳之中孔量V1
為0.050以上之情形及微孔量V2
為0.005以上之情形、V1
/V2
為0.2以上之情形及V1
/V2
為20.0以下之情形時,均容易地獲得結構。 用作複合碳材料1a之原料的所謂碳質材料前驅體,可藉由進行熱處理而對活性碳覆著碳質材料的固體、液體、或能夠溶解於溶劑之有機材料。作為該碳質材料前驅體,例如可列舉:瀝青、中間相碳微球、焦炭、合成樹脂(例如酚樹脂等)等。該等碳質材料前驅體中,就製造成本而言,較佳為使用廉價之瀝青。瀝青大致分為石油系瀝青與煤系瀝青。作為石油系瀝青,例如可例示:原油之蒸餾殘渣、流動性接觸分解殘渣(澄清油等)、源自熱裂解之沈底油、石腦油裂解時所獲得之乙烯焦油等。 於使用瀝青之情形時,藉由將瀝青於與活性碳之共存下進行熱處理,於活性碳之表面使瀝青之揮發成分或熱分解成分進行熱反應而對活性碳覆著碳質材料,從而獲得複合碳材料1a。於該情形時,於200~500℃左右之溫度下,瀝青之揮發成分或熱分解成分向活性碳細孔內之覆著會進行,於400℃以上之溫度下,覆著成分成為碳質材料之反應會進行。熱處理時之波峰溫度(最高到達溫度)係根據所獲得之複合碳材料1a之特性、熱反應類型、熱反應環境等而適當決定,較佳為400℃以上,更佳為450℃~1,000℃,進而較佳為500~800℃左右。熱處理時之維持波峰溫度之時間較佳為30分鐘~10小時,更佳為1小時~7小時,進而較佳為2小時~5小時。例如,於500~800℃左右之波峰溫度下熱處理2小時~5小時之情形時,認為覆著於活性碳表面之碳質材料係成為多環芳香族系烴者。 又,所使用之瀝青之軟化點較佳為30℃以上且250℃以下,進而較佳為60℃以上且130℃以下。軟化點為30℃以上之瀝青不會妨礙操作性,能夠精度良好地裝料。軟化點為250℃以下瀝青大量含有相對低分子之化合物,因此若使用瀝青,則變得能夠覆著活性碳內之較細之細孔。 作為用以製造複合碳材料1a的具體方法,例如可列舉:於含有自碳質材料前驅體揮發之烴氣體的惰性環境中對活性碳進行熱處理,而以氣相覆著碳質材料之方法。亦可採用將活性碳與碳質材料前驅體預先混合並進行熱處理之方法、或將溶解於溶劑之碳質材料前驅體塗佈至活性碳上並使之乾燥後進行熱處理之方法。 複合碳材料1a中之碳質材料相對於活性碳之質量比率較佳為10質量%以上且100質量%以下。該質量比率較佳為15質量%以上且80質量%以下。若碳質材料之質量比率為10質量%以上,則可利用碳質材料適度地填埋活性碳具有之微孔,鋰離子之充放電效率提高,因此不易損及循環耐久性。若碳質材料之質量比率為100質量%以下,則適度地保持複合碳材料1a之細孔而將比表面積維持為較大。因此,可提高鋰離子之摻雜量,結果即使將負極薄膜化,亦可維持高輸出密度且高耐久性。 (複合碳材料2) 複合碳材料2係使用1種以上之BET比表面積為0.5 m2
/g以上且80 m2
/g以下之碳材料作為上述基材之上述複合碳材料。基材並無特別限定,可適宜地使用:天然石墨、人造石墨、低結晶石墨、硬碳、軟碳、碳黑等。 複合碳材料2之BET比表面積較佳為1 m2
/g以上且50 m2
/g以下,更佳為1.5 m2
/g以上且40 m2
/g以下,進而較佳為2 m2
/g以上且25 m2
/g以下。若該BET比表面積為1 m2
/g以上,則可充分地確保與鋰離子之反應場所,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。若為50 m2
/g以下,則鋰離子之充放電效率提高,且充放電過程中之非水系電解液之分解反應得到抑制,因此可顯示出較高之循環耐久性。 複合碳材料2之平均粒徑較佳為1 μm以上且10 μm以下。該平均粒徑更佳為2 μm以上且8 μm以下,進而較佳為3 μm以上且6 μm以下。若平均粒徑為1 μm以上,則可提高鋰離子之充放電效率,因此可顯示出較高之循環耐久性。若為10 μm以下,則複合碳材料2與非水系電解液之反應面積增加,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。 複合碳材料2中之碳質材料相對於基材之質量比率較佳為1質量%以上且30質量%以下。該質量比率更佳為1.2質量%以上且25質量%以下,進而較佳為1.5質量%以上且20質量%以下。若碳質材料之質量比率為1質量%以上,則利用碳質材料可充分地增加與鋰離子之反應位點,且鋰離子之脫溶劑化亦變得容易,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。若碳質材料之質量比率為20質量%以下,則可良好地保持碳質材料與基材之間之鋰離子之固體內擴散,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。可提高鋰離子之充放電效率,因此可顯示出較高之循環耐久性。 複合碳材料2之每單位質量之鋰離子之摻雜量較佳為50 mAh/g以上且700 mAh/g以下。更佳為70 mAh/g以上且650 mAh/g以下,進而較佳為90 mAh/g以上且600 mAh/g以下,尤佳為100 mAh/g以上且550 mAh/g以下。 藉由摻雜鋰離子,負極電位變低。因此,於將含有摻雜有鋰離子之複合碳材料2的負極與正極加以組合之情形時,非水系鋰型蓄電元件之電壓變高,並且正極之利用電容變大。因此,所獲得之非水系鋰型蓄電元件之電容及能量密度變高。 若摻雜量為50 mAh/g以上,則對於複合碳材料2中之一旦插入鋰離子便無法脫離之不可逆之位點亦良好地摻雜鋰離子,因此獲得較高之能量密度。摻雜量越高,負極電位越降低,輸入輸出特性、能量密度、及耐久性越提高。 另一方面,若摻雜量為700 mAh/g以下,則產生鋰金屬之析出等副作用之虞較少。 以下,作為複合碳材料2之較佳例,對使用石墨材料作為基材之複合碳材料2a進行說明。 複合碳材料2a之平均粒徑較佳為1 μm以上且10 μm以下。該平均粒徑更佳為2 μm以上且8 μm以下,進而較佳為3 μm以上且6 μm以下。若平均粒徑為1 μm以上,則可提高鋰離子之充放電效率,因此可顯示出較高之循環耐久性。若為10 μm以下,則複合碳材料2a與非水系電解液之反應面積增加,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。 複合碳材料2a之BET比表面積較佳為1 m2
/g以上且20 m2
/g以下。更佳為1 m2
/g以上且15 m2
/g以下。若該BET比表面積為1 m2
/g以上,則可充分確保與鋰離子之反應場所,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。若為20 m2
/g以下,則鋰離子之充放電效率提高,且充放電中之非水系電解液之分解反應得到抑制,因此可顯示出較高之循環耐久性。 作為用作基材之上述石墨材料,只要所獲得之複合碳材料2a發揮出所需之特性,則無特別限制。例如可使用:人造石墨、天然石墨、石墨化中間相碳微球、石墨晶鬚等。石墨材料之平均粒徑較佳為1 μm以上且10 μm以下,更佳為2 μm以上且8 μm以下。 用作複合碳材料2a之原料的所謂碳質材料前驅體係可藉由進行熱處理而對石墨材料複合碳質材料的固體、液體、或能夠溶解於溶劑之有機材料。作為該碳質材料前驅體,例如可列舉:瀝青、中間相碳微球、焦炭、合成樹脂(例如酚樹脂等)等。該等碳質材料前驅體中,就製造成本而言,較佳為使用廉價之瀝青。瀝青大致分為石油系瀝青與煤系瀝青。作為石油系瀝青,例如可例示:原油之蒸餾殘渣、流動性接觸分解殘渣(澄清油等)、源自熱裂解之沈底油、石腦油裂解時所獲得之乙烯焦油等。 複合碳材料2a中之碳質材料相對於石墨材料之質量比率較佳為1質量%以上且10質量%以下。該質量比率更佳為1.2質量%以上且8質量%以下,進而較佳為1.5質量%以上且6質量%以下,尤佳為2質量%以上且5質量%以下。若碳質材料之質量比率為1質量%以上,則利用碳質材料可充分地增加與鋰離子之反應位點,且鋰離子之脫溶劑化亦變得容易,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。若碳質材料之質量比率為20質量%以下,則可良好地保持碳質材料與石墨材料之間之鋰離子之固體內擴散,因此可顯示出較高之輸入輸出特性。可提高鋰離子之充放電效率,因此可顯示出較高之循環耐久性。 本實施形態之出貨時及使用後之非水系鋰型蓄電元件中之負極活性物質之鋰離子之摻雜量(mAh/g)例如可藉由如下方式得知。 首先,將本實施形態之負極活性物質層利用碳酸甲酯乙酯或碳酸二甲酯洗淨並加以風乾後,利用包含甲醇及異丙醇之混合溶劑進行萃取,而獲得萃取液、與萃取後之負極活性物質層。該萃取典型而言係於氬氣箱內,於環境溫度23℃下進行。 可藉由使用例如ICP-MS(感應耦合電漿質譜分析儀)等,分別對藉由上述方式而獲得之萃取液、與萃取後之負極活性物質層中所含之鋰量進行定量,求出其合計,而得知負極活性物質中之鋰離子之摻雜量。將所獲得之值除以供於萃取之負極活性物質量而算出鋰離子之摻雜量(mAh/g)即可。 作為碳材料,並無特別限定,可適宜地使用活性碳、碳黑、鑄模多孔質碳、高比表面積石墨、碳奈米粒子等。 (負極活性物質層之其他成分) 本實施形態之負極活性物質層除了負極活性物質以外,視需要亦可含有導電性填料、黏結劑、分散材穩定劑等任意成分。 導電性填料之種類並無特別限定,例如可例示乙炔黑、科琴黑、氣相生長碳纖維等。導電性填料之使用量相對於負極活性物質100質量份,較佳為超過0質量份且30質量份以下,更佳為超過0質量份且20質量份以下,進而較佳為超過0質量份且15質量份以下。 作為黏結劑,並無特別限定,例如可使用:PVdF(聚偏二氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、聚醯亞胺、乳膠、苯乙烯-丁二烯共聚物、氟橡膠、丙烯酸系共聚物等。黏結材之使用量相對於負極活性物質100質量份,較佳為1質量份以上且30質量份以下,更佳為2質量份以上且27質量份以下,進而較佳為3質量份以上且25質量份以下。若黏結材之量為1質量%以上,則表現出充分之電極強度。若黏結材之量為30質量份以下,則不會阻礙鋰離子對負極活性物質之出入,表現出較高之輸入輸出特性。 作為分散穩定劑,並無特別限定,例如可使用:PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、PVA(聚乙烯醇)、纖維素衍生物等。黏結材之使用量相對於負極活性物質100質量份,較佳為0質量份以上且10質量份以下。若分散穩定劑之量為10質量份以下,則不會阻礙鋰離子對負極活性物質之出入,表現出較高之輸入輸出特性。 [負極集電體] 作為構成本實施形態之負極集電體的材料,較佳為電子傳導性較高、不易發生因向電解液之溶出及與電解質或離子之反應等引起之劣化的金屬箔。作為此種金屬箔,並無特別限制,例如可列舉:鋁箔、銅箔、鎳箔、不鏽鋼箔等。作為本實施形態之非水系鋰型蓄電元件中之負極集電體,較佳為銅箔。 金屬箔可為不具有凹凸或貫通孔之通常之金屬箔,亦可為實施有壓紋加工、化學蝕刻、電解析出法、噴擊加工等之具有凹凸之金屬箔,亦可為多孔金屬網、穿孔金屬、蝕刻箔等具有貫通孔之金屬箔。 負極集電體之厚度只要可充分地保持負極之形狀及強度,則無特別限制,例如較佳為1~100 μm。 [負極之製造] 負極係於負極集電體之單面或兩面上具有負極活性物質層。典型而言,負極活性物質層係固著於負極集電體之單面或兩面上。 負極可藉由已知之鋰離子電池、電雙層電容器等中之電極之製造技術而製造。例如可藉由將含有負極活性物質之各種材料分散或溶解至水或有機溶劑中而製備漿料狀之塗敷液,並將該塗敷液塗敷至負極集電體上之單面或兩面而形成塗膜,將其加以乾燥,而獲得負極。進而,亦可對所獲得之負極進行加壓,而調整負極活性物質層之膜厚或鬆密度。或者,亦可採用如下方法:不使用溶劑,將含有負極活性物質之各種材料以乾式加以混合,並對所獲得之混合物進行加壓成型後,使用導電性接著劑而貼附於負極集電體。 塗敷液之調整亦可將含有負極活性物質之各種材料粉末之一部分或者全部進行乾摻,繼而追加水或有機溶劑、及/或於此等中溶解或分散有黏結材或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質而進行調整。亦可向於水或有機溶劑中溶解或分散有黏結材或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質中,追加含有負極活性物質之各種材料粉末而進行調整。 溶解或分散方法並無特別限定,可適宜地使用勻相分散機或多軸分散機、行星式混合機、薄膜回轉型高速混合機等分散機等。為了獲得良好之分散狀態之塗敷液,較佳為以周速1 m/s以上且50 m/s以下進行分散。若周速為1 m/s以上,則各種材料良好地進行溶解或分散,故而較佳。若周速為50 m/s以下,則各種材料不易被因分散產生之熱或剪切力所破壞,而減少再凝集,故而較佳。 負極之塗敷液之黏度(ηb)較佳為1,000 mPa・s以上且20,000 mPa・s以下,更佳為1,500 mPa・s以上且10,000 mPa・s以下,進而較佳為1,700 mPa・s以上且5,000 mPa・s以下。若負極之塗敷液之黏度(ηb)為1,000 mPa・s以上,則形成塗膜時之滴液得到抑制,可良好地控制塗膜寬度及厚度。若負極之塗敷液之黏度(ηb)為20,000 mPa・s以下,則使用塗敷機時塗敷液於流道中之壓力損失較少,可穩定地塗敷,又,可控制為所需之塗膜厚度以下。 負極之塗敷液之TI值(觸變指數值)較佳為1.1以上,更佳為1.2以上,進而較佳為1.5以上。若負極之塗敷液之TI值為1.1以上,則可良好地控制塗膜寬度及厚度。 負極之塗膜之形成方法並無特別限定,可適宜地使用模具塗佈機或刮刀塗佈機、刮塗機、凹版塗敷機等塗敷機。塗膜可塗敷單層而形成,亦可塗敷多層而形成。塗敷速度較佳為0.1 m/min以上且100 m/min以下,更佳為0.5 m/min以上且70 m/min以下,進而較佳為1 m/min以上且50 m/min以下。若塗敷速度為0.1 m/min以上,則可穩定地進行塗敷,若為100 m/min以下,則可充分地確保塗敷精度。 負極之塗膜之乾燥方法並無特別限定,可適宜地使用熱風乾燥或紅外線(IR)乾燥等乾燥方法。塗膜之乾燥可於單一溫度下進行乾燥,亦可多階段地改變溫度而進行乾燥。亦可將複數種乾燥方法組合而進行乾燥。乾燥溫度較佳為25℃以上且200℃以下,更佳為40℃以上且180℃以下,進而較佳為50℃以上且160℃以下。若乾燥溫度為25℃以上,則可使塗膜中之溶劑充分地揮發。若乾燥溫度為200℃以下,則可抑制因急速之溶劑揮發引起之塗膜皸裂破裂或因遷移引起之黏結材之偏集存在、負極集電體或負極活性物質層之氧化。 負極之加壓方法並無特別限定,可適宜地使用油壓加壓機、真空加壓機等加壓機。負極活性物質層之膜厚、鬆密度及電極強度可藉由下述之加壓壓力、間隙、加壓部之表面溫度而進行調整。加壓壓力較佳為0.5 kN/cm以上且20 kN/cm以下,更佳為1 kN/cm以上且10 kN/cm以下,進而較佳為2 kN/cm以上且7 kN/cm以下。若加壓壓力為0.5 kN/cm以上,則可充分提高電極強度。若加壓壓力為20 kN/cm以下,則不易於負極產生彎曲或皺褶,容易調整為負極活性物質層膜所需之膜厚或鬆密度。加壓輥彼此之間隙可以成為負極活性物質層所需之膜厚或鬆密度之方式根據乾燥後之負極膜厚而設定任意之值。加壓速度可以減少負極之彎曲或皺褶之方式設定為任意之速度。加壓部之表面溫度可為室溫,亦可視需要進行加熱。於進行加熱之情形時之加壓部之表面溫度之下限較佳為所使用之黏結材之熔點-60℃以上,更佳為黏結材之熔點-45℃以上,進而較佳為黏結材之熔點-30℃以上。於進行加熱之情形時之加壓部之表面溫度之上限較佳為所使用之黏結材之熔點+50℃以下,更佳為黏結材之熔點+30℃以下,進而較佳為黏結材之熔點+20℃以下。例如,於將PVdF(聚偏二氟乙烯:熔點150℃)用於黏結材之情形時,較佳為加熱至90℃以上且200℃以下,更佳為加熱至105℃以上且180℃以下,進而較佳為加熱至120℃以上且170℃以下。於將苯乙烯-丁二烯共聚物(熔點100℃)用於黏結材之情形時,較佳為加溫至40℃以上且150℃以下,更佳為加溫至55℃以上且130℃以下,進而較佳為加溫至70℃以上且120℃以下。 黏結材之熔點可根據DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差掃描熱量分析)之吸熱波峰位置而求出。例如,使用PerkinElmer公司製造之示差掃描熱量計「DSC7」,將試樣樹脂10 mg設置於測定單元,於氮氣環境中,以10℃/分鐘之升溫速度自溫度30℃升溫至250℃,升溫過程中之吸熱波峰溫度成為熔點。 亦可一邊改變加壓壓力、間隙、速度、加壓部之表面溫度之條件,一邊實施複數次加壓。 負極活性物質層之厚度於負極集電體之每一單面較佳為5 μm以上且100 μm以下。負極活性物質層之厚度之下限更佳為7 μm以上,進而較佳為10 μm以上。負極活性物質層之厚度之上限更佳為80 μm以下,進而較佳為60 μm以下。若負極活性物質層之厚度為5 μm以上,則塗敷負極活性物質層時不易產生條紋等,塗敷性優異。若負極活性物質層之厚度為100 μm以下,則藉由縮小單元體積,可表現出較高之能量密度。負極集電體具有貫通孔或凹凸之情形時之負極活性物質層之厚度係指負極集電體之不具有貫通孔或凹凸之部分之每一單面之負極活性物質層之厚度之平均值。 負極活性物質層之鬆密度較佳為0.30 g/cm3
以上且1.8g/cm3
以下,更佳為0.40 g/cm3
以上且1.5 g/cm3
以下,進而較佳為0.45 g/cm3
以上且1.3g/cm3
以下。若負極活性物質層之鬆密度為0.30 g/cm3
以上,則可保持充分之強度,並且可表現出負極活性物質間之充分之導電性。若負極活性物質層之鬆密度為1.8g/cm3
以下,則可於負極活性物質層內確保離子能夠充分擴散之空孔。 本實施形態中之BET比表面積、中孔量、及微孔量係分別藉由以下之方法而求出之值。將試樣於200℃下真空乾燥一晝夜,以氮作為吸附質進行吸附脫附之等溫線之測定。使用此處獲得之吸附側之等溫線,BET比表面積藉由BET多點法或BET1點法而算出,中孔量藉由BJH法而算出,微孔量藉由MP法而算出。 所謂BJH法係指通常用於中孔之分析之計算方法,由Barrett、Joyner、Halenda等人提出(E.P.Barrett, L.G.Joyner and P.Halenda, J.Am.Chem.Soc., 73, 373(1951))。 所謂MP法係指利用「t-作圖法」(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis, 4319(1965))求出微孔容積、微孔面積、及微孔之分佈之方法,且係由M.Mikhail、Brunauer、Bodor創作之方法(R.S.Mikhail, S.Brunauer, E.E.Bodor, J.Colloid Interface Sci., 26, 45 (1968))。 本案說明書中之平均粒徑係指於使用粒度分佈測定裝置測定粒度分佈時,將總體積設為100%而求出累積曲線時,該累積曲線成為50%之點之粒徑(即50%粒徑(中值粒徑))。該平均粒徑可使用市售之雷射繞射式粒度分佈測定裝置進行測定。 本案說明書中之1次粒徑可藉由如下方法獲得:利用電子顯微鏡於數個視野拍攝粉體,使用全自動圖像處理裝置等而計測此等視野中之2,000~3,000個左右之粒子之粒徑,求出該等之算術平均值,將該值設為1次粒徑。 本說明書中,分散度係依據JIS K5600所規定之利用粒度計所進行之分散度評價試驗而求出之值。即,針對具有與粒之尺寸對應之所需深度之槽的粒度計,使充分量之試樣流入槽之深度底端,使之略微自槽溢出。以刮板之長邊與規之寬度方向平行且刮板邊緣接觸粒度計之槽之深度底端之方式進行放置,一邊保持刮板成為規之表面,一邊於與槽之長邊方向呈直角之方向上將規之表面以均等之速度以1~2秒鐘刮至槽之深度0,刮完後3秒以內以20°以上且30°以下之角度照光觀察,讀取粒度計之槽中出現粒之深度。 本案說明書中之黏度(ηb)及TI值係分別藉由以下之方法而求出之值。首先,使用E型黏度計,獲取於溫度25℃、剪切速度2 s-1
之條件下測定2分鐘以上後之穩定之黏度(ηa)。除將剪切速度變更為20 s-1
以外,獲取於與上述相同之條件下測定之黏度(ηb)。使用上述所獲得之黏度之值,TI值係根據TI值=ηa/ηb之式算出。於將剪切速度自2 s-1
上升至20 s-1
時,可以1階段使之上升,亦可於上述範圍內多階段地使剪切速度上升,一邊適當獲取該剪切速度下之黏度一邊上升。 [負極活性物質層中之Na、K] 負極活性物質層含有鈉(Na)及/或鉀(K)元素。Na及/或K元素之濃度C1
較佳為2 ppm以上且300 ppm以下。濃度C1
更佳為2.5 ppm以上且250 ppm以下,進而較佳為3 ppm以上且200 ppm以下。若濃度C1為2 ppm以上,則可抑制因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失。若濃度C1
為300 ppm以下,則可抑制高負載充放電循環後之電容降低。負極活性物質可含有該等Na及K之元素中之任一者,亦可含有兩者。於負極活性物質含有Na及K之兩者之情形時,Na及K之合計濃度C1
為2 ppm以上且300 ppm以下即可。 作為將Na及/或K添加至負極活性物質層之方法,並無特別限制,可列舉:將含有Na及/或K之化合物與鋰化合物進行混合粉碎並使其承載於正極前驅體,施加電壓而使其分解,電化學地析出至負極活性物質層之方法;藉由濺鍍或真空蒸鍍將包含Na及/或K之化合物塗佈於負極活性物質之方法;於利用含有Na及/或K之溶液處理負極活性物質後製作負極之方法;藉由於電解液中溶解含有Na及/或K之鹽而於負極上進行還原分解,而析出至負極之方法等。其中,較佳為將含有Na及/或K之化合物與鋰化合物進行混合粉碎並使其承載於正極前驅體,施加電壓而使其分解,電化學地析出至負極活性物質層之方法。 <分隔件> 正極前驅體及負極係介隔分隔件進行積層或捲繞,而形成具有正極前驅體、負極及分隔件之電極積層體、或電極捲繞體。 作為分隔件,可使用鋰離子二次電池所使用之聚乙烯製之微多孔膜或者聚丙烯製之微多孔膜、或電雙層電容器所使用之纖維素製之不織紙等。於該等分隔件之單面或兩面上亦可積層有包含有機或無機之微粒子的膜。於分隔件之內部亦可含有有機或無機之微粒子。 分隔件之厚度較佳為5 μm以上且35 μm以下。藉由分隔件之厚度為5 μm以上,而有因內部之微短路引起之自放電減小之傾向,故而較佳。藉由分隔件之厚度為35 μm以下,而有蓄電元件之輸出特性變高之傾向,故而較佳。 包含有機或無機之微粒子之膜之厚度較佳為1 μm以上且10 μm以下。藉由包含有機或無機之微粒子之膜之厚度為1 μm以上,而有因內部之微短路引起之自放電變小之傾向,故而較佳。藉由包含有機或無機之微粒子之膜之厚度為10 μm以下,而有蓄電元件之輸出特性變高之傾向,故而較佳。 <外裝體> 作為外裝體,可使用:金屬罐、層壓膜等。作為外裝體,可使用:金屬罐、層壓膜等。作為層壓膜,較佳為將金屬箔與樹脂膜積層而成之膜,例如可例示包含外層樹脂膜/金屬箔/內裝樹脂膜之3層之層壓膜。外層樹脂膜係用以防止金屬箔因接觸等而受到損傷之情況者,可適宜地使用尼龍或聚酯等樹脂。金屬箔係用以防止水分及氣體之透過者,可適宜地使用銅、鋁、不鏽鋼等之箔。內裝樹脂膜係用以保護金屬箔不受其內部所收納之電解液影響,並且於外裝體之熱密封時進行熔融封口者,可適宜地使用聚烯烴、酸改性聚烯烴等。 <非水系電解液> 本實施形態之電解液係含有鋰離子之非水系電解液。非水系電解液包含下述非水溶劑。非水系電解液較佳為以非水系電解液之合計體積作為基準,含有0.5 mol/L以上之鋰鹽。 作為鋰鹽,例如可列舉:(LiN(SO2
F)2
)、LiN(SO2
CF3
)2
、LiN(SO2
C2
F5
)2
、LiN(SO2
CF3
)(SO2
C2
F5
)、LiN(SO2
CF3
)(SO2
C2
F4
H)、LiC(SO2
F)3
、LiC(SO2
CF3
)3
、LiC(SO2
C2
F5
)3
、LiCF3
SO3
、LiC4
F9
SO3
、LiPF6
、及LiBF4
等,該等可單獨使用,亦可混合使用2種以上。就可表現出較高之傳導度而言,鋰鹽較佳為含有LiPF6
及/或LiN(SO2
F)2
。 非水系電解液中之鋰鹽濃度較佳為0.5 mol/L以上,更佳為0.5~2.0 mol/L之範圍。若鋰鹽濃度為0.5 mol/L以上,則由於陰離子充分地存在,故而可充分提高蓄電元件之電容。於鋰鹽濃度為2.0 mol/L以下之情形時,可防止未溶解之鋰鹽於非水系電解液中析出、及電解液之黏度變得過高,傳導度不易降低,輸出特性亦不易降低,因此較佳。 本實施形態之非水系電解液可同時實現較高之傳導度與鋁腐蝕抑制,因此作為鋰鹽,較佳為含有以下之: (A)LiPF6
、及LiBF4
中之之至少1種、以及 (B)LiN(SO2
F)2
、LiN(SO2
CF3
)2
、及LiN(SO2
C2
F5
)2
中之至少1種, 尤佳為含有LiPF6
與LiN(SO2
F)2
。 於以非水系電解液之體積作為基準,將上述(A)之合計莫耳濃度設為MA
(mol/L),將上述(B)之合計莫耳濃度設為MB
(mol/L)時,莫耳濃度比MA
/(MA
+MB
)較佳為1/10以上且9/10以下之範圍,更佳為2/10以上且6/10以下之範圍。若MA
/(MA
+MB
)為1/10以上,則可藉由(A)之化合物抑制因(B)之化合物所致之正極集電體之鋁箔之腐蝕,因此可防止於使用中非水電解液中之鋁濃度相較於較佳之範圍上升,循環耐久性提高。若MA
/(MA
+MB
)為9/10以下,則非水系鋰型蓄電元件可表現出較高之輸入輸出特性、高溫耐久性。 MB
(mol/L)較佳為0.1 mol/L以上且1.5 mol/L以下,更佳為0.2 mol/L以上且1.0 mol/L以下,進而較佳為0.3 mol/L以上且0.8 mol/L以下。若MB
(mol/L)為0.1 mol/L以上,則可提高電解液之離子傳導度,並且於負極界面適量沈積電解質覆膜,藉此減少因電解液分解所產生之氣體。若MB
(mol/L)為1.5 mol/L以下,則可防止未溶解之鋰鹽於非水系電解液中析出、及電解液之黏度變得過高,傳導度不易降低,輸出特性不易降低。於充放電時不會產生電解質鹽之析出,且即使經過長時間後,亦不會產生電解液之黏度之增加。 本實施形態之非水系電解液較佳為以非水系電解液之總量作為基準,含有0.1 mol/L以上且1.5 mol/L以下之濃度之LiN(SO2
F)2
,更佳為0.3 mol/L以上且1.2 mol/L以下。若LiN(SO2
F)2
為0.1 mol/L以上,則可提高電解液之離子傳導度,並且於負極界面適量沈積電解質覆膜,藉此減少因電解液分解所產生之氣體。若該值為1.5 mol/L以下,則充放電時不會產生電解質鹽之析出,且即使經過長時間後,電解液之黏度亦不易增加。 本實施形態之非水系電解液較佳為含有環狀碳酸酯及鏈狀碳酸酯作為非水溶劑。非水系電解液含有環狀碳酸酯及鏈狀碳酸酯於溶解所需濃度之鋰鹽之方面、及表現出較高之鋰離子傳導度之方面有利。作為環狀碳酸酯,例如可列舉:碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯等所代表之碳酸烷二酯化合物。碳酸烷二酯化合物典型而言為未經取代。作為鏈狀碳酸酯,可列舉:碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲酯乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯等所代表之碳酸二烷基酯化合物。碳酸二烷基酯化合物典型而言為未經取代。 非水系電解液較佳為含有環狀碳酸酯作為非水溶劑。非水系電解液含有環狀碳酸酯於使所需濃度之鋰鹽溶解之方面、及使鋰化合物適量沈積於正極活性物質層之方面有利。作為環狀碳酸酯,例如可列舉碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯、碳酸伸乙烯酯、氟化碳酸乙二酯等。 環狀碳酸酯之合計含量以非水系電解液之總量基準計較佳為15質量%以上,更佳為20質量%以上。若上述合計含量為15質量%以上,則可使所需濃度之鋰鹽溶解,可表現出較高之鋰離子傳導度。進而可使鋰化合物適量沈積於正極活性物質層,可抑制電解液之氧化分解。 非水系電解液較佳為含有鏈狀碳酸酯作為非水溶劑。非水系電解液含有鏈狀碳酸酯於表現出較高之鋰離子傳導度之方面有利。作為鏈狀碳酸酯,可列舉以碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲酯乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯等為代表之碳酸二烷基酯化合物。碳酸二烷基酯化合物典型為未經取代。 鏈狀碳酸酯之合計含量以非水系電解液之總量基準計較佳為30質量%以上,更佳為35質量%以上,且較佳為95質量%以下,更佳為90質量%以下。若上述鏈狀碳酸酯之含量為30質量%以上,則可使電解液低黏度化,可表現出較高之鋰離子傳導度。若上述合計濃度為95質量%以下,則電解液可進而含有下述添加劑。 環狀碳酸酯及鏈狀碳酸酯之合計含量以非水系電解液之合計質量作為基準,較佳為50質量%以上,更佳為65質量%以上,且較佳為95質量%以下,更佳為90質量%以下。若環狀碳酸酯及鏈狀碳酸酯之合計含量為50質量%以上,則可使所需濃度之鋰鹽溶解,可表現出較高之鋰離子傳導度。若環狀碳酸酯及鏈狀碳酸酯之合計濃度為95質量%以下,則電解液可進而含有下述添加劑。 本實施形態之非水系電解液亦可進而含有添加劑。作為添加劑,並無特別限制,例如可列舉磺內酯化合物、環狀磷腈、非環狀含氟醚、含氟環狀碳酸酯、環狀碳酸酯、環狀羧酸酯、及環狀酸酐等,該等可單獨使用,又,亦可將2種以上混合而使用。 [磺內酯化合物] 作為上述磺內酯化合物,例如可列舉下述通式(1)~(3)所表示之磺內酯化合物。該等磺內酯化合物可單獨使用,或亦可混合使用2種以上。 [化1]{式(1)中,R11
~R16
表示氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、或碳數1~12之鹵化烷基,可相互相同,亦可不同;而且,n為0~3之整數} [化2]{式(2)中,R11
~R14
表示氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、或碳數1~12之鹵化烷基,可相互相同,亦可不同;而且,n為0~3之整數} [化3]{式(3)中,R11
~R16
表示氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、或碳數1~12之鹵化烷基,可相互相同,亦可不同} 於本實施形態中,就對電阻之不良影響較小,抑制非水系電解液於高溫下之分解而抑制氣體產生之觀點而言,作為飽和環狀磺內酯化合物,較佳可列舉:1,3-丙烷磺內酯、2,4-丁烷磺內酯、1,4-丁烷磺內酯、1,3-丁烷磺內酯、及2,4-戊烷磺內酯;作為不飽和環狀磺內酯化合物,較佳可列舉:1,3-丙烯磺內酯、及1,4-丁烯磺內酯;作為其他磺內酯化合物,例如可列舉:亞甲基雙(苯磺酸)、亞甲基雙(苯甲磺酸)、亞甲基雙(乙磺酸)、亞甲基雙(2,4,6,三甲基苯磺酸)、及亞甲基雙(2-三氟甲基苯磺酸),較佳為選自該等群中之至少1種。 本實施形態之非水系鋰型蓄電元件之非水系電解液中所含之磺內酯化合物之合計含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.1質量%~15質量%。若磺內酯化合物之合計含量為0.1質量%以上,則會抑制高溫下之電解液之分解,而變得能夠抑制氣體產生。若磺內酯化合物之合計含量為15質量%以下,則可抑制電解液之離子傳導度之降低,而可保持較高之輸入輸出特性。就同時實現較高之輸入輸出特性與耐久性之觀點而言,磺內酯化合物之合計含量之下限值較佳為0.5質量%以上,更佳為1質量%以上,進而較佳為3質量%以上,上限值較佳為10質量%以下,更佳為8質量%以下,進而較佳為5質量%以下。 作為環狀磷腈,例如可列舉:乙氧基五氟環三磷腈、二乙氧基四氟環三磷腈、及苯氧基五氟環三磷腈等,較佳為選自該等群中之至少1種。 非水系電解液中之環狀磷腈之含有率以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%~20質量%。若環狀磷腈之含有率為0.5質量%以上,則會抑制高溫下之電解液之分解,而變得能夠抑制氣體產生。若環狀磷腈之含有率為20質量%以下,則可抑制電解液之離子傳導度之降低,而可保持較高之輸入輸出特性。基於以上原因,環狀磷腈之含有率較佳為2質量%以上且15質量%以下,進而較佳為4質量%以上且12質量%以下。 再者,該等環狀磷腈可單獨使用,或亦可將2種以上混合而使用。 作為非環狀含氟醚,例如可列舉:HCF2
CF2
OCH2
CF2
CF2
H、CF3
CFHCF2
OCH2
CF2
CF2
H、HCF2
CF2
CH2
OCH2
CF2
CF2
H、及CF3
CFHCF2
OCH2
CF2
CFHCF3
等,該等中,就電化學穩定性之觀點而言,較佳為HCF2
CF2
OCH2
CF2
CF2
H。 非環狀含氟醚之含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下,進而較佳為1質量%以上且10質量%以下。若非環狀含氟醚之含量為0.5質量%以上,則非水系電解液對氧化分解之穩定性提高,而獲得高溫時耐久性較高之蓄電元件。若非環狀含氟醚之含量為15質量%以下,則良好地保持電解質鹽之溶解度,且可較高地維持非水系電解液之離子傳導度,因此變得能夠表現出高程度之輸入輸出特性。 再者,非環狀含氟醚可單獨使用,亦可將2種以上混合而使用。 作為含氟環狀碳酸酯,就與其他非水溶劑之相溶性之觀點而言,較佳為使用選自由氟化碳酸乙二酯(FEC)及二氟化碳酸乙二酯(dFEC)所組成之群中之至少一種。 含氟環狀碳酸酯之含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%以上且10質量%以下,進而較佳為1質量%以上且5質量%以下。若含氟環狀碳酸酯之含量為0.5質量%以上,則可於負極上形成優質之覆膜,而抑制負極上之電解液之還原分解,藉此獲得高溫下之耐久性較高之蓄電元件。若含氟環狀碳酸酯之含量為10質量%以下,則良好地保持電解質鹽之溶解度,且可較高地維持非水系電解液之離子傳導度,因此變得能夠表現出高程度之輸入輸出特性。 再者,含氟環狀碳酸酯可單獨使用,亦可將2種以上混合而使用。 作為環狀碳酸酯,較佳為碳酸伸乙烯酯。環狀碳酸酯之含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%以上且10質量%以下,進而較佳為1質量%以上且5質量%以下。若環狀碳酸酯之含量為0.5質量%以上,則可於負極上形成優質之覆膜,而抑制負極上之電解液之還原分解,藉此獲得高溫下之耐久性較高之蓄電元件。若環狀碳酸酯之含量為10質量%以下,則良好地保持電解質鹽之溶解度,且可較高地維持非水系電解液之離子傳導度,因此變得能夠表現出高程度之輸入輸出特性。 作為環狀羧酸酯,例如可列舉γ-丁內酯、γ-戊內酯、γ-己內酯、及ε-己內酯等,較佳為使用選自該等群中之至少1種。其中,就使源於鋰離子解離度之提高之電池特性提高之觀點而言,尤佳為γ-丁內酯。 環狀羧酸酯之含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下,進而較佳為1質量%以上且5質量%以下。若環狀羧酸酯之含量為0.5質量%以上,則可於負極上形成優質之覆膜,而抑制負極上之電解液之還原分解,藉此獲得高溫時耐久性較高之蓄電元件。若環狀羧酸酯之含量為5質量%以下,則良好地保持電解質鹽之溶解度,且可較高地維持非水系電解液之離子傳導度,因此變得能夠表現出高程度之輸入輸出特性。 再者,環狀羧酸酯可單獨使用,亦可將2種以上混合而使用。 作為環狀酸酐,較佳為選自由琥珀酸酐、順丁烯二酸酐、甲基順丁烯二酸酐、及衣康酸酐所組成之群中之至少1種。其中,就藉由工業上之易獲得性而抑制電解液之製造成本之方面、容易溶解至非水系電解液中之方面等而言,較佳為選自琥珀酸酐及順丁烯二酸酐之中。 環狀酸酐之含量以非水系電解液之合計質量為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下,進而較佳為1質量%以上且10質量%以下。若環狀酸酐之含量為0.5質量%以上,則可於負極上形成優質之覆膜,而抑制負極上之電解液之還原分解,藉此獲得高溫時耐久性較高之蓄電元件。若環狀酸酐之含量為10質量%以下,則良好地保持電解質鹽之溶解度,且可較高地維持非水系電解液之離子傳導度,因此變得能夠表現出高程度之輸入輸出特性。 再者,環狀酸酐可單獨使用,亦可將2種以上混合而使用。 [電解液中之Na、K] 本實施形態之非水系電解液含有鈉(Na)及/或鉀(K)元素。Na及/或K元素之濃度C2
較佳為0.5 ppm以上且100 ppm以下。濃度C2
更佳為1.5 ppm以上且90 ppm以下,進而較佳為3 ppm以上且80 ppm以下。若濃度C2
為0.5 ppm以上,則可抑制因高溫高電壓下之電壓降低引起之能量損失。若濃度C2
為100 ppm以下,則可抑制高負載充放電循環後之電容降低。電解液可含有該等Na及K之元素中之任一者,亦可含有兩者。於電解液含有Na及K之兩者之情形時,Na及K之合計濃度C2
為0.5 ppm以上且100 ppm以下即可。 若將非水系鋰型蓄電元件充電至例如4.0 V之高電壓,並於60℃之高溫下保管,則緩慢地產生電壓降低,使充電之能量損失。尤其於正極含有鋰化合物之非水系鋰型蓄電元件中,由於鋰自正極中之鋰化合物離子化而釋放於電解液中,而生成反應活性種,並與電解液或電解質反應,由此於負極充電之能量被消耗,電壓降低。 發明者等人發現,藉由於正極含有鋰化合物之非水系鋰型蓄電元件中,將含有選自Na及K中之至少1種元素之化合物添加至負極活性物質層及電解液中,並將其比率設為某固定範圍內,可抑制上述電壓降低。雖然原因並不確定,且不受理論所限定,但認為含有離子半徑大於鋰(Li)離子之Na及/或K等之陽離子之化合物可較Li離子使陽離子上之正電荷非定域化,因此容易離子化。因此,藉由於負極活性物質層及電解液中含有Na及/或K等之陽離子,且將其比率保持為某固定範圍,可保持蓄電元件之系整體之離子平衡性,可抑制Li離子自正極中之鋰化合物之釋放。認為其結果為,可抑制反應活性種之生成,抑制高溫高電壓狀態下之電壓降低。 作為將Na及/或K添加至電解液中之方法,並無特別限制,可列舉:將含有Na及/或K之化合物與鋰化合物混合粉碎並使其承載於正極前驅體,施加電壓使其分解並溶出之方法;使含有Na及/或K之鹽溶解於電解液中之方法等。其中,較佳為將含有Na及/或K之化合物與鋰化合物進行混合粉碎並使其承載於正極前驅體,施加電壓使其分解並溶出之方法。 本實施形態之上述負極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度C1
(ppm)與上述電解液中所含之Na及/或K元素之濃度C2
(ppm)之比C1
/C2
較佳為1.00以上且15.00以下,更佳為1.50以上且12.00以下,進而較佳為2.00以上且9.00以下。藉由C1
/C2
為1.00以上且15.00以下,於蓄電元件被曝露於高溫高電壓狀態之情形時,負極中之Na及/或K離子化,因此可抑制Li離子自正極中之鋰化合物之釋放。其結果為,可抑制反應活性種之生成,抑制高溫高電壓狀態下之電壓降低。藉由電解液中之Na及/或K離子相對較少,可抑制Na及/或K離子自負極過量地溶出而使電解液之離子傳導度降低,因此可保持蓄電元件之優異之高負載充放電循環特性。 [鋁] 非水系電解液以非水系電解液之質量作為基準,較佳為含有1 ppm以上且300 ppm以下,更佳為含有5 ppm以上且200 ppm以下,進而較佳為含有10 ppm以上且150 ppm以下之鋁。若鋁濃度為1 ppm以上,則顯示優異之高溫耐久性。詳細之機制並不明確,且不受理論所限定,但推測,正極中之鋰化合物於正極氧化分解並於電解液中溶出之鋰化合物之反應物與存在於電解液中之鋁於負極上被還原,生成牢固且穩定之覆膜,因此抑制高溫環境下之負極上之非水溶劑之還原分解反應,高溫耐久性提高。若鋁濃度為300 ppm以下,則可抑制鋁於負極上之還原析出,因此可良好地保持高負載充放電循環耐久性,因此較佳。再者,下限與上限之組合可為任意者。 [鋁之添加方法] 作為將鋁添加至本實施形態之非水系電解液之方法,並無特別限制,例如可列舉:使含有鋁之化合物含有於注液前之非水系電解液中並溶解之方法;藉由對非水系鋰型蓄電元件施加高電壓,而使正極集電體之鋁氧化分解,藉此於非水系電解液中溶出之方法等。 [鋁之定量方法] 作為本實施形態之非水系電解液中之鋁之定量方法,並無特別限制,例如可列舉於蓄電元件之完成後,自蓄電元件取出非水系電解液,使用ICP-AES、原子吸光分析法、螢光X射線分析法、中性子放射化分析法、ICP-MS等而算出之方法等。 [非水系鋰型蓄電元件] 本實施形態之非水系鋰型蓄電元件較佳為下述電極積層體或電極捲繞體與上述非水系電解液一併收納於上述外裝體內而構成。 <非水系鋰型蓄電元件之製造方法> [組裝] 於單元之組裝中,可藉由將切割為單片之形狀之正極前驅體與負極介隔分隔件進行積層而獲得積層體,於所獲得之積層體連接正極端子及負極端子,而獲得電極積層體。又,可藉由將正極前驅體與負極介隔分隔件進行捲繞而獲得捲繞體,於所獲得之捲繞體連接正極端子及負極端子,而獲得電極捲繞體。電極捲繞體之形狀可為圓筒型,亦可為扁平型。 正極端子及負極端子之連接之方法並無特別限定,可使用電阻熔接或超音波熔接等方法。 較佳為藉由將連接有端子之電極積層體或電極捲繞體進行乾燥而除去殘存溶劑。乾燥方法並無限定,可藉由真空乾燥等進行乾燥。殘存溶劑相對於正極活性物質層或負極活性物質層之合計質量,較佳為1.5質量%以下。若殘存溶劑為1.5質量%以下,則殘存於系內之溶劑較少,自放電特性得到改善,故而較佳。 較佳為乾燥之電極積層體或電極捲繞體於較佳為露點-40℃以下之乾燥環境下,收納至以金屬罐或層壓膜為代表之外裝體中,並僅留有1個用以注入非水系電解液之開口部而進行密封。若露點為-40℃以下,則於電極積層體或電極捲繞體不易附著水分,殘存於系內之水較少,自放電特性得到改善,故而較佳。外裝體之密封方法並無特別限定,可使用熱密封或脈衝密封等方法。 [注液、含浸、密封] 組裝後,較佳為對外裝體中所收納之電極積層體或電極捲繞體注入非水系電解液。注液後,進而進行含浸,較理想為利用非水系電解液充分地浸漬正極、負極、及分隔件。於正極、負極、及分隔件中之至少一部分未浸漬非水系電解液之狀態下,於下述鋰摻雜操作中,摻雜不均勻地進行,因此所獲得之非水系鋰型蓄電元件之電阻上升,或耐久性降低。作為含浸之方法,並無特別限制,例如可使用:將注液後之電極積層體或電極捲繞體於外裝體開口之狀態下設置於減壓腔室中,使用真空泵將腔室內設為減壓狀態,再次恢復至大氣壓之方法等。含浸後,可藉由一邊將外裝體開口之狀態之電極積層體或電極捲繞體進行減壓一邊進行密封而將其密閉。 [鋰摻雜] 於鋰摻雜中,較佳為藉由對正極前驅體與負極之間施加電壓而使正極前驅體中之鋰化合物分解,而釋放鋰離子,並於負極將鋰離子還原,藉此對負極活性物質層預摻雜鋰離子。 於鋰摻雜中,隨著正極前驅體中之鋰化合物之氧化分解,而產生CO2
等氣體。因此,於施加電壓時,較佳為採用將所產生之氣體釋放至外裝體之外部之方法。作為該方法,例如可列舉:於使外裝體之一部分開口之狀態下施加電壓之方法;於預先對外裝體之一部分設置有排氣閥、氣體透過膜等適宜之氣體釋放機構之狀態下施加電壓之方法等。 [老化] 於鋰摻雜後,較佳為對電極積層體或電極捲繞體進行老化。於老化中,於負極將非水系電解液中之溶劑分解,而於負極表面形成鋰離子透過性之固體高分子覆膜。 作為老化之方法,並無特別限制,例如可使用於高溫環境下使電解液中之溶劑進行反應之方法等。 [排氣] 於老化後,進而進行排氣,較佳為確實地除去非水系電解液、正極、及負極中所殘存之氣體。於非水系電解液、正極、及負極之至少一部分殘存有氣體之狀態下,由於離子傳導受到阻礙,故而導致所獲得之非水系鋰型蓄電元件之電阻上升。 作為上述排氣之方法,並無特別限制,例如可使用:於上述外裝體開口之狀態下將電極積層體或電極捲繞體設置於減壓腔室中,使用真空泵將腔室內設為減壓狀態之方法等。於排氣後,可藉由將外裝體進行密封而將外裝體密閉,製作非水系鋰型蓄電元件。 <非水系鋰型蓄電元件之特性評價> [靜電電容] 於本說明書中,靜電電容Fa(F)係藉由以下之方法所獲得之值。 首先,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元(cell)於設定為25℃之恆溫槽內,以2 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電。將以2 C之電流值實施恆定電流放電至2.2 V時之電容設為Q(C)。使用此處所獲得之Q及電壓變化ΔVx
(V),將根據靜電電容Fa=Q/ΔVx
=Q/(3.8-2.2)而算出之值稱為靜電電容Fa(F)。 此處所謂電流之放電速率(亦稱為「C速率」)係指放電時之電流相對於放電電容之相對比率,一般而言,於自上限電壓進行恆定電流放電至下限電壓時,將以1小時完成放電之電流值稱為1 C。於本說明書中,於自上限電壓3.8 V進行恆定電流放電至下限電壓2.2 V時,將以1小時完成放電之電流值設為1 C。 [電量] 於本說明書中,所謂電量E(Wh)係指藉由以下之方法所獲得之值: 使用藉由上文所述之方法而算出之靜電電容F(F),根據F×(3.82
-2.22
)/2/3600而算出之值。 [體積] 非水系鋰型蓄電元件之體積並未特別指定,係指於電極積層體或電極捲繞體中,利用外裝體而收納堆迭有正極活性物質層及負極活性物質層之區域的部分之體積。 例如,於為利用層壓膜所收納之電極積層體或電極捲繞體之情形時,於電極積層體或電極捲繞體中,將正極活性物質層及負極活性物質層所存在之區域收納於經杯式成形之層壓膜中。該非水系鋰型蓄電元件之體積(V1
)係由該杯式成形部分之外尺寸長度(l1
)、外尺寸寬度(w1
)、及包括層壓膜在內之非水系鋰型蓄電元件之厚度(t1
),根據V1
=l1
×w1
×t1
進行計算。 於為收納於角型之金屬罐之電極積層體或電極捲繞體之情形時,作為非水系鋰型蓄電元件之體積,單純使用該金屬罐之外尺寸之體積。即,該非水系鋰型蓄電元件之體積(V2
)係由角型之金屬罐之外尺寸長度(l2
)與外尺寸寬度(w2
)、外尺寸厚度(t2
),根據V2
=l2
×w2
×t2
進行計算。 於為收納於圓筒型之金屬罐之電極捲繞體之情形時,作為非水系鋰型蓄電元件之體積,使用該金屬罐之外尺寸之體積。即,該非水系鋰型蓄電元件之體積(V3
)係由圓筒型之金屬罐之底面或上表面之外尺寸半徑(r)、外尺寸長度(l3
),根據V3
=3.14×r×r×l3
進行計算。 [能量密度] 於本說明書中,所謂能量密度係指使用電量E與體積Vi
(i=1、2、3)並藉由E/Vi
(Wh/L)之式而獲得之值。 [常溫內部電阻] 於本說明書中,所謂常溫內部電阻Ra(Ω)係指藉由以下之方法所獲得之值: 首先,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元於設定為25℃之恆溫槽內,以20 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電。繼而,以20 C之電流值進行恆定電流放電至2.2 V,獲得放電曲線(時間-電壓)。於該放電曲線中,由放電時間2秒及4秒之時刻之電壓值,藉由線性近似進行外插,將所獲得之放電時間=0秒時之電壓設為Eo時,由降低電壓ΔE=3.8-Eo、及Ra=ΔE/(20 C(電流值A))而算出之值。 [高溫高電壓保存試驗] 於本說明書中,高溫保存試驗時之氣體產生量、及高溫保存試驗後之常溫內部電阻上升率係藉由以下之方法進行測定: 首先,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元於設定為25℃之恆溫槽內,以100 C之電流值恆定電流充電至達到4.0 V,繼而進行10分鐘之施加4.0 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將單元保存於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,於上述充電操作中將單元電壓充電至4.0 V後,再次將單元保存於60℃環境下。重複進行該操作,2個月期間繼續進行高溫保存試驗。對於上述高溫保存試驗後之單元,將使用與上述常溫內部電阻相同之測定方法所獲得之電阻值設為高溫保存試驗後之常溫內部電阻Rd時,相對於高溫保存試驗開始前之常溫內部電阻Ra的高溫保存試驗後之常溫內部電阻上升率由Rd/Ra而算出。 [高負載充放電循環試驗後之常溫放電內部電阻上升率] 於本說明書中,高負載充放電循環試驗後之電阻上升率係藉由以下之方法進行測定: 首先,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元於設定為25℃之恆溫槽內,以300 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而以300 C之電流值進行恆定電流放電至達到2.2 V。將上述充放電操作重複進行60000次,於試驗開始前與試驗結束後進行常溫放電內部電阻測定,將試驗開始前之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將試驗結束後之常溫放電內部電阻設為Re(Ω)時,相對於試驗開始前之高負載充放電循環試驗後之常溫放電內部電阻上升率由Re/Ra而算出。 [高負載充放電循環試驗後之電容維持率] 於本說明書中,高負載充放電循環試驗後之電容維持率係藉由以下之方法進行測定。 首先,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元於設定為25℃之恆溫槽內以200 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而以200 C之電流值進行恆定電流放電至達到2.2 V。重複60000次該高負載充放電循環,其後以20 C之電流值到達電壓4.5 V後,以恆定電壓充電1小時。藉由利用上述方法進行靜電電容測定而求出靜電電容Fe(F),並將其與試驗開始前之靜電電容F(F)進行比較,藉此求出相對於試驗開始前之試驗後之靜電電容維持率(Fe/F)。 本實施形態之非水系鋰型蓄電元件於將初期之常溫內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將電量設為E(Wh),將蓄電元件之體積設為V(L)時,較佳為滿足以下之(a)或/及(b): (a)Ra與F之積Ra・F為0.3以上且3.0以下、 (b)E/V為15以上且50以下。 關於(a),就表現出對於大電流而言充分之充電電容與放電電容之觀點而言,Ra・F較佳為3.0以下,更佳為2.6以下,進而較佳為2.4以下。若Ra・F為上述上限值以下,則可獲得具有優異之輸入輸出特性之非水系鋰型蓄電元件。因此,藉由將使用非水系鋰型蓄電元件之蓄電系統與例如高效率引擎組合等,亦可充分耐受於施加於非水系鋰型蓄電元件之高負載,因此較佳。 關於(b),就表現充分之充電電容與放電電容之觀點而言,E/V較佳為15以上,更佳為18以上,進而較佳為20以上。若E/V為上述下限值以上,則可獲得具有優異之體積能量密度之蓄電元件。因此,於將使用蓄電元件之蓄電系統與例如汽車之引擎組合使用之情形時,可於汽車內之有限之狹小空間設置蓄電系統,因此較佳。 本實施形態之非水系鋰型蓄電元件於將初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月後之常溫放電內部電阻設為Rd(Ω)時,較佳為滿足以下之(e)或/及(f): (e)Rd/Ra為0.3以上且3.0以下,較佳為0.9以上且3.0以下; (f)於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量於25℃下為30×10-3
cc/F以下。 關於條件(e),於長時間曝露於高溫環境下之情形時,就表現出對於大電流而言充分之充電電容與放電電容之觀點而言,Rd/Ra較佳為3.0以下,更佳為2.0以下,進而較佳為1.5以下。若Rd/Ra為上述上限值以下,則可長期穩定地獲得優異之輸出特性,因此實現裝置之長壽命化。 關於條件(f),於單元電壓4.0 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量就藉由產生之氣體抑制元件之特性降低之觀點而言,作為於25℃下測定產生氣體量所得之值,較佳為30×10-3
cc/F以下,更佳為20×10-3
cc/F以下,進而較佳為15×10-3
cc/F以下。若於上述條件下產生之氣體量為上述上限值以下,則即使於裝置長時間曝露於高溫之情形時,單元因氣體產生而膨脹之虞亦較少。因此,可獲得具有充分之安全性及耐久性之蓄電元件。 本實施形態之非水系鋰型蓄電元件於將非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以300 C之速率進行充放電循環60,000次後之常溫放電內部電阻設為Re(Ω),將循環試驗後之蓄電元件進行1小時之4.5 V之恆定電壓充電後之靜電電容設為Fe(F)時,較佳為滿足以下之(g)或/及(h): (g)Re/Ra為0.9以上且2.0以下、 (h)Fe/F為1.01以上。 關於條件(g),高負載充放電循環試驗後之常溫放電內部電阻上升率Re/Ra較佳為2.0以下,更佳為1.5以下,進而較佳為1.2以下。若高負載充放電循環試驗後之電阻上升率為上述上限值以下,則即使重複進行充放電,亦維持裝置之特性。因此,可長期穩定地獲得優異之輸出特性,實現裝置之長壽命化。 關於條件(h),若Fe/F為1.01以上,則即使為進行過長時間充放電之蓄電元件,亦可擷取充分之電容之能量,因此可延長蓄電元件之更換週期,因此較佳。 <正極活性物質中之鋰化合物之鑑定方法> 正極活性物質中所含之鋰化合物之鑑定方法並無特別限定,可藉由例如下述方法進行鑑定。鋰化合物之鑑定較佳為將以下所記載之複數種分析方法組合而進行鑑定。 於測定以下所記載之SEM-EDX、拉曼光譜法、及XPS時,較佳為於氬氣箱中將非水系鋰型蓄電元件拆解並取出正極,將正極表面所附著之電解質洗淨後進行測定。作為洗淨正極之溶劑,將正極表面所附著之電解質加以沖洗即可,例如可適宜地利用碳酸二甲酯、碳酸甲酯乙酯、及碳酸二乙酯等碳酸酯溶劑。作為洗淨方法,例如使正極於正極重量之50~100倍之碳酸二乙酯溶劑中浸漬10分鐘以上,其後更換溶劑再次浸漬正極。其後,將正極自碳酸二乙酯取出,使之真空乾燥後,實施SEM-EDX、拉曼光譜法、及XPS之分析。真空乾燥之條件設為於溫度:0~200℃、壓力:0~20 kPa、時間:1~40小時之範圍內正極中之碳酸二乙酯之殘存成為1質量%以下之條件。關於碳酸二乙酯之殘存量,可測定下述之蒸餾水洗淨、液量調整後之水之GC/MS,並基於預先製作之校準曲線進行定量。 關於下述之離子層析法,可藉由對利用蒸餾水將正極洗淨後之水加以分析,而鑑定陰離子。 於藉由分析方法未能鑑定鋰化合物之情形時,亦可藉由使用作為其他分析方法之7
Li-固態NMR、XRD(X射線繞射)、TOF-SIMS(飛行時間型二次離子質譜分析)、AES(歐傑電子能譜)、TPD/MS(程式溫控脫附質譜分析)、DSC(示差掃描熱量分析)等而鑑定鋰化合物。 [能量分散型X射線分析(SEM-EDX)] 含有氧之鋰化合物及正極活性物質可根據將觀察倍率設為1000倍~4000倍而測得之正極表面之SEM-EDX圖像之氧分佈分析加以判別。作為SEM-EDX圖像之測定例,可將加速電壓設為10 kV、發射電流設為1 μA、測定像素數設為256×256個像素、累計次數設為50次而進行測定。為了防止試樣之帶電,亦可藉由真空蒸鍍或濺鍍等方法,而表面處理有金、鉑、鋨等。關於SEM-EDX圖像之測定方法,較佳為以無亮度達到最大亮度之像素,亮度之平均值處於亮度40%~60%之範圍之方式調整亮度及對比度。對於所獲得之氧分佈分析,以亮度之平均值作為基準進行二值化時,將含有面積50%以上之明部的粒子設為鋰化合物。 [拉曼光譜法] 包含碳酸根離子之鋰化合物及正極活性物質可根據將觀察倍率設為1000倍~4000倍而測得之正極表面之拉曼成像加以判別。作為測定條件之例,可於將激發光設為532 nm、激發光強度設為1%、物鏡之長作動設為50倍、繞射光柵設為1800 gr/mm、分佈分析方式設為點掃描(狹縫65 mm、合併5 pix)、步距1 mm、每1點之曝光時間設為3秒、累計次數設為1次、有雜波濾波器之條件下進行測定。針對所測得之拉曼光譜,於1071~1104 cm-1
之範圍內設定直線之基準線,將與基準線相比為正之值作為碳酸根離子之波峰而算出面積,將頻率進行累計。此時,自碳酸根離子之頻率分佈減去相對於將雜波成分利用高斯型函數進行近似之碳酸根離子波峰面積的頻率。 [X射線光電分光法(XPS)] 可藉由利用XPS分析鋰之電子狀態,而判別鋰之鍵結狀態。作為測定條件之例,可於將X射線源設為單色化AlKα、X射線束直徑設為100 μm f (25 W、15 kV)、通能設為細部掃描:58.70 eV、有電荷中和、掃描數設為細部掃描:10次(碳、氧)20次(氟)30次(磷)40次(鋰)50次(矽)、能階設為細部掃描:0.25 eV之條件下進行測定。較佳為於XPS測定前,藉由濺鍍而清潔正極之表面。作為濺鍍條件,例如可於加速電壓1.0 kV、2 mm×2 mm之範圍、1分鐘(以SiO2
換算為1.25 nm/min)之條件對正極之表面進行清潔。針對所獲得之XPS光譜,可將Li1s之鍵結能50~54 eV之波峰歸屬於LiO2
或Li-C鍵,將55~60 eV之波峰歸屬於LiF、Li2
CO3
、Lix
POy
Fz
(x、y、z為1~6之整數);將C1s之鍵結能285 eV之波峰歸屬於C-C鍵,將286 eV之波峰歸屬於C-O鍵,將288 eV之波峰歸屬於COO,將290~292 eV之波峰歸屬於CO3 2-
、C-F鍵;將O1s之鍵結能527~530 eV之波峰歸屬於O2-
(Li2
O),將531~532 eV之波峰歸屬於CO、CO3
、OH、POx
(x為1~4之整數)、SiOx
(x為1~4之整數),將533 eV之波峰歸屬於C-O、SiOx
(x為1~4之整數);將F1s之鍵結能685 eV之波峰歸屬於LiF,將687 eV之波峰歸屬於C-F鍵、Lix
POy
Fz
(x、y、z為1~6之整數)、PF6 -
;關於P2p之鍵結能,將133 eV之波峰歸屬於POx
(x為1~4之整數),將134~136 eV之波峰歸屬於PFx
(x為1~6之整數);將Si2p之鍵結能99 eV之波峰歸屬於Si、矽化物,將101~107 eV之波峰歸屬於Six
Oy
(x、y為任意之整數)。針對所獲得之光譜,於波峰重合之情形時,較佳為假設高斯函數或勞侖茲函數進行波峰分離,而將光譜進行歸屬。根據所獲得之電子狀態之測定結果及存在元素比之結果,可鑑定所存在之鋰化合物。 [離子層析法] 可藉由利用蒸餾水將正極洗淨,利用離子層析法對洗淨後之水進行分析,而鑑定溶出至水中之陰離子種。作為所使用之管柱,可使用離子交換型、離子排除型、逆相離子對型。作為檢測器,可使用導電度檢測器、紫外可見光吸光光度檢測器、電化學檢測器等,可使用在檢測器之前設置抑制器的抑制器方式、或不配置抑制器而將導電度較低之溶液用於溶離液之無抑制器方式。由於亦可將質譜分析儀或帶電粒子檢測器與檢測器組合而進行測定,故而較佳為根據由SEM-EDX、拉曼光譜法、XPS之分析結果所鑑定出之鋰化合物,而組合適當之管柱及檢測器。 若所使用之管柱或溶離液等條件固定,則樣品之保持時間根據每種離子種成分而固定,又,波峰之響應之大小根據每種離子種而異,與離子種之濃度成比例。變得能夠藉由預先測定已確保溯源性之已知濃度之標準液,而進行離子種成分之定性與定量。 <鋰化合物之定量方法> 將正極之正極活性物質層中所含之鋰化合物之定量方法記載於以下。可將正極利用有機溶劑洗淨,其後利用蒸餾水洗淨,根據利用蒸餾水進行洗淨前後之正極之重量變化而定量鋰化合物。測定之正極之面積S(cm2
)並無特別限制,就減輕測定之偏差之觀點而言,較佳為5 cm2
以上且200 cm2
以下,進而較佳為25 cm2
以上且150 cm2
以下。若面積為5 cm2
以上,則確保測定之再現性。若面積為200 cm2
以下,則樣品之操作性優異。作為有機溶劑,只要能夠除去正極表面所沈積之電解液分解物即可,並無特別限定,藉由使用鋰化合物之溶解度為2%以下之有機溶劑,會抑制鋰化合物之溶出,故而較佳。作為此種有機溶劑,例如適宜地使用甲醇、甲醇、丙酮、及乙酸乙酯等極性溶劑。 正極之洗淨方法係使正極於相對於正極之重量為50~100倍之甲醇溶液中充分地浸漬3天以上。浸漬期間,較佳為例如對容器封蓋,以阻止甲醇揮發。於浸漬3天以上後,將正極自甲醇取出,進行真空乾燥,將真空乾燥後之正極之重量設為M0
(g)。真空乾燥之條件係設為於溫度:100~200℃、壓力:0~10 kPa、時間:5~20小時之範圍內正極中之甲醇之殘存成為1質量%以下之條件。關於甲醇之殘存量,測定下述蒸餾水洗淨後之水之GC/MS,可基於預先製作之校準曲線進行定量。繼而,使正極於正極之重量之100倍(100M0
(g))之蒸餾水中充分地浸漬3天以上。於測定離子層析法之情形時,以蒸餾水之量成為100M0
(g)之方式調整液量。浸漬期間,較佳為例如對容器封蓋,以阻止蒸餾水揮發。於浸漬3天以上後,自蒸餾水取出正極,與上述之甲醇洗淨同樣地進行真空乾燥。將真空乾燥後之正極之重量設為M1
(g),繼而,為了測定所獲得之正極之集電體之重量,使用刮勺、刷子、毛刷等而除去集電體上之正極活性物質層。若將所獲得之正極集電體之重量設為M2
(g),則正極之每一單面之正極活性物質層中所含之鋰化合物之單位面積重量D(g/m2
)及正極之每一單面之正極活性物質層中所含之正極活性物質之單位面積重量E(g/m2
)及正極中所含之鋰化合物之質量%Z可根據(4)式及(5)式及(6)式而算出。 D=0.5×10000×(M0
-M1
)/S 式(4) E=0.5×10000×(M1
-M2
)/S 式(5) Z=100×[1-(M1
-M2
)/(M0
-M2
)] 式(6) <Na、及K元素之定量方法 感應耦合電漿質譜分析(ICP-MS)> 使用濃硝酸、濃鹽酸、王水等強酸將甲醇洗淨後之正極酸分解,將所獲得之溶液以成為2%~3%之酸濃度之方式利用純水進行稀釋。於酸分解中,亦可適當加熱及/或加壓而分解。藉由ICP-MS對所獲得之稀釋液進行分析。較佳為於分析時預先添加作為內部標準之已知量之元素。針對所獲得之測定結果,可基於使用化學分析用之標準液預先製作之校準曲線,對各元素進行定量。 [實施例] 以下,例示實施例及比較例,具體地說明本發明之實施形態,然而,本發明並不受以下之實施例及比較例任何限定。 <實施例1-1> <正極活性物質之製備> [活性碳1之製備] 將經破碎之椰子殼碳化物放入小型碳化爐內,於氮氣環境下,於500℃下碳化處理3小時而獲得碳化物。將所獲得之碳化物放入活化爐內,將利用預熱爐進行加溫之水蒸汽以1 kg/h導入活化爐內,以8小時升溫至900℃而進行活化。取出活化後之碳化物,並於氮氣環境下進行冷卻,而獲得經活化之活性碳。將所獲得之經活化之活性碳流水洗淨10小時後進行脫水,於保持為115℃之電氣乾燥機內乾燥10小時後,利用球磨機粉碎1小時,而獲得活性碳1。 使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J),測定活性碳1之平均粒徑,結果為4.2 μm。又,使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP),測定活性碳1之細孔分佈。其結果為,BET比表面積為2360 m2
/g,中孔量(V1
)為0.52 cc/g,微孔量(V2
)為0.88 cc/g,V1
/V2
=0.59。 [活性碳2之製備] 將酚樹脂放入煅燒爐內,於氮氣環境下,於600℃下碳化處理2小時後,利用球磨機進行粉碎,並進行分級而獲得平均粒徑7 μm之碳化物。將所獲得之碳化物與KOH以質量比1:5加以混合,放入煅燒爐內,於氮氣環境下,於800℃下加熱1小時而進行活化。取出活化後之碳化物,於調整為濃度2 mol/L之稀鹽酸中攪拌洗淨1小時,利用蒸餾水進行煮沸洗淨直至pH值穩定於5~6之間之後,進行乾燥,藉此獲得活性碳2。 使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J),測定活性碳2之平均粒徑,結果為7.0 μm。又,使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP),測定活性碳2之細孔分佈。其結果為,BET比表面積為3627 m2
/g,中孔量(V1
)為1.50 cc/g,微孔量(V2
)為2.28 cc/g,V1
/V2
=0.66。 <碳酸鋰1之調整> 將平均粒徑53 μm之碳酸鋰200 g與氧化鈉0.010 g於25℃下進行乾摻,而獲得混合物。使用Aimex公司製造之粉碎機(液氮珠磨機LNM),將所獲得之混合物以液氮冷卻至-196℃後,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠,以周速10.0 m/s粉碎20分鐘粉碎,獲得碳酸鋰1。藉由冷卻至-196℃,防止碳酸鋰之熱變性並且可進行脆性破壞。測定所獲得之碳酸鋰1之平均粒徑,結果為2.5 μm。 <正極前驅體之製造> 使用活性碳2作為正極活性物質,使用碳酸鋰1作為鋰化合物,而製造正極前驅體。 將55.5質量份之活性碳2、32.0質量份之碳酸鋰1、3.0質量份之科琴黑、1.5質量份之PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、及8.0質量份之PVDF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix,將其以周速17 m/s之條件進行分散而獲得塗敷液。使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H而測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,730 mPa・s,TI值為4.3。使用Yoshimitsu Seiki公司製造之粒度計而測定所獲得之塗敷液之分散度。其結果為,粒度為32 μm。使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將塗敷液塗敷至厚度15 μm之鋁箔之單面或兩面,於乾燥溫度120℃下進行乾燥,而獲得正極前驅體1(單面)及正極前驅體1(兩面)。將所獲得之正極前驅體1(單面)及正極前驅體1(兩面),使用輥壓機於壓力6 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於經加壓之正極前驅體1(單面)及正極前驅體1(兩面)之整體厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定正極前驅體1(單面)及正極前驅體1(兩面)之任意10處。自所測得之整體厚度之平均值減去鋁箔之厚度,而求出正極前驅體1(單面)及正極前驅體1(兩面)之正極活性物質層之膜厚。其結果為,關於正極活性物質層之膜厚,每一單面為52 μm。 <負極活性物質之製備> 使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP),藉由上述方法而測定市售之人造石墨之BET比表面積及細孔分佈。其結果為,BET比表面積為3.1 m2
/g,平均粒徑為4.8 μm。 將該人造石墨300 g放入不鏽鋼網製之籠中,放置於加入有煤系瀝青(軟化點:50℃)30 g之不鏽鋼製槽之上,將兩者設置於電爐(爐內有效尺寸300 mm×300 mm×300 mm)內。藉由將其於氮氣環境下,以12小時升溫至1000℃,於相同溫度下保持5小時,使之熱反應,而獲得複合多孔質碳材料1a。將所獲得之複合多孔質碳材料1a藉由自然冷卻而冷卻至60℃,自電爐中取出。 針對所獲得之複合多孔質碳材料1a,藉由與上述相同之方法測定BET比表面積及細孔分佈。其結果為,BET比表面積為6.1 m2
/g,平均粒徑為4.9 μm。複合多孔質碳材料1a中之源自煤系瀝青之碳質材料相對於活性碳之質量比率為2.0%。 <負極之製造> 使用複合多孔質碳材料1a作為負極活性物質而製造負極。 將84質量份之複合多孔質碳材料1a、10質量份之乙炔黑、及6質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix,將其以周速17 m/s之條件進行分散,而獲得塗敷液。使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,326 mPa・s,TI值為2.7。使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度2 m/s之條件下將塗敷液塗敷至厚度10 μm之電解銅箔之兩面,於乾燥溫度120℃下進行乾燥,而獲得負極1。將所獲得之負極1,使用輥壓機於壓力5 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於經加壓之負極1之整體厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定負極1之任意10處。自所測得之整體厚度之平均值減去銅箔之厚度,求出負極1之負極活性物質層之膜厚。其結果為,關於負極活性物質層之膜厚,每一單面為30 μm。 [負極每單位重量之電容之測定] 將所獲得之負極1切出1塊1.4 cm×2.0 cm(2.8 cm2
)之大小,使用刮勺、刷子、毛刷除去塗敷於銅箔兩面之負極活性物質層之其中一層,而製成工作電極。使用金屬鋰分別作為相對電極及參考電極,使用向碳酸乙二酯(EC)與碳酸甲酯乙酯(EMC)之體積比1:1混合溶劑中以1.0 mol/L之濃度溶解有LiPF6
之非水系溶液作為電解液,於氬氣箱中製作電化學電池。 針對所獲得之電化學電池,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),按照以下之順序測定初期充電電容。 對於電化學電池,於溫度25℃下,以電流值0.5 mA/cm2
進行恆定電流充電至電壓值成為0.01 V後,進而進行恆定電壓充電至電流值成為0.01 mA/cm2
。將該恆定電流充電及恆定電壓充電時之充電電容設為初次充電電容並進行評價,結果為0.74 mAh,負極1之每單位質量之電容(鋰離子之摻雜量)為545 mAh/g。 <電解液之製備> 使用碳酸乙二酯(EC):碳酸甲酯乙酯(EMC)=33:67(體積比)之混合溶劑作為有機溶劑,以相對於全部電解液LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度比為75:25(莫耳比),且LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度之和成為1.2 mol/L之方式溶解各自之電解質鹽,而獲得非水系電解液1。非水系電解液1中之LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度分別為0.3 mol/L及0.9 mol/L。 <非水系鋰型蓄電元件之製作> 對於所獲得之正極前驅體1,以正極活性物質層成為10.0 cm×10.0 cm(100 cm2
)之大小之方式切出2塊正極前驅體1(單面),且切出19塊正極前驅體1(兩面)。繼而,對於負極1,以負極活性物質層成為10.1 cm×10.1 cm(102 cm2
)之大小之方式切出20塊。準備40塊10.3 cm×10.3 cm(106 cm2
)之聚乙烯製之分隔件(旭化成製造,厚度10 μm)。將該等以最外層成為正極前驅體1(單面)之方式,且以正極前驅體1、分隔件、負極1之順序夾著分隔件以正極活性物質層與負極活性物質層對向之方式進行積層,而獲得電極積層體。於所獲得之電極積層體上超音波熔接正極端子及負極端子,放入由鋁層壓包材所形成之容器中,藉由熱密封將含有電極端子部之3邊進行密封。 對於收納至鋁層壓包材中之電極積層體,於大氣壓下,於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,注入約80 g之非水系電解液1。繼而,將其放入減壓腔室中,自大氣壓減壓至-87 kPa之後,恢復至大氣壓,並靜置5分鐘。其後,重複進行4次自大氣壓減壓至-87 kPa之後恢復至大氣壓之操作後,靜置15分鐘。進而,自大氣壓減壓至-91 kPa後,恢復至大氣壓。重複進行合計7次同樣地進行減壓並恢復至大氣壓之操作(自大氣壓分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之順序,使非水系電解液1含浸於電極積層體。 其後,藉由將含浸有非水系電解液1之電極積層體放入減壓密封機中,於減壓至-95 kPa之狀態下,於180℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,而將鋁層壓包材加以密封。 [鋰摻雜] 將所獲得之電極積層體放入溫度25℃、露點-60℃、氧濃度1 ppm之氬氣箱內。將鋁層壓包材之剩餘部切斷而開封,使用Matsusada Precision公司製造之電源(P4LT18-0.2),藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電72小時。鋰摻雜結束後,使用Fuji Impulse公司製造之熱密封機(FA-300)將鋁層壓層加以密封。 [老化] 將鋰摻雜後之電極積層體自氬氣箱中取出,於25℃環境下,以100 mA進行恆定電流放電至電壓達到3.8 V後,進行3.8 V恆定電流放電1小時,藉此將電壓調整為3.8 V。繼而,將電極積層體於60℃之恆溫槽中保管48小時。 [排氣] 對於老化後之電極積層體,於溫度25℃、露點-40℃之乾燥空氣環境下將鋁層壓包材之一部分開封。繼而,將電極積層體放入減壓腔室中,使用隔膜泵(KNF公司製造,N816.3KT.45.18),以3分鐘自大氣壓減壓至-80 kPa後,以3分鐘恢復至大氣壓,將該步驟合計重複進行3次。其後,將電極積層體放入減壓密封機中,減壓至-90 kPa後,於200℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封,而製作非水系鋰型蓄電元件。藉由以上之順序,而製作3個非水系鋰型蓄電元件。 <非水系鋰型蓄電元件之評價> [靜電電容Fa之測定] 關於所獲得之非水系鋰型蓄電元件內之1個,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks Fukushima股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以2 C之電流值(1.6 A)進行恆定電流充電至達到3.8 V,繼而,進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,以2 C之電流值(1.6 A)實施恆定電流放電至2.2 V,將此時之電容設為Q(C),藉由F=Q/(3.8-2.2)算出之靜電電容Fa為1797 F。 [高負載充放電循環試驗] 針對相同之非水系鋰型蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks Fukushima股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),於不暫停之條件下重複60000次如下充放電順序:以200 C之電流值(160 A)進行恆定電流充電至達到3.8 V,繼而以200 C之電流值恆定電流放電至達到2.2 V。於循環結束後,於25℃環境下以20 C之電流值(16A)對非水系鋰型蓄電元件進行充電至4.5 V,其後繼續進行恆定電壓充電1小時。其後測定靜電電容Fb,結果為1921 F,且Fb/Fa=1.07。 [高溫高電壓保存試驗] 針對所獲得之剩餘之非水系鋰型蓄電元件內之1個,使用ASKA ELECTRONIC股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,10 A),以2 C之電流值(1.6 A)進行恆定電流充電至達到電壓3.800 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.800 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將非水系鋰型蓄電元件於設定為70℃之恆溫槽中保管30天。保管30天後之非水系鋰型蓄電元件之電壓降低至3.714 V,電壓變化量ΔV為0.086 V。 <鋰化合物之分析、定量> [正極試樣之製備] 將所獲得之剩餘之非水系鋰型蓄電元件於露點溫度-72℃之氬氣箱中進行拆解,將於兩面塗敷有正極活性物質層之正極切出10 cm×10 cm之大小,並浸於30 g之碳酸二乙酯溶劑中,偶爾利用鑷子挪動正極,洗淨10分鐘。繼而,取出正極,於氬氣箱中風乾5分鐘,將正極浸於新準備之30 g之碳酸二乙酯溶劑中,藉由與上述相同之方法洗淨10分鐘。將經洗淨之正極自氬氣箱中取出,使用真空乾燥機(大和科學製造,DP33),於溫度25℃、壓力1 kPa之條件下乾燥20小時,而獲得正極試樣1。 <鋰化合物、Na之定量> 將所獲得之正極試樣1切出5 cm×5 cm之大小(正極試樣1-1,重量0.265 g)及5 cm×4 cm之大小(正極試樣1-2,重量0.212 g),並將各者浸漬於20 g之甲醇中,對容器封蓋,於25℃環境下靜置3天。其後,取出正極試樣1-1及正極試樣1-2,於120℃、5 kPa之條件下真空乾燥10小時。真空乾燥後之正極試樣1-1之重量M0
為0.252 g,正極試樣1-2之重量為0.202 g。關於洗淨後之甲醇溶液,於預先製作校準曲線之條件下測定GC/MS,確認碳酸二乙酯之存在量未達1%。繼而,使正極試樣1-1含浸於25.20 g之蒸餾水,對容器封蓋,於45℃環境下靜置3天。其後,取出正極試樣1-1,於150℃、3 kPa之條件下真空乾燥12小時。真空乾燥後之重量M1
為0.239 g,關於洗淨後之蒸餾水,於預先製作校準曲線之條件下測定GC/MS,確認到甲醇之存在量未達1%。其後,使用刮勺、刷子、毛刷除去正極集電體上之活性物質層,並測定正極集電體之重量M2
,結果為0.099 g。依照式(4)及式(5),D=2.6 g/m2
,E=28.0。 關於正極試樣1-2,使用鐵氟龍(註冊商標)製之刮勺將正極集電體上之正極活性物質層全部除去,使用濃硝酸對所獲得之正極活性物質層進行酸分解。將所獲得之溶液以成為2%之酸濃度之方式利用純水進行稀釋後,藉由ICP-MS進行Na之分析,結果為C=3.1 ppm。 根據以上,C/D為1.2,C/E為0.1,D/E為0.09。 <A1
、A2
之算出> [正極表面SEM及EDX測定] 自剩餘之正極試樣1切出1 cm×1 cm之小片,於10 Pa之真空中,藉由濺鍍而於表面塗佈金。繼而,於以下所示之條件下,於大氣曝露下測定正極表面之SEM、及EDX。 (SEM-EDX測定條件) ・測定裝置:Hitachi High-Technologies製造,電解發射型掃描型電子顯微鏡 FE-SEM S-4700 ・加速電壓:10 kV ・發射電流:1 μA ・測定倍率:2000倍 ・電子束入射角度:90° ・X射線取出角度:30° ・空載時間:15% ・分佈分析元素:C、O、F ・測定像素數:256×256個像素 ・測定時間:60 sec. ・累計次數:50次 ・以無亮度達到最大亮度之像素,亮度之平均值處於亮度40%~60%之範圍之方式調整亮度及對比度。 (SEM-EDX之分析) 對於所獲得之氧分佈分析及氟分佈分析,使用圖像分析軟體(ImageJ),以亮度值之平均值作為基準進行二值化。此時之氧分佈分析之面積相對於全圖像而為15.4%,氟分佈分析之面積為32.2%。進行二值化而獲得之氧分佈分析與氟分佈分析重合之面積相對於全圖像而為13.9%,若將氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率設為A1
(%),則根據A1
=100×13.8/15.2而為90.3%。 [正極剖面SEM及EDX測定] 自正極試樣1切出1 cm×1 cm之小片,使用日本電子製造之SM-09020 CP,使用氬氣,於加速電壓4 kV、光束直徑500 μm之條件下製作與正極試樣1之面方向垂直之剖面。其後,藉由上述方法而測定正極剖面SEM及EDX。 針對所獲得之正極剖面之SEM-EDX,與上述同樣地將氧分佈分析及氟分佈分析進行二值化,算出氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A2
,結果為40.1%。 <實施例1-2> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-3> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-4> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉0.02 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-5> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-4相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-6> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-4相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-7> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉0.20 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-8> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-7相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-9> 對於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-7相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-10> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉0.50 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-11> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-10相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-12> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-10相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-13> 於將碳酸鋰200 g與氧化鉀0.20 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-14> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-13相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-15> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-13相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-16> 於將碳酸鋰200 g、氧化鈉0.10 g、及氧化鉀0.10 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-17> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-16相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-18> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-16相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-1> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉1.00 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-2> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-3> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-4> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉1.50 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-5> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-4相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-6> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-4相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-7> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉2.00 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-8> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-7相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-9> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-7相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-10> 於將碳酸鋰200 g與氧化鉀1.00 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-11> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-10相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-12> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-10相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-13> 於將碳酸鋰200 g、氧化鈉0.50 g、及氧化鉀0.50 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-14> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-13相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-15> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-13相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-16> 於將碳酸鋰200 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 將實施例1-1~1-18、比較例1-1~1-16之非水系鋰型蓄電元件之評價結果示於表1。 [表1]
<實施例1-19> 藉由於塗敷塗敷液時調整模嘴之間隙,製作乾燥後之正極活性物質層之膜厚於每一單面為26 μm之正極前驅體2(單面)及正極前驅體2(兩面)。除使用正極前驅體2(單面)及正極前驅體2(兩面)以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-20> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-21> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-22> 藉由於塗敷塗敷液時調整模嘴之間隙,製作乾燥後之正極活性物質層之膜厚於每一單面為77 μm之正極前驅體3(單面)及正極前驅體3(兩面)。除使用正極前驅體3(單面)及正極前驅體3(兩面)以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-23> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-22相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-24> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-22相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-25> 藉由於塗敷塗敷液時調整模嘴之間隙,製作乾燥後之正極活性物質層之膜厚於每一單面為105 μm之正極前驅體4(單面)及正極前驅體4(兩面)。除使用正極前驅體4(單面)及正極前驅體4(兩面)以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-26> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-25相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-27> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-25相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-28> 藉由於塗敷塗敷液時調整模嘴之間隙,製作乾燥後之正極活性物質層之膜厚於每一單面為158 μm之正極前驅體5(單面)及正極前驅體5(兩面)。除使用正極前驅體5(單面)及正極前驅體5(兩面)以外,以與實施例1-1相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-29> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-28相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-30> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-28相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-31> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.3 V後,繼而繼續進行4.3 V恆定電壓充電24小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-32> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.2 V後,繼而繼續進行4.2 V恆定電壓充電24小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <實施例1-33> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.1 V後,繼而繼續進行24小時之4.1 V恆定電壓充電,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-17> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉1.00 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-19相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-18> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-17相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-19> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-17相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-20> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉1.50 g進行乾摻後,利用液氮冷卻化至-196℃,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速10.0 m/s粉碎20分鐘,除此以外,以與實施例1-28相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-21> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-20相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-22> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-20相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-23> 於將碳酸鋰200 g與氧化鈉1.00 g進行乾摻後,於25℃環境下使用f 1.0 mm之氧化鋯珠,以周速10.0 m/s粉碎5分鐘,用作鋰化合物,除此以外,以與比較例1-17相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-24> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電36小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-23相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-25> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.5 V恆定電壓充電12小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-23相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-26> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.3 V後,繼而繼續進行4.3 V恆定電壓充電24小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-23相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-27> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.2 V後,繼而繼續進行4.2 V恆定電壓充電24小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-24相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 <比較例1-28> 於鋰摻雜操作之非水系鋰型蓄電元件之初期充電中,藉由以電流值100 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.1 V後,繼而繼續進行4.1 V恆定電壓充電24小時,而對負極進行鋰摻雜,除此以外,以與比較例1-24相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件。 將實施例1-19~1-33、比較例1-17~1-28之非水系鋰型蓄電元件之評價結果示於表2。 [表2]
由表1及表2可知,於滿足2≦C≦300、0.2≦C/D≦38、0.1≦C/E≦7.2之全部之情形時,高負載充放電循環特性變得良好,可抑制高溫高電壓下之電壓降低。於C為300 ppm以上之情形時,亦可抑制高溫高電壓下之電壓降低,但高負載充放電循環特性劣化。 雖不受理論所限定,但認為,藉由將碳酸鋰於-196℃之極低溫之條件下進行粉碎,而不會受到粉碎時之溫度上升之影響,可抑制碳酸鋰粒子表面之缺陷生成。認為其結果為,可抑制碳酸鋰粒子之再凝集,作為電解質之LiPF6
可於碳酸鋰粒子之表面高效率地分解,其結果為,生成之氟化合物均勻地沈積,高負載充放電循環特性改善。 <實施例2-1> <碳酸鋰2之調整> 將平均粒徑50 μm之碳酸鋰200 g與草酸鈉0.010 g於25℃下進行乾摻而獲得混合物。使用Aimex公司製造之粉碎機(液氮珠磨機LNM),於利用液氮將所獲得之混合物冷卻至-196℃後,使用f 1.0 mm之氧化鋯珠以周速15.0 m/s粉碎20分鐘,獲得碳酸鋰2。藉由冷卻至-196℃,防止碳酸鋰之熱變性並且可進行脆性破壞。測定所獲得之碳酸鋰2之平均粒徑,結果為1.5 μm。 <正極活性物質之製備> [活性碳1之製備] 將經破碎之椰子殼碳化物於小型碳化爐中,於氮氣中,於500℃下碳化處理3小時,而獲得碳化物。將所獲得之碳化物放入活化爐內,將1 kg/h之水蒸汽於利用預熱爐進行加溫之狀態下導入至上述活化爐內,以8小時升溫至900℃而進行活化。取出活化後之碳化物,並於氮氣環境下進行冷卻,而獲得經活化之活性碳。將所獲得之活性碳流水洗淨10小時後進行脫水。其後,藉由在保持於115℃之電氣乾燥機內乾燥10小時後,利用球磨機粉碎1小時,而獲得活性碳1。 針對該活性碳1,使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J)測定平均粒徑,結果為4.2 μm。使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)測定細孔分佈。其結果為,BET比表面積為2360 m2
/g,中孔量(V1
)為0.52 cc/g,微孔量(V2
)為0.88 cc/g,V1
/V2
=0.59。 [活性碳2之製備] 針對酚樹脂,於氮氣環境下,於煅燒爐中,於600℃下碳化處理2小時後,利用球磨機進行粉碎,並進行分級,而獲得平均粒徑7 μm之碳化物。將該碳化物與KOH以質量比1:5加以混合,於氮氣環境下,於煅燒爐中,於800℃下加熱1小時而進行活化。其後,於調整為濃度2 mol/L之稀鹽酸中攪拌洗淨1小時後,利用蒸餾水進行煮沸洗淨直至pH值穩定於5~6之間之後,進行乾燥,藉此獲得活性碳2。 針對該活性碳2,使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J)測定平均粒徑,結果為7.0 μm。使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)測定細孔分佈。其結果為,BET比表面積為3627 m2
/g,中孔量(V1
)為1.50 cc/g,微孔量(V2
)為2.28 cc/g,V1
/V2
=0.66。 [正極塗敷液之製備] 使用上述所獲得之活性碳1或2作為正極活性物質,使用上述所獲得之碳酸鋰1作為加入之鋰化合物,藉由下述方法製造正極塗敷液。 將57.5質量份之活性碳1或2、30.0質量份之碳酸鋰、3.0質量份之科琴黑、1.5質量份之PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、及8.0質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix將其於周速17.0 m/s之條件進行分散而獲得塗敷液。 使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,700 mPa・s,TI值為3.5。使用Yoshimitsu Seiki公司製造之粒度計測定所獲得之塗敷液之分散度。其結果為,粒度為35 μm。 [正極前驅體之製備] 使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷至厚度15 μm之鋁箔之單面或兩面,於乾燥溫度100℃下進行乾燥而獲得正極前驅體。使用輥壓機將所獲得之正極前驅體於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於上述所獲得之正極前驅體之正極活性物質層之膜厚,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551測定正極前驅體之任意10處,自所測得之厚度之平均值減去鋁箔之厚度而求出。其結果為,關於正極活性物質層之膜厚,每一單面為60 μm。 <負極活性物質之製備> [複合碳材料A之製備] 將平均粒徑3.0 μm、BET比表面積為1,780 m2
/g之市售之椰子殼活性碳150 g放入不鏽鋼網製之籠中,並放置於加入有煤系瀝青(軟化點:50℃)270 g之不鏽鋼製槽之上,將兩者設置於電爐(爐內有效尺寸300 mm×300 mm×300 mm)內,進行熱反應,藉此獲得複合碳材料A。該熱處理係於氮氣環境下進行,採用以8小時升溫至600℃,於相同溫度下保持4小時之方法。繼而,藉由自然冷卻冷卻至60℃後,將複合碳材料A自爐中取出。 針對所獲得之複合碳材料A,藉由與上述相同之方法測定平均粒徑及BET比表面積。其結果為,平均粒徑為3.2 μm,BET比表面積為262 m2
/g。源自煤系瀝青之碳質材料相對於活性碳之質量比率為78%。 <負極A之製造> 繼而,使用複合碳材料A作為負極活性物質而製造負極。 將85質量份之複合碳材料A、10質量份之乙炔黑、及5質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix,將其於周速15 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液。使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,789mPa・s,TI值為4.3。使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷至厚度10 μm之無貫通孔之電解銅箔之兩面,於乾燥溫度85℃下進行乾燥而獲得負極A。使用輥壓機將所獲得之負極A於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於上述所獲得之負極A之負極活性物質層之膜厚,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定負極A之任意10處,自所測得之厚度之平均值減去銅箔之厚度而求出。其結果為,負極A之負極活性物質層之每一單面之厚度為40 μm。 [複合碳材料B之製備] 使用平均粒徑4.9 μm之人造石墨代替複合碳材料A作為基材,將煤系瀝青之使用量設為50 g,進而將熱處理溫度設為1000℃,除此以外,以與複合碳材料A之製備相同之方式製造複合碳材料B,進行評價。其結果為,複合碳材料B之BET比表面積為6.1 m2
/g。源自煤系瀝青之碳質材料相對於人造石墨之質量比率為2%。 <負極B之製造> 使用上述所獲得之複合碳材料B作為負極活性物質而製造負極。 將80質量份之複合碳材料B、8質量份之乙炔黑、及12質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix,將其於周速15 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液。使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,798 mPa・s,TI值為2.7。使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷至厚度10 μm之無貫通孔之電解銅箔之兩面,於乾燥溫度85℃下進行乾燥而獲得負極。使用輥壓機將所獲得之負極於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於上述所獲得之負極之負極活性物質層之膜厚,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定負極之任意10處,自所測得之厚度之平均值減去銅箔之厚度而求出。其結果為,負極活性物質層之每一單面之厚度為25 μm。 <電解液之製備> 使用碳酸乙二酯(EC):碳酸甲酯乙酯(EMC)=33:67(體積比)之混合溶劑作為有機溶劑,以相對於全部電解液LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度比為50:50(莫耳比),且LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度之和成為1.2 mol/L之方式溶解各自之電解質鹽,將所獲得之溶液用作非水系電解液。 此處製備之電解液中之LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度分別為0.6 mol/L及0.6 mol/L。 <蓄電元件之組裝> 將所獲得之兩面負極A及兩面正極前驅體A切割成10 cm×10 cm(100 cm2
)。最上表面與最下表面係使用單面正極前驅體,進而使用21塊兩面負極與20塊兩面正極前驅體,於負極與正極前驅體之間夾著厚度15 μm之微多孔膜分隔件而進行積層。其後,對負極與正極前驅體分別藉由超音波熔接而連接負極端子與正極端子而製成電極積層體。將該電極積層體於80℃、50 Pa下真空乾燥60 hr。將該電極積層體於露點-45℃之乾燥環境下插入至包含層壓包材之外裝體內,將電極端子部及底部之外裝體3於180℃、20 sec、1.0 MPa之條件下進行熱密封。藉由注入非水系電解液並將外裝體密閉,而組裝非水系鋰型蓄電元件。 <蓄電元件之注液、含浸、密封> 對於收納至鋁層壓包材中之電極積層體,於大氣壓下,於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,注入約80 g之上述非水系電解液。繼而,將上述非水系鋰型蓄電元件放入減壓腔室中,自常壓減壓至-87 kPa後,恢復至大氣壓,靜置5分鐘。其後,重複進行4次自常壓減壓至-87 kPa後恢復至大氣壓之操作後,靜置15分鐘。進而,自常壓減壓至-91 kPa後,恢復至大氣壓。重複進行合計7次同樣地進行減壓並恢復至大氣壓之操作(自大氣壓分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之順序,使非水系電解液含浸於電極積層體。 其後,將非水系鋰型蓄電元件放入減壓密封機中,於減壓至-95 kPa狀態下,於180℃以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封。 <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於35℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓4.7 V後,繼續進行4.5 V恆定電壓充電8小時。 <老化> 於將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於40℃之恆溫槽中保管30小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 <排氣> 對於老化後之非水系鋰型蓄電元件,於溫度25℃、露點-40℃之乾燥空氣環境下將鋁層壓包材之一部分開封。繼而,將上述非水系鋰型蓄電元件放入減壓腔室中,使用KNF公司製造之隔膜泵(N816.3KT.45.18),以3分鐘自大氣壓減壓至-80 kPa後,以3分鐘恢復至大氣壓,將該操作合計重複進行3次。其後,將非水系鋰型蓄電元件放入減壓密封機中,減壓至-90 kPa後,於200℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封。 <非水系鋰型蓄電元件之評價> [能量密度之算出] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以2 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,以2 C之電流值實施恆定電流放電至2.2 V,將此時之電容設為Q,使用由F=Q/(3.8-2.2)算出之靜電電容F(F), 根據E/V=F×(3.82
-2.22
)/2/3600/V而算出能量密度,結果為23.4 Wh/L。 [Ra・F之算出] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以20 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電,繼而以20 C之電流值進行恆定電流放電至2.2 V,獲得放電曲線(時間-電壓)。於該放電曲線中,由放電時間2秒及4秒之時刻之電壓值,藉由線性近似進行外插,將所獲得之放電時間=0秒時之電壓設為Eo,根據降低電壓ΔE=3.8-Eo、及R=ΔE/(20 C(電流值A))而算出常溫內部電阻Ra。 靜電電容F與25℃下之內部電阻Ra之積Ra・F為1.10 ΩF。 [自放電特性評價] 關於所獲得之蓄電元件,使用ASKA ELECTRONIC股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,10 A),以2 C之電流值(1.6 A)進行恆定電流充電至達到電壓3.800 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.800 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將非水系鋰型蓄電元件於設定為70℃之恆溫槽中保管30天。保管30天後之非水系鋰型蓄電元件之電壓降低至3.708 V,電壓變化量ΔV為0.092 V。 [高負載充放電循環試驗] 針對所獲得之蓄電元件,將與非水系鋰型蓄電元件對應之單元於設定為25℃之恆溫槽內以300 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而以300 C之電流值恆定電流放電至達到2.2 V。重複60000次上述充放電操作,於試驗開始前與試驗結束後進行常溫放電內部電阻測定,於將試驗開始前之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω)、將試驗結束後之常溫放電內部電阻設為Re(Ω)時,相對於試驗開始前之高負載充放電循環試驗後之電阻上升率Re/Ra為1.68。 [高溫高電壓保存試驗] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以100 C之電流值恆定電流充電至達到4.0 V,繼而進行合計10分鐘之施加4.0 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將單元保存於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,以相同之充電操作將單元電壓充電至4.0 V後,再次將單元保存於60℃環境下。於2個月期間重複實施該操作,對於高溫保存試驗後之蓄電元件,以與上述[Ra・F之算出]相同之方式算出高溫保存試驗後之常溫內部電阻Rd。 將該Rd(Ω)除以由上述[Ra・F之算出]求出之高溫保存試驗前之內部電阻Ra(Ω)而算出之比Rd/Ra為1.65。 <正極中之鋰化合物之定量> [試樣之製備] 將非水系鋰型蓄電元件於露點溫度-72℃之氬氣箱中拆解,分別取出電解液、負極、正極。將於兩面塗敷有正極活性物質層之正極切出10 cm×10 cm之大小,浸漬於30 g之碳酸二乙酯溶劑中,偶爾用鑷子挪動正極,洗淨10分鐘。繼而,取出正極,於氬氣箱中風乾5分鐘,將正極浸漬於新準備之30 g之碳酸二乙酯溶劑中,以與上述相同之方法洗淨10分鐘。將經洗淨之正極自氬氣箱中取出,使用真空乾燥機(大和科學製造,DP33)於溫度25℃、壓力1 kPa之條件下乾燥20小時,獲得正極試樣。 將所獲得之正極試樣切出5 cm×5 cm之大小,浸漬於20 g之甲醇中,對容器封蓋,於25℃環境下靜置3天。其後,取出正極試樣,於120℃、5 kPa之條件下真空乾燥10小時。於預先製作校準曲線之條件下對洗淨後之甲醇溶液測定GC/MS,確認到碳酸二乙酯之存在量未達1%。繼而,使正極試樣含浸於25.20 g之蒸餾水,對容器封蓋,於45℃環境下靜置3天。其後,取出正極試樣,於150℃、3 kPa之條件下真空乾燥12小時。真空乾燥後之重量M1
為0.239 g,於預先製作校準曲線之條件下對洗淨後之蒸餾水測定GC/MS,確認到甲醇之存在量未達1%。依照上述式(4)及式(5),求出正極單位面積重量D(g/m2
)及正極之每一單面之正極活性物質層中所含之鋰化合物之單位面積重量E(g/m2
),算出正極中所含之鋰化合物之量,結果為15質量%。 <負極活性物質層中之Na之定量> [負極試樣之製備] 將藉由上述蓄電元件之拆解而獲得之於兩面塗敷有負極活性物質層之負極切出10 cm×10 cm之大小,浸漬於30 g之碳酸二乙酯溶劑中,偶爾用鑷子挪動負極,洗淨10分鐘。繼而,取出負極,於氬氣箱中風乾5分鐘,將負極浸漬於新準備之30 g之碳酸二乙酯溶劑中,以與上述相同之方法洗淨10分鐘。將經洗淨之負極自氬氣箱中取出,使用真空乾燥機(大和科學製造,DP33)於溫度25℃、壓力1 kPa之條件下乾燥20小時,獲得負極試樣。 將所獲得之負極試樣1切出5 cm×5 cm之大小,將各者浸漬於20 g之甲醇中,對容器封蓋,於25℃環境下靜置3天。其後,取出負極試樣,於120℃、5 kPa之條件下真空乾燥10小時。於預先製作校準曲線之條件下對洗淨後之甲醇溶液測定GC/MS,確認到碳酸二乙酯之存在量未達1%。 針對所獲得之負極試樣,使用鐵氟龍(註冊商標)製之刮勺將負極集電體上之負極活性物質層全部除去,使用濃硝酸對所獲得之負極活性物質層進行酸分解。將所獲得之溶液以成為2%之酸濃度之方式利用純水進行稀釋後,藉由ICP-MS Thermo Fisher Scientific公司,X系列2)求出Na之存在量(ppm),結果C1=4.6 ppm。 <電解液中之Na之定量> 將藉由上述蓄電元件之拆解所獲得之電解液中之0.2 g加入鐵氟龍(註冊商標)容器中,添加60%硝酸4 cc。使用微波分解裝置(Milestone General公司,ETHOS PLUS)將所獲得之試樣分解,用純水將其定容為50 ml。藉由ICP/MS(Thermo Fisher Scientific公司,X系列2)進行該非水系電解液之測定,求出非水系電解液每單位質量之Na之存在量(ppm),結果C2=1.6 ppm。 [固態7
Li-NMR測定] 對上述所獲得之非水系鋰型蓄電元件之正極進行正極活性物質層之固態7
Li-NMR測定。 首先,對於上述所製作之非水系鋰型蓄電元件,使用ASKA ELECTRONIC製造之充放電裝置(ACD-01),於環境溫度25℃下,以2 C之電流恆定電流充電至2.9 V後,進行2小時之施加2.9 V之恆定電壓之恆定電流恆定電壓充電。 繼而,於氬氣環境下進行正極活性物質層之採取。將非水系鋰型蓄電元件於氬氣環境下拆解,取出正極。繼而,將所獲得之正極浸漬於碳酸二乙酯中2分鐘以上而除去鋰鹽等。於相同之條件下再進行1次向碳酸二乙酯之浸漬後風乾。其後,自正極採取正極活性物質層並稱量。 將所獲得之正極活性物質層作為試樣,進行固態7
Li-NMR測定。使用JEOL RESONANCE公司製造之ECA700(7Li-NMR之共振頻率為272.1 MHz)作為測定裝置,於室溫環境下,將魔角旋轉之轉數設為14.5 kHz,將照射脈衝寬度設為45°脈衝,藉由單脈衝法進行測定。使用1 mol/L氯化鋰水溶液作為位移基準,將作為外部標準而另外測得之該位移位置設為0 ppm。測定氯化鋰水溶液時,不使試樣旋轉,將照射脈衝寬度設為45°脈衝,藉由單脈衝法進行測定。測定時,使測定期間之重複等待時間充分,將重複等待時間設定為3000秒而進行測定。 關於藉由上述方法所獲得之正極活性物質層之固態7
Li-NMR光譜,藉由上述方法算出上述正極活性物質層之鋰量,結果為181.7×10-4
mol/g。 <實施例2-2~2-33、及比較例2-1~2-11> 於上述實施例2-1中,將負極、正極前驅體活性物質、正極前驅體活性物質之平均粒徑、鋰化合物、鋰化合物之平均粒徑、Na/K化合物、及正極前驅體之構成比分別設為如表3所記載般,除此以外,以與實施例2-1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表4。 [表3]
[表4]
<實施例2-34> <蓄電元件之組裝> 將所獲得之兩面負極A及兩面正極前驅體A切割為10 cm×10 cm(100 cm2
)。最上表面與最下表面使用單面正極前驅體,進而使用21塊兩面負極與20塊兩面正極前驅體,於負極與正極前驅體之間夾著厚度15 μm之微多孔膜分隔件而進行積層。其後,對負極與正極前驅體分別藉由超音波熔接而連接負極端子與正極端子而製成電極積層體。將該電極積層體於80℃、50 Pa下真空乾燥60 hr。將該電極積層體於露點-45℃之乾燥環境下插入至包含層壓包材之外裝體內,將電極端子部及底部之外裝體3於180℃、20 sec、1.0 MPa之條件下進行熱密封。藉由注入非水系電解液並將外裝體密閉,而組裝非水系鋰型蓄電元件。 <蓄電元件之注液、含浸、密封> 對於收納至鋁層壓包材中之電極積層體,於大氣壓下,於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下注入約80 g之上述非水系電解液。繼而,將上述非水系鋰型蓄電元件放入減壓腔室中,自常壓減壓至-87 kPa後,恢復至大氣壓,靜置5分鐘。其後,重複進行4次自常壓減壓至-87 kPa後恢復至大氣壓之操作後,靜置15分鐘。進而,自常壓減壓至-91 kPa後,恢復至大氣壓。重複進行合計7次同樣地進行減壓並恢復至大氣壓之操作順序(自大氣壓分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之順序,使非水系電解液含浸於電極積層體。 其後,將非水系鋰型蓄電元件放入減壓密封機中,於減壓至-95 kPa狀態下,於180℃以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封。 <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於45℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓4.6 V後,繼而繼續進行4.4 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將蓄電元件組裝、鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例2-1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 <實施例2-35> <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於45℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行4.3 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於60℃之恆溫槽中保管20小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例34相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 <實施例2-36> <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於45℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓4.4 V後,繼而繼續進行4.2 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於60℃之恆溫槽中保管30小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例2-34相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 <實施例2-37> <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於45℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓4.3 V後,繼而繼續進行4.1 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於60℃之恆溫槽中保管40小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例2-34相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 <比較例2-12> <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於25℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓5.0 V後,繼而繼續進行4.8 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於25℃之恆溫槽中保管3小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例2-34相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 <比較例2-13> <鋰摻雜> 對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於25℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值0.6 A進行恆定電流充電至達到電壓3.0 V後,繼而繼續進行3.8 V恆定電壓充電30小時。 <老化> 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行恆定電流放電至達到電壓2.0 V後,進行4.0 V恆定電流充電1小時,藉此將電壓調整為4.0 V。繼而,將非水系鋰型蓄電元件於85℃之恆溫槽中保管100小時。繼而,設為充電電流1 A、放電電流1 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複兩次恆定電流充電、恆定電流放電之充放電循環。 將鋰摻雜、老化設為上述所記載之方法,除此以外,以與實施例2-34相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。 將評價結果示於表6。 [表5]
[表6]
<實施例3-1> <碳酸鋰3之調整> 使用Aimex公司製造之粉碎機(液氮珠磨機LNM)將平均粒徑53 μm之碳酸鋰200 g利用液氮冷卻化至-196℃後,使用乾冰珠,以周速10.0 m/s粉碎9分鐘。對藉由於-196℃下防止熱變性且進行脆性破壞而獲得之碳酸鋰3測定平均粒徑,藉此求出添加之碳酸鋰3之粒徑,結果為2.0 μm。 <正極活性物質之製備> [活性碳1之製備] 將經破碎之椰子殼碳化物於小型碳化爐中,於氮氣中,於500℃下碳化處理3小時而獲得碳化物。將所獲得之碳化物放入活化爐內,將1 kg/h之水蒸汽於利用預熱爐進行加溫之狀態下導入至上述活化爐內,以8小時升溫至900℃而進行活化。將活化後之碳化物取出,於氮氣環境下冷卻,而獲得經活化之活性碳。將所獲得之活性碳流水洗淨10小時後進行脫水。其後,於保持為115℃之電氣乾燥機內乾燥10小時後,利用球磨機進行1小時粉碎,藉此獲得活性碳1。 針對該活性碳1,使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J)測定平均粒徑,結果為4.2 μm。使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)測定細孔分佈。其結果為,BET比表面積為2360 m2
/g,中孔量(V1
)為0.52 cc/g,微孔量(V2
)為0.88 cc/g,V1
/V2
=0.59。 [活性碳2之製備] 針對酚樹脂,於氮氣環境下,於煅燒爐中600℃進行2小時之碳化處理後,利用球磨機進行粉碎,並進行分級而獲得平均粒徑7.0 μm之碳化物。將該碳化物與KOH以質量比1:5加以混合,於氮氣環境下,於煅燒爐中於800℃下加熱1小時而進行活化。其後,於調整為濃度2 mol/L之稀鹽酸中進行1小時攪拌洗淨後,利用蒸餾水進行煮沸洗淨直至pH值穩定於5~6之間後,進行乾燥,藉此獲得活性碳2。 針對該活性碳2,使用島津製作所公司製造之雷射繞射式粒度分佈測定裝置(SALD-2000J)測定平均粒徑,結果為7.1 μm。使用Yuasa-ionics公司製造之細孔分佈測定裝置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)測定細孔分佈。其結果為,BET比表面積為3627 m2
/g,中孔量(V1
)為1.50 cc/g,微孔量(V2
)為2.28 cc/g,V1
/V2
=0.66。 [正極塗敷液(組成a)之製備] 使用上述所獲得之活性碳1或2作為正極活性物質,使用上述所獲得之碳酸鋰3作為添加之鋰化合物,藉由下述方法製造正極塗敷液(組成a)。 將59.5質量份之活性碳1或2、28.0質量份之碳酸鋰3、3.0質量份之科琴黑、1.5質量份之PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、及8.0質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix將其於周速17.0 m/s之條件下進行分散,而獲得正極塗敷液(組成a)。 [正極塗敷液(組成b)之製備] 使用上述所獲得之活性碳1或2作為正極活性物質,使用上述所獲得之碳酸鋰3作為添加之鋰化合物,藉由下述方法製造正極塗敷液(組成b)。 將34.5質量份之活性碳1或2、56.0質量份之碳酸鋰3、2.0質量份之科琴黑、1.5質量份之PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、及6.0質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix將其於周速17.0 m/s之條件下進行分散,而獲得正極塗敷液(組成b)。 [正極塗敷液(組成c)之製備] 使用上述所獲得之活性碳1或2作為正極活性物質,且不使用添加之鋰化合物,藉由下述方法製造正極塗敷液(組成c)。 將78.4質量份之活性碳1或2、4.6質量份之科琴黑、3.4質量份之PVP(聚乙烯基吡咯啶酮)、及13.6質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix將其於周速17.0 m/s之條件下進行分散,獲得正極塗敷液(組成c)。 [正極前驅體之製造] 使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機將上述正極塗敷液(組成a)於塗敷速度1 m/s之條件下塗敷至厚度15 μm之鋁箔之單面或兩面,於乾燥溫度100℃下進行乾燥,獲得正極前驅體。使用輥壓機,於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下對所獲得之正極前驅體加壓。 <負極之製造> [負極1之製造] 將平均粒徑3.0 μm、BET比表面積為1,780 m2
/g之市售之椰子殼活性碳150 g放入不鏽鋼網製之籠中,並放置於加入有煤系瀝青(軟化點:50℃)270 g之不鏽鋼製槽之上,將兩者設置於電爐(爐內有效尺寸300 mm×300 mm×300 mm)內,進行熱反應,藉此獲得複合碳材料1a。該熱處理係於氮氣環境下進行,採用以8小時升溫至600℃,於相同溫度下保持4小時之方法。繼而,藉由自然冷卻冷卻至60℃後,將複合碳材料1自爐中取出。 針對所獲得之複合碳材料1,藉由與上述相同之方法測定平均粒徑及BET比表面積。其結果為,平均粒徑為3.2 μm,BET比表面積為262 m2
/g。源自煤系瀝青之碳質材料相對於活性碳之質量比率為78%。 繼而,使用複合碳材料1a作為負極活性物質而製造負極。 將85質量份之複合碳材料1a、10質量份之乙炔黑、及5質量份之PVdF(聚偏二氟乙烯)、以及NMP(N-甲基吡咯啶酮)加以混合,使用PRIMIX公司製造之薄膜回轉型高速混合機Filmix,將其於周速15 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液。使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之塗敷液之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,789 mPa・s,TI值為4.3。使用Toray Engineering公司製造之模具塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷至厚度10 μm之電解銅箔之兩面,於乾燥溫度85℃下進行乾燥而獲得負極1。使用輥壓機將所獲得之負極1於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下進行加壓。對於上述所獲得之負極1之負極活性物質層之膜厚,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551測定負極1之任意10處,自所測得之厚度之平均值減去銅箔之厚度而求出。關於負極1之負極活性物質層之膜厚,每一單面為40 μm。 [負極2及3之製造] 以成為如下表1所示之基材及其量、煤系瀝青之量、熱處理溫度之方式進行調整,除此以外,以與負極1之製備相同之方式進行負極活性物質之製造及評價。使用上述所獲得之負極活性物質,以成為表1所記載之塗敷液之方式進行調整,除此以外,以與負極1之製備相同之方式進行負極之製造及評價。將結果示於以下之表7。 [表7]
表1中之原料分別如以下所述。 椰子殼活性碳:平均粒徑3.0 μm,BET比表面積1,780 m2
/g 碳奈米粒子:平均粒徑5.2 μm,BET比表面積859 m2
/g,1次粒徑20 nm 人造石墨:平均粒徑4.8 μm,BET比表面積3.1 m2
/g 瀝青:軟化點50℃之煤系瀝青 <非水系電解液之製備> 使用碳酸乙二酯(EC):碳酸甲酯乙酯(MEC)=33:67(體積比)之混合溶劑作為有機溶劑,以相對於全部電解液LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度比為75:25(莫耳比),且LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度之和成為1.2 mol/L之方式溶解各自之電解質鹽,將所獲得之溶液用作非水系電解液。 此處製備之電解液中之LiN(SO2
F)2
及LiPF6
之濃度分別為0.3 mol/L及0.9 mol/L,因此MA
=0.9 mol/L、MB
=0.3 mol/L,MA
/(MA
+MB
)=0.75。 [鋁之浸漬] 於所獲得之非水系電解液100 g中投入氫氧化鋁(和光純藥工業股份有限公司,014-01925)之粉體1 g,於45℃環境、露點-40℃以下靜置5小時,藉此使鋁含有於非水系電解液中。其後,藉由過濾將氫氧化鋁之不溶成分除去。 <非水系鋰型蓄電元件之製造> [組裝] 將所獲得之兩面負極2與兩面正極前驅體1切割為10 cm×10 cm(100 cm2
)。最上表面與最下表面使用單面正極前驅體1,進而使用21塊兩面負極2與20塊兩面正極前驅體1,於負極與正極前驅體之間夾著厚度15 μm之微多孔膜分隔件而進行積層。其後,對負極及正極前驅體分別藉由超音波熔接而連接負極端子及正極端子而製成電極積層體。將該電極積層體於溫度80℃、壓力50 Pa、乾燥時間60 hr之條件下進行真空乾燥。將乾燥之電極積層體於露點-45℃之乾燥環境下收納至包含鋁層壓包材之外裝體內,將電極端子部及底部之外裝體3於溫度180℃、密封時間20 sec、密封壓1.0 MPa之條件下進行熱密封。 [注液、含浸、密封] 對於收納至鋁層壓包材中之電極積層體,於大氣壓下,於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,注入約80 g之上述非水系電解液。繼而,將上述非水系鋰型蓄電元件放入減壓腔室中,自常壓減壓至-87 kPa後,恢復至大氣壓,靜置5分鐘。其後,重複進行4次自常壓減壓至-87 kPa後恢復至大氣壓之操作後,靜置15分鐘。進而,自常壓減壓至-91 kPa後,恢復至大氣壓。重複進行合計7次同樣地進行減壓並恢復至大氣壓之操作(自大氣壓分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之順序,使非水系電解液含浸於電極積層體。 其後,將非水系鋰型蓄電元件放入減壓密封機中,於減壓至-95 kPa狀態下,於180℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封。 [鋰摻雜] 針對所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),於25℃環境下,藉由如下方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜,即以電流值50 mA進行恆定電流充電至達到電壓4.5 V後,繼續進行4.5 V恆定電壓充電72小時。 [老化] 將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以1.0 A進行恆定電流放電至達到電壓3.0 V後,進行3.0 V恆定電流放電1小時,藉此將電壓調整為3.0 V。其後,將非水系鋰型蓄電元件於60℃之恆溫槽中保管60小時。 [排氣] 對於老化後之非水系鋰型蓄電元件,於溫度25℃、露點-40℃之乾燥空氣環境下將鋁層壓包材之一部分開封。將上述非水系鋰型蓄電元件放入減壓腔室中,使用KNF公司製造之隔膜泵(N816.3KT.45.18),以3分鐘自大氣壓減壓至-80 kPa後,以3分鐘恢復至大氣壓,將該操作合計重複進行3次。其後,將非水系鋰型蓄電元件放入減壓密封機中,減壓至-90 kPa後,於200℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒鐘,藉此將鋁層壓包材進行密封。 根據以上之順序,非水系鋰型蓄電元件完成。 <非水系鋰型蓄電元件之評價> [靜電電容之測定] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以20 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電。將以2 C之電流值施加恆定電流放電至2.2 V時之電容設為Q,根據F=Q/(3.8-2.2)算出之靜電電容F為1000 F。 [Ra・F之算出] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以20 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.8 V之恆定電壓之恆定電壓充電,繼而以20 C之電流值進行恆定電流放電至2.2 V,獲得放電曲線(時間-電壓)。於該放電曲線中,由放電時間2秒及4秒之時刻之電壓值,藉由線性近似進行外插,將所獲得之放電時間=0秒時之電壓設為Eo,根據降低電壓ΔE=3.8-Eo、及R=ΔE/(20 C(電流值A))算出常溫放電內部電阻Ra。 靜電電容F與常溫放電內部電阻Ra之積Ra・F為1.41 ΩF。 [高溫保存試驗後之Rd/Ra之算出] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以100 C之電流值恆定電流充電至達到4.0 V,繼而進行合計10分鐘之施加4.0 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將單元保存於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,以相同之充電操作將單元電壓充電至4.0 V後,再次將單元保存於60℃環境下。於2個月期間重複實施該操作。對於高溫保存試驗後之蓄電元件,以與上述[Ra・F之算出]相同之方式算出高溫保存試驗後之常溫放電內部電阻Rd。將該Rd(Ω)除以上述[Ra・F之算出]所求出之高溫保存試驗前之常溫放電內部電阻Ra(Ω)而算出之比Rd/Ra為2.56。 [高溫保存試驗後之氣體產生量] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以100 C之電流值恆定電流充電至達到4.0 V,繼而進行合計10分鐘之施加4.0 V之恆定電壓之恆定電壓充電。其後,將單元保存於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,以相同之充電操作將單元電壓充電至4.0 V後,再次將單元保存於60℃環境下。於2個月期間重複實施該操作,藉由阿基米德法測定保存試驗開始前之單元體積Va、保存試驗2個月後之單元之體積Vb。使用靜電電容F,根據(Vb-Va)/F求出之氣體產生量為16.0×10-3
cc/F。 [高負載充放電循環試驗後之常溫放電內部電阻上升率] 針對所獲得之蓄電元件,於設定為25℃之恆溫槽內,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A)重複60000次如下充放電操作,即,以300 C之電流值恆定電流充電至達到3.8 V,繼而以300 C之電流值恆定電流放電至達到2.2 V。於高負載充放電循環試驗後,以與上述[Ra・F之算出]相同之方式算出高負載充放電循環試驗後之常溫放電內部電阻Re。將該Re(Ω)除以由上述[Ra・F之算出]求出之高負載充放電循環試驗前之內部電阻Ra(Ω)而算出之比Re/Ra為1.77。 [鋁之定量] 針對所獲得之蓄電元件,於設置於23℃之房間之於露點-90℃以下、氧濃度1 ppm以下管理之氬氣箱內進行拆解,取出0.2 g之非水系電解液。於鐵氟龍(註冊商標)容器中投入0.2 g之上述非水系電解液,添加60%硝酸4 cc。於使用微波分解裝置(Milestone General公司,ETHOS PLUS)將其分解後,利用純水定容為50 ml。藉由ICP/MS( Thermo Fisher Scientific公司,X系列2)進行該非水系電解液中之鋁之定量測定,求出非水系電解液每單位質量之鋁濃度(ppm),結果為51 ppm。 [正極試樣之製備] 將所獲得之剩餘之非水系鋰型蓄電元件於露點溫度-72℃之氬氣箱中進行拆解,將於兩面塗敷有正極活性物質層之正極切出10 cm×5 cm之大小,浸漬於30 g之碳酸二乙酯溶劑中,偶爾用鑷子挪動正極,洗淨10分鐘。繼而,取出正極,使之於氬氣箱中風乾5分鐘,將正極浸漬於新準備之30 g之碳酸二乙酯溶劑中,藉由與上述相同之方法洗淨10分鐘。將正極自氬氣箱中取出,使用真空乾燥機(大和科學製造,DP33),於溫度25℃、壓力1 kPa之條件下乾燥20小時,獲得正極試樣。 [鋰化合物之定量] 將正極試樣切出5 cm×5 cm之大小(重量0.256 g),浸漬於20 g之甲醇中,對容器封蓋,於25℃環境下靜置3天。其後取出正極,於120℃、5 kPa之條件下真空乾燥10小時。此時之正極重量M0
為0.249 g,於預先製作校準曲線之條件下對洗淨後之甲醇溶液測定GC/MS,確認到碳酸二乙酯之存在量未達1%。繼而,使正極含浸於25.00 g之蒸餾水,對容器封蓋,於45℃環境下靜置3天。靜置3天後之蒸餾水之重量為24.65 g,因此追加蒸餾水0.35 g。其後取出正極,於150℃、3 kPa之條件下真空乾燥12小時。此時之正極重量M1
為0.234 g,於預先製作校準曲線之條件下對洗淨後之蒸餾水測定GC/MS,確認到甲醇之存在量未達1%。使用刮勺、刷子、毛刷將正極集電體上之活性物質層除去,測定正極集電體之重量M2
,結果為0.099 g。根據上述式(4),對正極中之碳酸鋰定量,結果為10.0質量%。 [正極剖面SEM及EDX測定] 自正極試樣1切出1 cm×1 cm之小片,使用日本電子製造之SM-09020 CP,使用氬氣,於加速電壓4 kV、光束直徑500 μm之條件下製作與正極試樣1之面方向垂直之剖面。其後,於以下所示之條件下,於大氣曝露下測定正極剖面SEM及EDX。 [SEM-EDX測定條件] ・測定裝置:Hitachi High-Technologies製造,電解發射型掃描型電子顯微鏡 FE-SEM S-4700 ・加速電壓:10 kV ・發射電流:1 μA ・測定倍率:2000倍 ・電子束入射角度:90° ・X射線取出角度:30° ・空載時間:15% ・分佈分析元素:C、O、F ・測定像素數:256×256個像素 ・測定時間:60 sec. ・累計次數:50次 ・以無亮度達到最大亮度之像素,亮度之平均值處於亮度40%~60%之範圍之方式調整亮度及對比度。 [X1
之算出] 藉由使用圖像分析軟體(ImageJ)對由如上所述般測定之正極剖面SEM及EDX獲得之圖像進行圖像分析,而算出X1
。對於所獲得之氧分佈分析,將包含面積50%以上之以亮度之平均值作為基準進行二值化之明部的粒子設為鋰化合物之粒子X,對於剖面SEM圖像中觀察到之所有X之粒子求出剖面積S,求出由下述式(7): d=2×(S/π)1/2
...式(7) 算出之粒徑d(將圓周率設為π)。 使用所獲得之粒徑d,根據下述式(8): X0
=Σ[4/3π×(d/2)3
×d]/Σ[4/3π×(d/2)3
]...式(8) 求出體積平均粒徑X0
。 改變正極剖面之視野,測定合計5個部位,作為X0
之平均值之平均粒徑X1
為3.5 μm。 <實施例3-2~3-42以及比較例3-1~3-10> 將非水系鋰型蓄電元件之製作條件分別設為如以下之表8所示般,除此以外,以與實施例3-1相同之方式分別製作實施例3-2~3-42與比較例3-1~3-10之非水系鋰型蓄電元件,進行各種評價。將所獲得之非水系鋰型蓄電元件之評價結果示於以下之表9。 [表8]
[表9]
表8中之簡稱等分別為如下含義。 [鋰鹽] 鹽A1:LiPF6
鹽A2:LiBF4
鹽B1:LiN(SO2
F)2
鹽B2:LiN(SO2
CF3
)2
鹽B3:LiN(SO2
C2
F5
)2
根據以上之實施例,證明本實施形態之蓄電元件係初期輸入輸出特性優異、高負載充放電循環特性、高溫保存耐久性優異之非水系鋰型蓄電元件。 [產業上之可利用性] 關於本發明之非水系鋰蓄電元件,例如可將複數個非水系鋰蓄電元件串聯或並聯地連接而製作蓄電模組。本發明之非水系鋰蓄電元件及上述蓄電模組可適宜地利用於各種蓄電系統,例如:要求高負載充放電循環特性之汽車之混合驅動系統之電力再生系統;太陽光發電或風力發電等自然發電或者微電網等中之電力負載平準化系統;工廠之生產設備等中之不斷電電源系統;以微波輸電或電解共振等電壓變動之平準化及能量之蓄電為目的之非接觸供電系統;及以振動發電等所產生之電力之利用為目的之能量採集系統等。 本發明之非水系鋰蓄電元件例如於應用作鋰離子電容器或鋰離子二次電池時,最大限度地發揮出本發明之效果,故而較佳。
無
Claims (41)
- 一種非水系鋰型蓄電元件,其係具有含有正極活性物質以外之鋰化合物之正極、負極、分隔件、及含有鋰離子之非水系電解液者,並且 上述正極具有正極集電體、與設置於上述正極集電體之單面或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層, 上述負極具有負極集電體、與設置於上述負極集電體之單面或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層, 於將上述正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C(ppm)時,2≦C≦300, 於將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質以外之上述鋰化合物之單位面積重量設為D(g/m2 ),將上述正極之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質之單位面積重量設為E(g/m2 )時,1.0≦D≦15,10≦E≦100,0.2≦C/D≦38,且0.1≦C/E≦7.2。
- 如請求項1之非水系鋰型蓄電元件,其中上述鋰化合物為碳酸鋰。
- 如請求項1或2之非水系鋰型蓄電元件,其中上述濃度C為2.5≦C≦300。
- 如請求項1至3中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中0.01≦D/E≦0.52。
- 如請求項1至4中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於正極表面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A1 為40%以上且99%以下。
- 如請求項1至5中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於經BIB加工之正極剖面之藉由SEM-EDX所獲得之元素分佈分析中,以亮度之平均值作為基準進行二值化之氟分佈分析相對於氧分佈分析之面積重合率A2 為10%以上且60%以下。
- 如請求項1至6中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中 對於上述非水系鋰型蓄電元件,於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以電流值200 C之速率進行充放電循環60,000次,繼而進行4.5 V之恆定電壓充電1小時後,將此時之靜電電容設為Fe(F),將上述充放電循環前之靜電電容設為F(F)時,滿足以下之(h): (h)Fe/F為1.01以上。
- 如請求項1至7中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其使用如下之正極前驅體,該正極前驅體具有含有包含活性碳之正極活性物質及上述正極活性物質以外之鋰化合物之正極活性物質層,並且上述正極前驅體之上述正極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度C0 (ppm)為20≦C0 ≦1300 ppm,上述正極前驅體之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物之單位面積重量D0 (g/m2 )為8.0≦D0 ≦50.0,上述正極前驅體之每一單面之上述正極活性物質層中所含之上述正極活性物質之單位面積重量E0 (g/m2 )為10≦E0 ≦100,且0.2≦C0 /D0 ≦38,0.1≦C0 /E0 ≦7.2。
- 如請求項1至8中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中 於將上述負極活性物質層中所含之Na及/或K元素之濃度設為C1 (ppm), 將上述電解液中所含之Na及/或K元素之濃度設為C2 (ppm)時, 1.00≦C1 /C2 ≦15.00, 上述鋰化合物係選自碳酸鋰、氧化鋰、氫氧化鋰、氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、氮化鋰、草酸鋰、及乙酸鋰中之1種以上, 於將上述鋰化合物之平均粒徑設為X1 時,0.1 μm≦X1 ≦10 μm,於將上述正極活性物質之平均粒徑設為Y1 時,2 μm≦Y1 ≦20 μm,X1 <Y1 ,上述正極中所含之鋰化合物之量以上述正極活性物質層之總質量作為基準而為1質量%以上且50質量%以下。
- 如請求項9之非水系鋰型蓄電元件,其中於上述正極活性物質層之固態7 Li-NMR光譜中,由-40 ppm~40 ppm之波峰面積所計算出之鋰量為10.0×10-4 mol/g以上且300×10-4 mol/g以下。
- 如請求項9或10之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液含有選自碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯、碳酸伸乙烯酯及氟化碳酸乙二酯中之至少1種有機溶劑。
- 如請求項9至11中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液含有LiPF6 及LiBF4 中之至少1種。
- 如請求項9至12中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液中之LiN(SO2 F)2 之濃度以上述非水系電解液之總量作為基準而為0.3 mol/L以上且1.5 mol/L以下。
- 如請求項9至13中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極集電體及上述負極集電體係無貫通孔之金屬箔。
- 如請求項9至14中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中請求項1至13中任一項之非水系鋰型蓄電元件係將單元電壓4 V下之初期內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將電量設為E(Wh),將收納有電極積層體之外裝體之體積設為V(L)時,滿足以下之(a)及(b): (a)Ra與F之積Ra・F為0.3以上且3.0以下、 (b)E/V為15以上且50以下。
- 如請求項9至15中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將單元電壓4 V下之初期內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F),將於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月後之25℃下之內部電阻設為Rd(Ω),將於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以300 C之速率進行充放電循環60,000次後之內部電阻設為Re(Ω)時,滿足以下之(e)及(g): (e)Rd/Ra為0.9以上且3.0以下、 (g)Re/Ra為0.9以上且2.0以下。
- 如請求項1至16中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質含有可吸藏及釋放鋰離子之碳材料, 上述正極活性物質含有活性碳, 上述正極以上述正極活性物質層之總質量作為基準,含有1質量%以上且50質量%以下之上述正極活性物質以外之鋰化合物,且 上述非水系電解液之Al濃度為1 ppm以上且300 ppm以下。
- 如請求項17之非水系鋰型蓄電元件,其中上述非水系電解液進而含有如下鋰鹽: (A)LiPF6 、及LiBF4 中之至少1種、以及 (B)LiN(SO2 F)2 、LiN(SO2 CF3 )2 、及LiN(SO2 C2 F5 )2 中之至少1種。
- 如請求項18之非水系鋰型蓄電元件,其中於以上述非水系電解液之總量作為基準,將上述(A)之合計莫耳濃度設為MA (mol/L),將上述(B)之合計莫耳濃度設為MB (mol/L)時,莫耳濃度比MA /(MA +MB )為1/10以上且9/10以下之範圍。
- 如請求項19之非水系鋰型蓄電元件,其中上述鋰鹽之莫耳濃度比MA /MB 為2/10以上且6/10以下之範圍。
- 如請求項18至20中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述(B)之合計莫耳濃度MB (mol/L)為0.1 mol/L以上且1.5 mol/L以下。
- 如請求項18至21中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述(A)為LiPF6 ,上述(B)為LiN(SO2 F)2 。
- 如請求項17至22中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物之平均粒徑設為X1 時,0.1 μm≦X1 ≦10 μm。
- 如請求項17至23中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極所含之上述正極活性物質以外之鋰化合物為碳酸鋰。
- 如請求項17至24中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將靜電電容設為F(F)時,滿足: (a)Ra與F之積Ra・F為0.3以上且3.0以下。
- 如請求項17至25中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月後之常溫放電內部電阻設為Rd(Ω)時,滿足以下: (e)Rd/Ra為0.9以上且3.0以下、 (f)於單元電壓4 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量於25℃下為30×10-3 cc/F以下。
- 如請求項17至26中任一項之上述非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述非水系鋰型蓄電元件之初期之常溫放電內部電阻設為Ra(Ω),將於環境溫度25℃、單元電壓2.2 V至3.8 V之條件下以300 C之速率進行充放電循環60,000次後之常溫放電內部電阻設為Re(Ω)時,滿足: (g)Re/Ra為0.9以上且2.0以下。
- 如請求項1至27中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質層所含之上述正極活性物質係於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1 (cc/g),將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2 (cc/g)時,滿足0.3<V1 ≦0.8及0.5≦V2 ≦1.0,且藉由BET法所測得之比表面積顯示1,500 m2 /g以上且3,000 m2 /g以下之活性碳。
- 如請求項1至27中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質層所含之上述正極活性物質係於將藉由BJH法所算出之源自直徑20 Å以上且500 Å以下之細孔的中孔量設為V1 (cc/g),將藉由MP法所算出之源自直徑未達20 Å之細孔的微孔量設為V2 (cc/g)時,滿足0.8<V1 ≦2.5及0.8<V2 ≦3.0,且藉由BET法所測得之比表面積顯示2,300 m2 /g以上且4,000 m2 /g以下之活性碳。
- 如請求項1至29中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之鋰離子之摻雜量相對於上述負極活性物質之單位質量而為530 mAh/g以上且2,500 mAh/g以下。
- 如請求項1至30中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之BET比表面積為100 m2 /g以上且1,500 m2 /g以下。
- 如請求項1至29中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之鋰離子之摻雜量相對於上述負極活性物質之單位質量而為50 mAh/g以上且700 mAh/g以下。
- 如請求項1至29、及32中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之BET比表面積為1 m2 /g以上且50 m2 /g以下。
- 如請求項1至29、32、及33中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質之平均粒徑為1 μm以上且10 μm以下。
- 一種蓄電模組,其使用如請求項1至34中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種電力再生系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種電力負載平準化系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種不斷電電源系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種非接觸供電系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種能量採集系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
- 一種蓄電系統,其使用如請求項1至35中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
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