TW201924122A - 非水系鋰型蓄電元件 - Google Patents

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Abstract

於本發明之非水系鋰型蓄電元件之設置於正極集電體上的正極活性物質層之固體7Li-NMR光譜中,至少在-2~2.5 ppm具有信號之成分A之信號面積比a與在-6~-2.5 ppm具有信號之成分B之信號面積b的比、即信號面積比a/b為1.5~20.0。

Description

非水系鋰型蓄電元件
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能源之有效利用之觀點而言,風力發電之電力平滑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(例如油電混合電動汽車)或燃料電池與蓄電系統之組合(例如燃料電池電動汽車),於加速時要求蓄電系統之高輸出放電特性。
目前,作為高輸出蓄電裝置,開發出電雙層電容器、鎳氫電池等。
電雙層電容器中,電極使用活性碳者具有0.5~1 kW/L左右之輸出特性。該電雙層電容器於耐久性(循環特性及高溫保存特性)方面亦較高,一直被認為係最適於要求上述高輸出之領域的裝置。但是,其能量密度只不過為1~5 Wh/L左右。因此,需要進一步提高能量密度。
另一方面,目前油電混合電動汽車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,亦正進行面向高輸出化之研究。例如,開發出於放電深度(表示釋出了蓄電元件之放電電容之多少%之狀態的值)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,成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,由於其耐久性(循環特性及高溫保存特性)遜於電雙層電容器,故而為了使之具有實用上之耐久性,鋰離子電池要在放電深度小於0~100%之範圍的範圍內使用。實際可使用之鋰離子電池之電容變得更小,因此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、及耐久性之蓄電元件之實用化。但是,上述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。
電容器之能量係以1/2∙C∙V2(此處,C為靜電電容,V為電壓)表示。
鋰離子電容器係使用含有鋰鹽之非水系電解液之蓄電元件(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、脫附之非法拉第反應,於負極中藉由與鋰離子電池相同之利用鋰離子之吸藏、釋出之法拉第反應,而進行充放電之蓄電元件。
若總結上述電極材料及其特徵,則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、脫離(非法拉第反應)而進行充放電之情形時,雖然實現高輸出且高耐久性,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問題。
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,且正負極均藉由非法拉第反應進行充放電為特徵,且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,將碳材料(能量密度10倍)用於負極,且正負極均藉由法拉第反應進行充放電為特徵,雖然為高能量密度(正極10倍×負極10倍=100),但於輸出特性及耐久性方面存在問題。進而,為了滿足油電混合電動汽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,將碳材料(能量密度10倍)用於負極,且於正極藉由非法拉第反應、於負極藉由法拉第反應進行充放電為特徵,並且兼具電雙層電容器及鋰離子二次電池之特徵的新穎之非對稱電容器。而且,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。
作為鋰離子電容器之用途,例如可列舉鐵路、營建設備、汽車用蓄電等。於該等用途中,主要為了進行能量再生或輔助馬達,而於-30℃~60℃之範圍廣泛之溫度環境下使用鋰離子電容器。尤其是於低溫環境下,電池之內部電阻上升,因大電流之充放電而於負極界面析出鋰樹枝狀結晶,由此有引起性能降低及內部短路之可能性,於蓄電元件之安全性、可靠性方面成為較大問題。因此,謀求於範圍廣泛之溫度環境下為低電阻化且高輸出之蓄電元件。
又,於該等用途中,由於用以搭載蓄電元件之空間有限,故而謀求能量密度更高且能夠小型化之蓄電元件。然而,一般而言,存在如下問題:若欲提高能量密度,則蓄電元件之內部電阻上升,因此輸出降低。
作為應對此種問題之對策技術,於專利文獻1中揭示有如下之蓄電元件,其係藉由使用具有氮原子之導電性高分子鍵結於表面且具有特定直徑之細孔之細孔容積成為特定比率的多孔質碳材料作為電極材料,而為高電容且循環特性優異。
於專利文獻2中提供有如下技術,其係藉由將於高磁場中經高溫處理過之碳用於蓄電元件,而使有利於靜電電容增加之細孔面積增加,且藉由減少使容積增加之較大之槽,而提高能量密度。
於專利文獻3中揭示有如下之蓄電元件,其藉由在活性碳形成連通大孔,且使孔徑分佈、比表面積、微容積、及微孔寬度最佳化,而為高輸出且對高電壓充電之耐久性優異。
於專利文獻4中揭示有如下之非水系鋰型蓄電元件,其藉由在正極含有正極活性物質以外之鋰化合物,且利用該鋰化合物之分解反應而使正極活性物質層之孔徑及細孔分佈最佳化,而為高能量密度、高輸入輸出特性、且高負荷充放電循環耐久性優異。
再者,本說明書中,中孔量係藉由BJH法算出,微孔量係藉由MP法算出,於非專利文獻1中提出有BJH法,且MP法意指利用「t-作圖法」(非專利文獻2)求出微孔容積、微孔面積、及微孔之分佈的方法,示於非專利文獻3中。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-161835號公報
[專利文獻2]日本專利特開2003-59781號公報
[專利文獻3]日本專利特開2013-201170號公報
[專利文獻4]國際公開第2017/126698號
[非專利文獻]
[非專利文獻1]E.P.Barrett, L.G.Joyner and P.Halenda, J.Am.Chem.Soc., 73, 373(1951)
[非專利文獻2]B.C.Lippens, J.H.de Boer, J.Catalysis, 4319(1965)
[非專利文獻3]R.S.Mikhail, S.Brunauer, E.E.Bodor, J.Colloid Interface Sci., 26, 45(1968)
[發明所欲解決之問題]
然而,於任一專利文獻中均未提及低溫環境下之高輸出化。若藉由正極活性物質層之表面改質或細孔控制而提高能量密度,則會阻礙正極活性物質層之細孔表面及細孔內部之鋰離子之擴散,因此有於低溫環境下大幅地降低蓄電元件之特性之可能性,但該等文獻中並未考慮到該方面。
因此,本發明所欲解決之問題在於提供一種可同時實現高能量密度化與高輸出化且於範圍廣泛之溫度環境下維持該等特性的非水系鋰型蓄電元件。
[解決問題之技術手段]
本發明者等人發現,於非水系鋰型蓄電元件中,藉由使正極活性物質中含有活性碳,且於正極活性物質層形成與Li離子可逆性地相互作用之活性點,可無損正極活性物質層內及與電解液之界面之Li離子擴散性而提高正極活性物質之每單位質量之電容,從而解決上述問題。本發明係基於上述見解而完成者。
即,本發明係如下所述者。
[1]
一種非水系鋰型蓄電元件,其係具備正極、負極、分隔件、及含有鋰離子之非水系電解液者,且
該負極具有負極集電體、及設置於該負極集電體之單面上或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層,該負極活性物質含有能夠吸藏及釋出鋰離子之碳材料,
該正極具有正極集電體、及設置於該正極集電體之單面上或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層,該正極活性物質含有活性碳,且
該正極活性物質層含有在該正極活性物質層之固體7 Li-NMR光譜中在-2~2.5 ppm之範圍內具有信號之成分A、與在-6~-2.5 ppm之範圍內具有信號之成分B,於將該成分A及B之信號面積分別設為a及b時,信號面積比a/b為1.5~20.0。
[2]
如[1]所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質進而含有能夠吸藏及釋出鋰離子之過渡金屬氧化物。
[3]
如[2]所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述過渡金屬氧化物包含選自由下述式所組成之群中之至少1種鋰過渡金屬氧化物:
Lix1 CoO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 NiO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 Niy M1 (1-y) O2 {式中,M1 為選自由Co、Mn、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、
Lix1 Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 MnO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
α-Lix1 FeO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 VO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 CrO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 Mn2 O4 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 M2 y Mn(2-y) O4 {式中,M2 為選自由Co、Ni、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、
Lix1 Nia Cob Al(1-a-b) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且a及b分別滿足0.2<a<0.97與0.2<b<0.97}、
Lix1 Nic Cod Mn(1-c-d) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且c及d分別滿足0.2<c<0.97與0.2<d<0.97}、
Lix1 M3 PO4 {式中,M3 為選自由Co、Ni、Fe、Mn及Cu所組成之群中之至少1種元素,且x1滿足0≦x1≦2}、及
Liz V2 (PO4 )3 {式中,z滿足0≦z≦3}。
[4]
如[2]或[3]所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述活性碳之平均粒徑為2 μm以上且20 μm以下,且上述過渡金屬氧化物之平均粒徑為0.1 μm以上且20 μm以下。
[5]
如[2]至[4]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極含有包含上述活性碳之碳材料及上述鋰過渡金屬氧化物,於將上述碳材料於正極活性物質層中所占之質量比率設為A1 ,將上述鋰過渡金屬氧化物之質量比率設為A2 時,A2 /A1 為0.1以上且2.5以下。
[6]
如[1]至[5]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極含有相對於上述正極活性物質之總量為1質量%以上且50質量%以下之選自由碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銣、及碳酸銫所組成之群中之1種以上。
[7]
如[1]至[6]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為無孔狀之金屬箔。
[8]
如[1]至[7]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極含有至少2種上述負極活性物質。
[9]
如[8]所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中至少1種上述負極活性物質之平均粒徑為1 μm以上且15 μm以下。
[10]
如[1]至[9]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極之上述正極活性物質層之單位面積重量設為C1 (g/m2 ),將上述負極之上述負極活性物質層之單位面積重量設為C2 (g/m2 )時,C1 /C2 為0.35以上且5.80以下。
[11]
如[1]至[10]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極之上述正極活性物質層之厚度設為D1 (μm),將上述負極之上述負極活性物質層之厚度設為D2 (μm)時,D1 /D2 為0.30以上且5.00以下。
[12]
如[1]至[11]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層表面之藉由X射線光電子光譜測定(XPS)所檢測出之硫(S)之元素濃度為0.5 atomic%以上,且
於上述正極活性物質層表面之藉由X射線光電子光譜測定(XPS)所獲得之S2p光譜中具有162 eV~166 eV之波峰。
[13]
如[1]至[12]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中
於上述非水系電解液中,作為添加劑,含有選自由
下述通式(1):
[化1]

{通式(1)中,R1 ~R4 分別獨立地表示氫原子、鹵素原子、甲醯基、乙醯基、腈基、乙醯基、碳數1~6之烷基、碳數1~6之烷氧基、或碳數1~6之烷基酯}
所表示之噻吩化合物所組成之群中之1種以上含硫化合物(X),以及選自由
下述通式(2-1):
[化2]

{通式(2-1)中,R5 ~R8 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之環狀硫酸化合物、下述通式(2-2):
[化3]

{通式(2-2)中,R9 ~R14 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-3):
[化4]

{通式(2-3)中,R15 ~R18 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-4):
[化5]

{通式(2-4)中,R19 ~R24 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同}
所表示之化合物、及下述通式(2-5):
[化6]

{通式(2-5)中,R25 ~R28 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之環狀亞硫酸化合物所組成之群中之1種以上之含硫化合物(Y)。
[14]
如[1]至[13]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所含之選自由Ni、Mn、Fe、Co及Al所組成之群中之至少1種之元素濃度為10 ppm以上且1000 ppm以下。
[15]
如[1]至[14]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(cell voltage)4.2 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),將收納有上述非水系電解液、及上述正極與上述負極介隔上述分隔件積層而成之電極積層體或上述正極與上述負極介隔上述分隔件捲繞而成之電極捲繞體的外裝體之體積設為V(L),將環境溫度-30℃下之內部電阻設為Rc時,同時滿足以下之(a)~(c)之要件:
(a)Ra與F之乘積Ra∙F為0.5以上且3.5以下;
(b)E/V為20以上且80以下;及
(c)Rc/Ra為30以下。
[16]
如[15]所記載之非水系鋰型蓄電元件,其中
於將單元電壓4.2 V下之初期之內部電阻設為Ra(Ω),將於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月後之25℃下之內部電阻設為Rb(Ω)時,同時滿足
以下之(d)及(e)之要件:
(d)Rb/Ra為0.3以上且3.0以下;及
(e)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。
[17]
一種電動汽車、插電式油電混合車、油電混合車、或電動機車,其包含如[1]至[16]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。
[18]
一種油電混合營建設備,其包含如[1]至[16]中任一項所記載之非水系鋰型蓄電元件。
[19]
一種備用電源系統,其包含如[1]至[16]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,藉由在正極活性物質層形成與Li離子可逆性地相互作用之活性點,可無損正極活性物質層內及與電解液之界面之Li離子擴散性而提高正極活性物質之每單位質量之電容,藉此,可同時實現非水系鋰型蓄電元件之高能量密度化與高輸出化,且於範圍廣泛之溫度環境下亦維持該等特性。
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而言係將正極、負極、分隔件、電解液、及外裝體設為主要之構成要素。作為電解液,使用溶解有鋰鹽之有機溶劑(以下,稱為非水系電解液)。
[正極]
正極具有正極集電體、及存在於其單面或兩面之正極活性物質層。
又,正極較佳為含有鋰化合物作為蓄電元件組裝前之正極前驅體。如下所述,本實施形態中,較佳為於蓄電元件組裝步驟中對負極預摻雜鋰離子,作為該預摻雜方法,較佳為於使用含有鋰化合物之正極前驅體、負極、分隔件、外裝體、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在正極前驅體之正極集電體上的正極活性物質層中。鋰化合物可以任意態樣含有於正極前驅體中。例如,鋰化合物可存在於正極集電體與正極活性物質層之間,亦可存在於正極活性物質層之表面上。
本說明書中,將鋰摻雜步驟前之正極狀態定義為正極前驅體,將鋰摻雜步驟後之正極狀態定義為正極。
本說明書中,所謂「無孔狀之正極集電體」意指至少在塗敷有正極活性物質層之區域不具有鋰離子通過正極集電體而使鋰離子於正極之正面及背面均勻化之程度之孔的正極集電體。因此,於發揮本發明之效果之範圍內,無孔狀之正極集電體亦並不排除具有極小孔徑或極微量之孔的正極集電體、及於未塗敷正極活性物質層之區域具有孔之正極集電體。
又,於本實施形態中,正極集電體中至少塗敷有正極活性物質層之區域為無孔狀,正極集電體中未塗敷正極活性物質之剩餘部分可有孔亦可無孔。
[正極活性物質層]
本實施形態之正極中所含之正極活性物質層含有包含活性碳之正極活性物質。正極活性物質層較佳為除含有正極活性物質以外,視需要亦含有過渡金屬氧化物、導電性填料、黏結劑、分散穩定劑等任意成分,更佳為含有能夠吸藏及釋出鋰離子之過渡金屬氧化物。
又,較佳為正極前驅體之正極活性物質層中含有正極活性物質以外之鋰化合物。
[正極活性物質]
本實施形態之正極活性物質含有活性碳。作為正極活性物質,可僅使用活性碳,或者較佳為除活性碳以外,亦混合過渡金屬氧化物。
又,亦可將如下所述之其他碳材料與活性碳併用。作為該碳材料,較佳為使用奈米碳管、導電性高分子、或多孔性碳材料。
用作正極活性物質之活性碳之種類及其原料並無特別限制。然而,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4,200 m2 /g以下之活性碳(以下,亦稱為活性碳2)。
以下,對於上述(1)活性碳1及上述(2)活性碳2,個別地依序進行說明。
[活性碳1]
就增大組入至蓄電元件時之輸入輸出特性之方面而言,活性碳1之中孔量V1較佳為大於0.3 cc/g之值。另一方面,就抑制正極之鬆密度之降低之方面而言,V1較佳為0.8 cc/g以下。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。另一方面,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,V2較佳為1.0 cc/g以下。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。再者,下限與上限之組合可為任意者。
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,V1/V2較佳為0.3以上。另一方面,就以能夠維持高輸出特性並且抑制電容降低之程度增大中孔量相對於微孔量之比例之方面而言,V1/V2較佳為0.9以下。更佳之V1/V2之範圍為0.4≦V1/V2≦0.7,進而較佳之V1/V2之範圍為0.55≦V1/V2≦0.7。再者,下限與上限之組合可為任意者。
就使所獲得之蓄電元件之輸出成為最大之方面而言,活性碳1之平均孔徑較佳為17 Å以上,更佳為18 Å以上,最佳為20 Å以上。又,就使電容成為最大之方面而言,活性碳1之平均孔徑較佳為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,因此每電極體積之性能變高。再者,下限與上限之組合可為任意者。
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。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、及其等之碳化物,尤佳為椰子殼碳化物。
作為用以將該等原料製成上述活性碳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℃)左右之溫度下焙燒30分鐘~10小時左右之方法。
作為藉由上述碳化方法所獲得之碳化物之活化方法,較佳為採用使用水蒸氣、二氧化碳、氧氣等活化氣體進行焙燒之氣體活化法。其中,較佳為使用水蒸氣或二氧化碳作為活化氣體之方法。
於該活化方法中,較佳為一面以0.5~3.0 kg/h(較佳為0.7~2.0 kg/h)之比率供給活化氣體,一面以3~12小時(較佳為5~11小時,進而較佳為6~10小時)將上述碳化物升溫至800~1,000℃而進行活化。
進而,亦可於上述所說明之碳化物之活化處理之前,預先將上述碳化物進行1次活化。於該1次活化中,通常可較佳地採用如下方法:使用水蒸氣、二氧化碳、氧氣等活化氣體,將碳材料於未達900℃之溫度下進行焙燒而進行氣體活化。
藉由將上述碳化方法中之焙燒溫度及焙燒時間、與上述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,可製造出可於本實施形態中使用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。
若上述平均粒徑為2 μm以上,則活性物質層之密度較高,故而有每電極體積之電容變高之傾向。此處,若平均粒徑較小,則有產生耐久性較低之缺點之情形,但若平均粒徑為2 μm以上,則不易產生此種缺點。另一方面,若平均粒徑為20 μm以下,則有變得容易適於高速充放電之傾向。上述平均粒徑更佳為2~15 μm,進而較佳為3~10 μm。上述平均粒徑之範圍之上限與下限可任意地組合。
[活性碳2]
就增大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,V1較佳為2.5 cc/g以下。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。另一方面,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,V2較佳為3.0 cc/g以下。V2更佳為超過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。
具有上述中孔量及微孔量之活性碳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2,300 m2 /g以上且4,200 m2 /g以下。作為BET比表面積之下限,更佳為3,000 m2 /g以上,進而較佳為3,200 m2 /g以上。另一方面,作為BET比表面積之上限,更佳為3,800 m2 /g以下。於BET比表面積為2,300 m2 /g以上之情形時,容易獲得良好之能量密度,另一方面,於BET比表面積為4,200 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,因此每電極體積之性能變高。
再者,關於活性碳2之V1、V2及BET比表面積,可分別將上述所說明之適宜之範圍之上限與下限任意地組合。
具有如上所述之特徵之活性碳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之原料的碳源,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,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。較佳為於碳化溫度400~700℃(關於下限,較佳為450℃以上,進而較佳為500℃以上;關於上限,較佳為650℃以下)左右焙燒0.5~10小時左右。
作為上述碳化處理後之碳化物之活化方法,有使用水蒸氣、二氧化碳、氧氣等活化氣體進行焙燒之氣體活化法、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,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℃(較佳為650℃~850℃)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去除,進而進行乾燥。
上文記載有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,但有鹼金屬化合物之量越增加則中孔量越增加,且以質量比1:3.5附近為界而孔量急遽增加之傾向,因此較佳為自質量比1:3起增加鹼金屬化合物,且較佳為1:5.5以下。雖然鹼金屬化合物越增加則孔量變得越多,但考慮到其後之洗淨等之處理效率,質量比較佳為上述範圍。
再者,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混合即可。為了增多微孔量及中孔量之兩者,使KOH之量更多而使用即可。又,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氣活化。
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]
活性碳1及2可分別為1種活性碳,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各特性值者。
上述活性碳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V2 之活性碳、或活性碳以外之材料(例如導電性高分子等)等)。於例示之態樣中,於將正極活性物質層中之活性碳1之含量、或活性碳2之含量、或活性碳1及2之合計含量、即正極活性物質層中之碳材料之質量比率設為A1 時,A1 較佳為15質量%以上且65質量%以下,更佳為20質量%以上且50質量%以下。
[過渡金屬氧化物]
就同時實現高能量密度化與高輸出化且於較廣之溫度範圍內維持該等特性之觀點而言,過渡金屬氧化物較佳為能夠吸藏及釋出鋰離子,更佳為具有層狀結構、橄欖石結構、或尖晶石結構之鋰過渡金屬氧化物。
用作正極活性物質之過渡金屬氧化物並無特別限制。作為過渡金屬氧化物,例如可列舉含有選自由鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鐵(Fe)、釩(V)、及鉻(Cr)所組成之群中之至少1種元素的氧化物。再者,本說明書中,用語「過渡金屬氧化物」設為亦包含過渡金屬磷酸鹽者。
作為過渡金屬氧化物,具體而言,可列舉選自由下述式所組成之群中之至少1種鋰過渡金屬氧化物:
Lix1 CoO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 NiO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 Niy M1 (1-y) O2 {式中,M1 為選自由Co、Mn、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、
Lix1 Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 MnO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
α-Lix1 FeO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 VO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 CrO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 Mn2 O4 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、
Lix1 M2 y Mn(2-y) O4 {式中,M2 為選自由Co、Ni、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、
Lix1 Nia Cob Al(1-a-b) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且a及b分別滿足0.2<a<0.97與0.2<b<0.97}、
Lix1 Nic Cod Mn(1-c-d) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且c及d分別滿足0.2<c<0.97與0.2<d<0.97}、
Lix1 M3 PO4 {式中,M3 為選自由Co、Ni、Fe、Mn及Cu所組成之群中之至少1種元素,且x1滿足0≦x1≦2}、及
Liz V2 (PO4 )3 {式中,z滿足0≦z≦3}。
本實施形態中,只要於正極前驅體中含有與正極活性物質不同之鹼金屬化合物,則於預摻雜時,鹼金屬化合物成為鹼金屬之摻雜劑源,可對負極進行預摻雜,因此即便過渡金屬化合物中預先不含鋰離子(即,即便於上述通式中x1=0),亦可作為非水系鋰型蓄電元件進行電化學性之充放電。
於上述所說明之鋰過渡金屬氧化物中,就同時實現高能量密度化與高輸出化且於較廣之溫度範圍內維持該等特性之觀點而言,較佳為選自由下述式所組成之群中之至少1種:
Lix2 FePO4 {式中,x2滿足0.8≦x2≦1.2}、
Lix2 CoPO4 {式中,x2滿足0.8≦x2≦1.2}、及
Lix2 MnPO4 {式中,x2滿足0.8≦x2≦1.2}。
鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑較佳為0.1~20 μm。若平均粒徑為0.1 μm以上,則活性物質層之密度較高,因此有每電極體積之電容變高之傾向。雖然有產生耐久性亦隨著平均粒徑變小而降低之缺點之情形,但若平均粒徑為0.1 μm以上,則不易產生此種缺點。另一方面,若平均粒徑為20 μm以下,則有變得容易適於高速充放電之傾向。平均粒徑更佳為0.5~15 μm,進而較佳為1~10 μm。進而,若鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑小於碳材料之平均粒徑,則可於由平均粒徑較大之碳材料所形成之空隙配置鋰過渡金屬氧化物,可使蓄電元件低電阻化,故而較佳。
[鋰過渡金屬氧化物之使用]
鋰過渡金屬氧化物可為1種,亦可為2種以上之材料之混合物且混合物整體顯示出上述各特性值者。
正極活性物質亦可含有上述鋰過渡金屬氧化物以外之材料(例如導電性高分子等)。於例示之態樣中,於以正極活性物質層之總質量為基準,將鋰過渡金屬氧化物之含有比率設為G1 時,G1 為1.0質量%以上且50.0質量%以下,較佳為10.0質量%以上且45.0質量%以下,更佳為15.0質量%以上且40.0質量%以下。若過渡金屬氧化物之含有比率為1.0質量%以上,則可進一步提高蓄電元件之能量密度,若含有率為50.0質量%以下,則可使蓄電元件高輸出化。
[正極活性物質之使用]
於將上述碳材料於正極活性物質層中所占之質量比率設為A1 ,將鋰過渡金屬氧化物之質量比率設為A2 時,A2 /A1 較佳為0.1以上且2.5以下,更佳為0.2以上且2.0以下,進而較佳為0.3以上且1.2以下。若A2 /A1 為0.1以上,則可提高正極活性物質層之鬆密度而高電容化。若A2 /A1 為2.5以下,則活性碳間之電子傳導提高,因此可變得低電阻化,且活性碳與鹼金屬化合物之接觸面積增加,因此可促進鹼金屬化合物之分解。
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上限,更佳為45質量%以上,進而較佳為55質量%以上。另一方面,作為正極活性物質之含有比率之下限,更佳為90質量%以下,進而較佳為80質量%以下。藉由設為該範圍之含有比率而發揮出適宜之充放電特性。
[鋰化合物]
較佳為本實施形態之正極前驅體之正極活性物質層中含有正極活性物質以外之鋰化合物。本說明書中,用語「鋰化合物」係與作為電解質之鋰鹽及上述中說明之鋰過渡金屬氧化物不同者。
(鋰化合物)
作為本實施形態之鋰化合物,可適宜地使用選自碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銣、碳酸銫、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、及乙酸鋰之1種以上。其中,更適宜為碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銣、及碳酸銫,就能夠於空氣中操作且吸濕性較低之觀點而言,進而適宜為使用碳酸鋰。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功能,並且於正極活性物質層中形成空孔,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。作為非水系電解液,於使用預先溶解有下述LiPF6 等鋰鹽之電解液之情形時,亦可單獨使用鋰金屬碳酸鹽。正極前驅體中所含之鋰化合物可為1種,亦可含有2種以上之鋰化合物,亦可將鋰化合物與其他鹼金屬碳酸鹽混合使用。
又,作為本實施形態之正極前驅體,只要含有至少1種鋰化合物即可,除了鋰化合物以外,亦可含有1種以上之下述式中之M設為選自Na、K、Rb、及Cs之1種以上的
M2 O等氧化物、
MOH等氫氧化物、
MF或MCl等鹵化物、
M2 (CO2 )2 等草酸鹽、
RCOOM(式中,R為H、烷基、或芳基)等羧酸鹽。
又,正極前驅體亦可含有1種以上之選自BeCO3 、MgCO3 、CaCO3 、SrCO3 、或BaCO3 之鹼土金屬碳酸鹽、以及鹼土金屬氧化物、鹼土金屬氫氧化物、鹼土金屬鹵化物、鹼土金屬草酸鹽、及鹼土金屬羧酸鹽。
較佳為以正極前驅體中所含之鋰化合物之質量比率含有10質量%以上且50質量%以下之方式製作正極前驅體。若鋰化合物之質量比率為10質量%以上,則可對負極預摻雜充分量之鋰離子,而提高非水系鋰型蓄電元件之電容。若鋰化合物之質量比率為50質量%以下,則可提高正極前驅體中之電子傳導,因此可高效率地進行鋰化合物之分解。
於正極前驅體除含有鋰金屬化合物以外亦含有上述2種以上之鹼金屬化合物、或鹼土金屬化合物之情形時,較佳為以鹼金屬化合物及鹼土金屬化合物之總量相對於正極前驅體之單面以1質量%以上且50質量%以下之比率含有於正極活性物質層中之方式製作正極前驅體。
[正極前驅體之鋰化合物]
鋰化合物較佳為粒子狀。正極前驅體中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。作為正極前驅體中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。另一方面,作為正極前驅體中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,因此高負荷充放電特性提高。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,因此可確保該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。
鋰化合物之粉碎可使用球磨機、珠磨機、環輥磨機、噴射磨機、棒磨機、高壓均質機等濕式及/或乾式之任一粉碎機。於使鋰化合物分散於分散介質中,並使用該分散液進行粉碎之濕式粉碎中,可於粉碎後視需要利用加熱混合機等使分散介質揮發而使鋰化合物粉體化。又,鋰化合物之核生長可採用:CVD(Chemical Vapor Deposition,化學氣相沈積)法;使用熱電漿或雷射剝蝕等之PVD(Physical Vapor Deposition,物理氣相沈積)法;沈澱或共沈澱、析出、晶析等液相製程等。又,亦可視需要組合複數種上述方法。
[正極之鋰化合物]
本實施形態中,於將正極含有之正極活性物質以外之鋰化合物之平均粒徑設為X1 時,較佳為0.1 μm≦X1 ≦10.0 μm。鋰化合物之平均粒徑之進而較佳之範圍為0.5 μm≦X1 ≦5.0 μm。於X1 為0.1 μm以上之情形時,藉由吸附高負荷充放電循環中所生成之氟離子,高負荷充放電循環特性提高。於X1 為10.0 μm以下之情形時,由於與高負荷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。
正極含有之正極活性物質以外之鋰化合物以正極之正極活性物質層之總質量為基準,較佳為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%以上時該效果變得顯著。又,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之阻礙相對較小,因此顯示出較高之輸入輸出特性,若為35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。
[電極中之鋰化合物之鑑定方法]
正極中所含之鋰化合物之鑑定方法並無特別限定,例如可藉由下述方法進行鑑定。鋰化合物之鑑定較佳為將以下所記載之複數種分析方法加以組合而進行鑑定。
於測定以下所記載之SEM-EDX、拉曼光譜、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。關於正極之洗淨方法,由於將正極表面所附著之電解質加以沖洗即可,故而可適宜地利用碳酸二甲酯、碳酸甲酯乙酯、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,進行真空乾燥後,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%以下的條件。關於碳酸二乙酯之殘存量,可測定下述蒸餾水洗淨、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。
於下述離子層析法中,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固體7 Li-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。
[掃描型電子顯微鏡-能量分散型X射線分析(SEM-EDX)]
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倍而測得之正極表面之SEM-EDX圖像所獲得。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,且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,於以亮度之平均值作為基準進行二值化時,將含有面積50%以上之明部之粒子設為鋰化合物。
[顯微拉曼光譜]
鋰碳酸鹽及正極活性物質可根據將觀察倍率設為1000倍~4000倍而測得之正極前驅體表面之碳酸根離子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射線光電光譜法(XPS)]
可藉由利用XPS分析電子狀態,而判別鋰化合物之鍵結狀態。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(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(鋰元素)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之範圍為1分鐘(以SiO2 換算計1.25 nm/min)之條件下清潔正極之表面。
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 (式中,x、y、及z分別為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 (式中,x為1~4之整數)、SiOx (式中,x為1~4之整數),將533 eV之波峰歸屬於C-O、SiOx (式中,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 (式中,x、y、及z分別為1~6之整數)、PF6 -
關於P2p之鍵結能,將133 eV之波峰歸屬於POx (式中,x為1~4之整數),將134~136 eV之波峰歸屬於PFx (式中,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 (式中,x及y分別為任意之整數)。
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前驅體洗淨,並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碳酸根離子。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。又,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。
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。藉由預先測定已確保溯源性之已知濃度之標準液,而能夠進行離子種成分之定性與定量。
於藉由上述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固體7 Li-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。
[鋰化合物之定量方法]
將正極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質量變化而定量鋰化合物。所測定之正極之面積並無特別限制,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,更佳為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。關於利用有機溶劑所進行之洗淨,由於只要能夠去除正極表面所沈積之非水系電解液分解物即可,故而有機溶劑並無特別限定,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。適宜地使用例如甲醇、丙酮等極性溶劑。
正極之洗淨方法係將正極於相對於正極之質量為50~100倍之甲醇溶液中充分地浸漬3天以上。此時,較佳為實施對容器封蓋等對策以阻止甲醇揮發。其後,將正極自甲醇取出,進行真空乾燥(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,可測定下述蒸餾水洗淨後之水之GC/MS,並基於預先製作之校準曲線進行定量),將此時之正極之質量設為M0 (g)。繼而,使正極於正極之質量之100倍(100M0 (g))之蒸餾水中充分地浸漬3天以上。此時,較佳為實施對容器封蓋等對策,以阻止蒸餾水揮發。於浸漬3天以上後,自蒸餾水取出正極(於測定上述離子層析圖之情形時,以蒸餾水之量成為100M0 (g)之方式調整液量),與上述甲醇洗淨同樣地進行真空乾燥。將此時之正極之質量設為M1 (g),繼而,為了測定所獲得之正極之集電體之質量,使用刮勺、刷子、毛刷等而去除集電體上之正極活性物質層。若將所獲得之正極集電體之質量設為M2 (g),則正極中所含之鋰化合物之比率Z(質量%)可根據下式而算出。
Z=100×[1-(M1 -M2 )/(M0 -M2 )]
[鋰化合物及正極活性物質之平均粒徑]
較佳為於將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且X1 <Y1 。更佳為X1 為0.5 μm≦X1 ≦5 μm,Y1 為3 μm≦Y1 ≦10 μm。於X1 為0.1 μm以上之情形時,可使鋰預摻雜後之正極中殘存鋰化合物,故而藉由吸附高負荷充放電循環中所生成之氟離子,高負荷充放電循環耐久性提高。另一方面,於X1 為10 μm以下之情形時,由於與高負荷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。另一方面,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,故而可獲得較高之輸入輸出特性。若X1 <Y1 ,則鋰化合物會填充正極活性物質間所產生之間隙,因此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。關於正極剖面之形成方法,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。
[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,且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獲得之圖像進行圖像分析。於正極剖面之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、Y各自之全部粒子求出剖面積S,並根據下式求出粒徑d(將圓周率設為π)。
d=2×(S/π)1/2
使用所獲得之粒徑d,根據下式求出體積平均粒徑X0 及Y0
X0 (Y0 )=Σ[4/3π×(d/2)3 ×d]/Σ[4/3π×(d/2)3 ]
改變正極剖面之視野而測定5處以上,取各自之X0 及Y0 之平均值設為平均粒徑X1 及Y1
[正極活性物質層之任意成分]
本實施形態之正極活性物質層除了正極活性物質及鋰化合物以外,亦可視需要含有導電性填料、黏結劑、分散穩定劑等任意成分。
作為導電性填料,並無特別限制,例如可使用乙炔黑、科琴黑、氣相生長碳纖維、石墨、奈米碳管、該等之混合物等。導電性填料之使用量相對於正極活性物質100質量份,較佳為0質量份以上且30質量份以下。更佳為0.01質量份以上且20質量份以下,進而較佳為1質量份以上且15質量份以下。若導電性填料之使用量多於30質量份,則正極活性物質層中之正極活性物質之含有比率變少,因此每正極活性物質層體積之能量密度降低,故而欠佳。
作為黏結劑,並無特別限制,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。黏結劑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。若黏結劑之使用量為1質量份以上,則表現出充分之電極強度。另一方面,若黏結劑之使用量為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,並無特別限制,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。分散穩定劑之使用量相對於正極活性物質100質量份,較佳為0質量份或0.1質量份以上且10質量份以下。若分散穩定劑之使用量為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之材料,只要為電子傳導性較高、不會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之材料,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,更佳為鋁箔。
該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。
尤其就電極製作之容易性、較高之電子傳導性之觀點而言,正極集電體較佳為無孔狀。
正極集電體之厚度只要可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上之單面或兩面而形成塗膜,並將其乾燥,而獲得正極前驅體。進而,亦可對所獲得之正極前驅體實施加壓,而調整正極活性物質層之膜厚或鬆密度。亦可採用如下方法取而代之: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亦可將含有正極活性物質之各種材料粉末之一部分或全部進行乾摻,繼而追加水或有機溶劑、及/或於其等中溶解或分散有黏結劑或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質而製備。又,亦可向於水或有機溶劑中溶解或分散有黏結劑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製備塗敷液。作為乾摻法,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進行預混合,而進行用以對導電性較低之鋰化合物塗敷導電性填料之預混合,藉此,於下述鋰摻雜步驟中,於正極前驅體中,鋰化合物變得容易分解。於塗敷液之溶劑使用水之情形時,由於亦有因添加鋰化合物而塗敷液成為鹼性之情況,故而視需要亦可添加pH值調整劑。
正極前驅體之塗敷液之製備並無特別限制,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,較佳為於使塗敷液於周速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。又,若周速為50 m/s以下,則各種材料不會因由分散產生之熱或剪切力而被破壞,而不會發生再凝集,故而較佳。
關於塗敷液之分散度,利用細度規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。若粒度未達0.1 μm,則成為含有正極活性物質之各種材料粉末之粒徑以下之尺寸,製作塗敷液時會使材料變得破碎,故而欠佳。又,若粒度為100 μm以下,則不會發生噴出塗敷液時之堵塞或塗膜產生條紋等,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膜厚。又,若黏度(ηb)為20,000 mPa∙s以下,則使用塗敷機時之塗敷液之流路中之壓力損失較少,而可穩定地進行塗敷,又,可控制為所需之塗膜厚度以下。
又,該塗敷液之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TI值為1.1以上,則可良好地控制塗膜寬度及膜厚。
正極前驅體之塗膜之形成並無特別限制,可適宜地使用模嘴塗佈機或缺角輪塗佈機、刮刀塗佈機、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組成。又,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。另一方面,若塗敷速度為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並無特別限制,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。又,亦可將複數種乾燥方法組合而使塗膜乾燥。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。另一方面,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劑之偏集存在、及正極集電體或正極活性物質層之氧化。
正極前驅體之加壓並無特別限制,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、及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,則可充分地提高電極強度。另一方面,若加壓壓力為20 kN/cm以下,則正極前驅體上不會產生彎曲或皺褶,可調整為所需之正極活性物質層膜厚或鬆密度。
又,加壓輥彼此之間隙可以成為所需之正極活性物質層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。進而,加壓速度可設定為正極前驅體上不產生彎曲或皺褶之任意速度。
又,加壓部之表面溫度可為室溫,亦可視需要對加壓部進行加熱。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劑之熔點-60℃以上,更佳為熔點-45℃以上,進而較佳為熔點-30℃以上。另一方面,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劑之熔點+50℃以下,更佳為熔點+30℃以下,進而較佳為熔點+20℃以下。例如,於黏結劑使用PVdF(聚偏二氟乙烯:熔點150℃)之情形時,較佳為將加壓部之表面加溫至90℃以上且200℃以下,更佳為將加壓部之表面加熱至105℃以上且180℃以下,進而較佳為120℃以上且170℃以下。又,於黏結劑使用苯乙烯-丁二烯共聚物(熔點100℃)之情形時,較佳為將加壓部之表面加溫至40℃以上且150℃以下,更佳為將加壓部之表面加溫至55℃以上且130℃以下,進而較佳為70℃以上且120℃以下。
黏結劑之熔點可根據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(cell),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。
又,亦可一邊改變加壓壓力、間隙、速度、及加壓部之表面溫度之條件,一邊實施複數次加壓。
正極活性物質層之單位面積重量較佳為於正極集電體之每一單面為20 g∙m-2 以上且150 g∙m-2 以下,更佳為於每一單面為25 g∙m-2 以上且120 g∙m-2 以下,進而較佳為30 g∙m-2 以上且80 g∙m-2 以下。若該單位面積重量為20 g∙m-2 以上,則可表現出充分之充放電電容。另一方面,若該單位面積重量為150 g∙m-2 以下,則可將電極內之離子擴散電阻維持為較低。因此,可獲得充分之輸出特性,並且縮小單元體積(cell volume),因此可提高能量密度。上述正極活性物質層之單位面積重量之範圍之上限與下限可任意地組合。
正極活性物質層之膜厚較佳為於正極集電體之每一單面為20 μm以上且200 μm以下,更佳為於每一單面為25 μm以上且140 μm以下,進而較佳為30 μm以上且100 μm以下。若該膜厚為20 μm以上,則可表現出充分之充放電電容。另一方面,若該膜厚為200 μm以下,則可將電極內之離子擴散電阻維持為較低。因此,可獲得充分之輸出特性並且縮小單元體積,因此可提高能量密度。上述正極活性物質層之膜厚之範圍之上限與下限可任意地組合。再者,集電體具有貫通孔或凹凸之情形時之正極活性物質層之膜厚係指集電體之不具有貫通孔或凹凸之部分之每一單面之膜厚之平均值。
[鋰摻雜步驟後之正極]
下述鋰摻雜步驟後之正極之正極活性物質層之鬆密度較佳為0.25 g/cm3 以上,更佳為0.30 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0.25 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。另一方面,若該鬆密度為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碳材料、鋰過渡金屬氧化物]
於將正極活性物質層中所含之碳材料之質量比率設為A1 、將鋰過渡金屬氧化物之質量比率設為A2 、將其他成分之質量比率設為A3 時,該等值之定量方法並無特別限定,例如可藉由下述方法進行定量。
所測定之正極之面積並無特別限制,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,更佳為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。
首先,將非水系鋰型蓄電元件於設置在23℃之房間之於露點-90℃以下、氧濃度1 ppm以下之條件下進行管理之氬氣箱內進行拆解並取出正極。於利用碳酸二甲酯(DMC)將所取出之正極進行浸漬洗淨後,於維持大氣非暴露之狀態下,使其於側箱(side box)中進行真空乾燥。針對真空乾燥後所獲得之正極測定重量(M0 )。繼而,使其於正極之重量之100~150倍之蒸餾水中浸漬3天以上,使碳材料與鋰過渡金屬氧化物以外之成分溶出至水中。於浸漬期間,較佳為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,與上述同樣地進行真空乾燥。測定所獲得之正極之重量(M1 )。繼而,使用刮勺、刷子、毛刷等將塗佈於正極集電體之單面或兩面之正極活性物質層去除。測定殘留之正極集電體之重量(M2 ),根據以下之(1)式算出A3
A3 =(M0 -M1 )/(M0 -M2 )×100 (1)式
繼而,為了算出A1 、A2 ,於以下之條件下對去除上述鹼金屬化合物所獲得之正極活性物質層測定TG(Thermo Gravimetric,熱重)曲線。
∙試樣盤:鉑
∙氣體:大氣環境下、或壓縮空氣
∙升溫速度:0.5℃/min以下
∙溫度範圍:25℃~500℃以上且鋰過渡金屬氧化物之熔點-50℃之溫度以下
將所獲得之TG曲線之25℃之質量設為M3 ,將於500℃以上之溫度下質量減少速度成為M3 ×0.01/min以下之最初溫度下之質量設為M4
碳材料藉由在含氧環境(例如大氣環境)下於500℃以下之溫度下進行加熱而全部氧化、燃燒。另一方面,鋰過渡金屬氧化物即便於含氧環境下,於鋰過渡金屬氧化物之熔點-50℃之溫度以下時亦不會發生質量減少。
因此,正極活性物質層中之鋰過渡金屬氧化物之含量A2 可根據以下之(2)式而算出。
A2 =(M4 /M3 )×{1-(M0 -M1 )/(M0 -M2 )}×100 (2)式
又,正極活性物質層中之碳材料之含量A1 可根據以下之(3)式而算出。
A1 ={(M3 -M4 )/M3 }×{1-(M0 -M1 )/(M0 -M2 )}×100 (3)式
針對加熱處理後殘留之正極活性物質,藉由進行ICP(Inductively Coupled Plasma,感應耦合電漿)測定、XRD測定、XPS測定、XAFS(X-ray Absorption Fine Structure,X射線吸收精細結構)測定、或將其等加以組合而進行分析,可鑑定鋰過渡金屬氧化物之元素比率。
[正極活性物質層中之固體7 Li-NMR]
本實施形態之非水系鋰型蓄電元件具有在正極活性物質層之固體7 Li-NMR光譜中在-2~2.5 ppm之範圍內具有信號之成分A與在-6~-2.5 ppm之範圍內具有信號之成分B,於將成分A及B之信號面積分別設為a及b時,信號面積比a/b為1.5~20.0。
本說明書中,正極活性物質層中所含之鋰量比可根據固體7 Li-NMR光譜並藉由以下之方法而算出。
作為固體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。於測定時,以充分地設置測定期間之重複等待時間之方式進行設定。
使用1 mol/L氯化鋰水溶液作為位移基準,將作為外部標準另外測得之該位移位置設為0 ppm。
於藉由上述條件所獲得之正極活性物質層之固體7 Li-NMR光譜中,關於在-30 ppm~30 ppm之範圍內所觀測到之信號,將於-2 ppm~2.5 ppm具有信號之成分A與在-6~-3 ppm具有信號之成分B的信號面積分別設為a、b時,可算出信號面積比a/b。
於信號A與信號B重合之情形時,於-2 ppm~2.5 ppm假定信號A之峰頂,於-6 ppm~-2.5 ppm假定信號B之峰頂,藉由波形分離求出兩成分之面積比。波形分離係使高斯曲線為25%、勞侖茲曲線為75%之比率,使半值寬處於300 Hz~1000 Hz之範圍內而進行擬合,藉由最小平方法而算出。
本實施形態中,成分A之信號面積a與成分B之信號面積b之面積比a/b為1.5~20.0,較佳為2.5~15.0,更佳為3.5~10.0。若面積比a/b為1.5以上,則不會發生活性碳表面之與Li離子相互作用之活性點之一部分與電解液進行反應而阻礙正極活性物質層與電解液之界面及正極活性物質層內部之Li離子之擴散之情況,因此可使蓄電元件高輸出化。藉由面積比a/b為15.0以下,活性碳表面之與Li離子相互作用之活性點增加,因此可使蓄電元件高能量密度化。
藉由將面積比a/b調整為1.5~20.0之範圍內而可同時實現高能量密度化與高輸出化的原理並不明確,但推測如下。本實施形態中,於非水系鋰型蓄電元件之正極活性物質中所含之活性碳表面,形成與Li離子可逆性地相互作用之活性點,認為成分B係起因於該活性點者。該活性點係於使用含有Li化合物之正極前驅體之單元中藉由充放電處理使藉由經過下述鋰摻雜步驟所形成之活性點前驅體活化者。藉由該活性點,正極活性物質中之活性碳能夠將電氣蓄積至原本所具有之活性物質電容以上,因此可提高電池電容。又,與Li離子可逆性地相互作用之活性點由於與Li離子之相互作用能量相對較低,故而於低於常溫之溫度之環境下亦不會阻礙Li離子之擴散,而可維持高輸出。
再者,該活性點前驅體係於鋰摻雜步驟中正極前驅體中之鋰化合物發生氧化分解反應時所形成者。因此,於未充分地進行氧化分解反應之條件下,不會形成活性點前驅體,即便於鋰摻雜步驟後進行充放電處理亦不會表現出活性點。作為未充分地進行氧化分解反應之條件,例如可列舉:正極活性物質層、或負極活性物質層之活性物質比率、正極活性物質層與負極活性物質層之單位面積重量比率大幅地偏離較佳之範圍之情形、鋰摻雜步驟中之充放電處理步驟不適當之情形等。
[負極]
負極具有負極集電體、及存在於其單面或兩面之負極活性物質層。
負極活性物質層含有能夠吸藏及釋出鋰離子之負極活性物質。負極活性物質層除負極活性物質以外,亦可視需要含有導電性填料、黏結劑、分散穩定劑等任意成分。
本說明書中,所謂「無孔狀之負極集電體」意指至少於塗敷有負極活性物質層之區域,不具有鋰離子通過負極集電體而使鋰離子於負極之正面及背面均勻化之程度之孔的負極集電體。因此,於發揮本案發明之效果之範圍內,無孔狀之負極集電體亦並不排除具有極小孔徑或極微量之孔的負極集電體、或於未塗敷負極活性物質層之區域具有孔之負極集電體。又,於本實施形態中,負極集電體中至少塗敷有負極活性物質層之區域為無孔狀,負極集電體中未塗敷負極活性物質之剩餘部分可有孔亦可無孔。
[負極活性物質]
作為負極活性物質,可使用能夠吸藏及釋出鋰離子之物質。就同時實現蓄電元件之輸出與電容,且於較廣之溫度範圍內維持其等之觀點而言,較佳為使用至少2種負極活性物質。
作為負極活性物質,具體而言,可例示: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。較佳為碳材料相對於負極活性物質之總量的含有率為50質量%以上,更佳為70質量%以上。碳材料之含有率可為100質量%,但就良好地獲得因並用其他材料所產生之效果之觀點而言,例如較佳為90質量%以下,更佳為80質量%以下。
較佳為對負極活性物質摻雜鋰離子。本說明書中,作為對負極活性物質摻雜之鋰離子,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。
作為上述碳材料,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;對石油系瀝青、煤系瀝青、中間相碳微球、焦炭、合成樹脂(例如酚樹脂等)等碳質材料前驅體進行熱處理所獲得之碳質材料;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,使該基材與源自該碳質材料前驅體之碳質材料複合而獲得之複合碳材料。作為該碳質材料前驅體,只要為藉由熱處理成為該碳質材料者,則無特別限制,尤佳為石油系瀝青或煤系瀝青。於進行熱處理之前,亦可於高於該碳質材料前驅體之熔點之溫度下將該基材與該碳質材料前驅體加以混合。熱處理溫度只要為所使用之該碳質材料前驅體揮發或熱分解而產生之成分成為該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。
[負極活性物質層]
負極活性物質層較佳為含有包含碳材料之至少2種負極活性物質。
作為上述碳材料,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;對石油系瀝青、煤系瀝青、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所獲得之碳質材料;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。
2種負極活性物質中,較佳為至少1種負極活性物質之平均粒徑為1 μm以上且15 μm以下,更佳為1.5 μm以上且10 μm以下。藉由使負極活性物質層含有平均粒徑1 μm以上之負極活性物質,可提高負極之電極強度,提高蓄電元件之高負荷充放電特性。藉由使負極活性物質層含有平均粒徑15 μm以下之負極活性物質,可提高負極之鬆密度,因此可提高蓄電元件之能量密度。
於本實施形態中,負極活性物質層以負極活性物質之重量為基準,較佳為包含藉由BET法所算出之比表面積為0.5 m2 /g以上且35 m2 /g以下之負極活性物質A、及藉由BET法所算出之比表面積為50 m2 /g以上且1,500 m2 /g以下之負極活性物質B。
負極活性物質B之比率以負極活性物質層中所含之負極活性物質之總量為基準,較佳為1.0質量%~45.0質量%,更佳為2.0質量%~35.0質量%,進而較佳為1.0質量%~20.0質量%。若負極活性物質B之比率為1.0質量%以上,則可提高負極活性物質層內之Li離子擴散速度,而可使蓄電元件高輸出化。若負極活性物質B之比率為45.0質量%以下,則可增加每單位面積之Li摻雜量,因此於下述鋰摻雜步驟中可充分地降低負極電位,藉此,可提高蓄電元件之能量密度。
負極活性物質A之鋰離子摻雜量較佳為每單位質量50 mAh/g以上且520 mAh/g以下,更佳為150 mAh/g以上且460 mAh/g以下。
又,負極活性物質B之鋰離子摻雜量較佳為每單位質量530 mAh/g以上且2,500 mAh/g以下,更佳為600 mAh/g以上且2,000 mAh/g以下。
若負極活性物質A及B之鋰離子摻雜量為上述範圍內,則即便於混合2種碳材料之情形時,亦可於下述鋰摻雜步驟中充分地降低負極電位,藉此,可提高蓄電元件之能量密度。
作為負極活性物質A,可使用選自由石墨系材料、軟碳及硬碳所組成之群中之至少一種、或具備該等之至少一種作為基材之複合化碳材料A等。
作為用於負極活性物質A之石墨系材料,並無特別限制,例如可使用人造石墨、天然石墨、低結晶石墨、石墨化中間相碳微球、石墨晶鬚、高比表面積石墨等。石墨系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8 μm以下。亦可使用上述石墨系材料作為負極活性物質A,但就低電阻化之觀點而言,若對石墨系材料實施如下所述之複合化處理,則可更適宜地使用。
用於負極活性物質A之碳質材料前驅體係可藉由進行熱處理而使碳質材料與石墨系材料複合,且能夠溶解於固體、液體、或溶劑之有機材料。作為該碳質材料前驅體,只要為藉由熱處理而與石墨系材料複合化者,則無特別限制,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,就製造成本方面而言,較佳為使用價格低廉之瀝青。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。於進行熱處理之前,亦可於高於該碳質材料前驅體之熔點之溫度下將該基材與該碳質材料前驅體進行混合。熱處理溫度只要為所使用之該碳質材料前驅體揮發或熱分解所產生之成分成為該碳質材料之溫度即可,較佳為400℃以上且2,500℃以下,更佳為500℃以上且2,000℃以下,進而較佳為550℃以上且1,500℃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。
作為負極活性物質B,可使用選自由活性碳、碳黑、鑄模多孔質碳、高比表面積石墨及碳奈米粒子所組成之群中之至少一種、或具備該等之至少一種作為基材之複合化碳材料B等。
用於負極活性物質B之碳質材料前驅體係可藉由進行熱處理而使碳質材料與非晶質碳材料複合,且能夠溶解於固體、液體、或溶劑之有機材料。作為該碳質材料前驅體,只要為藉由熱處理而與非晶質碳材料複合化者,則無特別限制,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,就製造成本方面而言,較佳為使用價格低廉之瀝青。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。於進行熱處理之前,亦可於高於該碳質材料前驅體之熔點之溫度下將該基材與該碳質材料前驅體進行混合。熱處理溫度只要為所使用之該碳質材料前驅體揮發或熱分解所產生之成分成為該碳質材料之溫度即可,較佳為400℃以上且2,500℃以下,更佳為500℃以上且2,000℃以下,進而較佳為550℃以上且1,500℃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。
於本實施形態中,負極活性物質層以負極活性物質之重量為基準,藉由BET法所算出之比表面積較佳為4 m2 /g以上且75 m2 /g以下。藉由BET法所算出之比表面積之下限值更佳為5 m2 /g以上,進而較佳為6 m2 /g以上,尤佳為7 m2 /g以上。藉由BET法所算出之比表面積之上限值更佳為60 m2 /g以下,進而較佳為40 m2 /g以下,尤佳為30 m2 /g以下。
於本實施形態中,負極活性物質層於藉由拉曼光譜法所獲得之該負極活性物質層之拉曼光譜分佈分析中,出現於1350±15 cm-1 之D帶之波峰強度ID 與出現於1585±15 cm-1 之G帶之波峰強度IG 之比ID /IG 為0.5以上且1.3以下的分佈分析面積相對於分佈分析整體面積之比率A1較佳為50%以上且95%以下。A1之下限值較佳為60%以上,進而較佳為65%以上。A1之上限值較佳為90%以下、85%以下。
本實施形態之負極係藉由將負極活性物質層之藉由BET法所算出之比表面積、於負極活性物質層表面之藉由拉曼光譜法所獲得之拉曼光譜分佈分析中出現於1350±15 cm-1 之D帶之波峰強度ID 與出現於1585±15 cm-1 之G帶之波峰強度IG 的比ID /IG 之分佈調整為特定之範圍內,而獲得優異之高負荷充放電循環特性與高電壓下之優異之高溫保存特性。其原理不明確,不受理論限定,但推測如下。
若藉由BET法所算出之比表面積為4 m2 /g以上,且A1為60%以上,則高負荷充放電循環提高。雖然原理未必明確,但認為,藉由將比表面積與A1調整為上述範圍內,於大電流下充電時之接收鋰之負極活性物質層之表面積較大且碳材料之結晶化度較低,因此於充放電時鋰離子之擴散較快,Li接收性提高,因此於大電流下充電時之鋰析出得到抑制,高負荷充放電循環特性提高。尤其是於正極前驅體含有鋰化合物之情形時,鋰化合物之分解物沈積於負極表面,鋰之接收性降低,因此容易析出鋰,但藉由設為上述範圍,可抑制鋰之析出。
另一方面,若藉由BET法所算出之比表面積為75 m2 /g以下且A1為95%以下,則表現出高電壓下之優異之高溫保存特性。雖然原理未必明確,但藉由設為上述範圍,可抑制負極表面之電解液之分解反應,因此可表現出高電壓下之優異之高溫保存特性。尤其於正極前驅體含有鋰化合物之情形時,鋰化合物因高電壓化而分解,而破壞負極表面之覆膜,容易於高溫下產生氣體,但藉由將比表面積與A1調整為上述範圍內,可表現出優異之高電壓高溫保存特性。
又,若A1為60%以上且95%以下,則意味著2種碳材料可均勻地混合,由於負極活性物質層內之電阻分佈較小,故而高負荷充放電循環特性提高。
本實施形態之負極較佳為負極活性物質層之上述ID /IG 為1.0以上且1.3以下之分佈分析面積相對於分佈分析整體面積的比率A2為3%以上且70%以下。A2之下限值更佳為4%以上,進而較佳為5%以上。A2之上限值更佳為50%以下,進而較佳為30%以下。若A2為3%以上,則室溫下之電阻優異,若為70%以下,則能量密度優異。
本實施形態之負極之負極活性物質層於以該負極活性物質重量為基準,將藉由BJH法所算出之源自直徑2 nm以上且50 nm以下之細孔的空孔量設為Vm1 (cc/g),將源自直徑20 nm以上且50 nm以下之細孔的空孔量設為Vm2 (cc/g)時,較佳為滿足0.6≦Vm1 /(Vm1 +Vm2 )≦0.8。Vm1 /(Vm1 +Vm2 )之下限值進而較佳為0.63以上。Vm1 /(Vm1 +Vm2 )之上限值進而較佳為0.75以下。若Vm1 /(Vm1 +Vm2 )為0.6以上,則室溫下之電阻優異,若Vm1 /(Vm1 +Vm2 )為0.7以下,則能量密度優異。
本實施形態之負極之負極活性物質層較佳為於藉由BJH法對氮脫附時之等溫線進行分析所獲得之細孔分佈曲線中,於直徑20 nm以上且50 nm以下之區域具有至少1個波峰。藉由在直徑20 nm以上且50 nm以下之區域具有至少1個波峰,低溫下之電阻優異。
本實施形態之負極之負極活性物質層之剝離強度為0.40 N/cm以上且2.00 N/cm以下。若剝離強度為0.40 N/cm以上,則可抑制負極活性物質層之脫落而抑制微短路。若剝離強度為2.00 N/cm以下,則意味著於負極活性物質層內不存在過量之黏結劑等,因此可提高電解液之擴散性而低電阻化。
本實施形態之負極活性物質層之剝離強度係於施加下述加壓之情形時於加壓後所測得之值。於實施複數次加壓之情形時係於最終加壓後所測得之值。於未實施加壓之負極之情形時係於未加壓之狀態下所測得之值。
剝離強度可藉由已知方法進行測定。例如亦可使用依據JIS Z0237(2009)「黏著帶、黏著片材試驗方法」之剝離試驗。或者,亦可使用下述實施例中所使用之試驗方法。
負極活性物質可為與鋰形成合金之材料(以下,亦稱為「合金系負極材料」)以取而代之。合金系負極材料較佳為含有選自由矽、矽化合物、錫、錫化合物、及該等與碳或碳質材料之複合材料所組成之群中之至少1種。作為負極活性物質之矽化合物較佳為矽氧化物,更佳為SiOx (式中,x滿足0.01≦x≦1)。
複合材料較佳為藉由熱處理等使選自由矽、矽化合物、錫、及錫化合物所組成之群中之至少1種基材、與選自由難石墨化碳材料;易石墨化碳材料;碳黑;碳奈米粒子;活性碳;人工石墨;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;對石油系瀝青、煤系瀝青、中間相碳微球、焦炭、合成樹脂(例如酚樹脂等)等碳質材料前驅體進行熱處理所獲得之碳質材料;糠醇樹脂或酚醛清漆樹脂之熱分解物;富勒烯;碳奈米角所組成之群中之至少1種碳或碳質材料複合而成之材料。
於該等中,尤佳為可使1種以上之上述基材與石油系瀝青或煤系瀝青於共存之狀態下進行熱處理所獲得之複合材料。於進行熱處理之前,亦可於高於瀝青之熔點之溫度下將基材與瀝青混合。熱處理溫度只要為所使用之瀝青揮發或熱分解所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。
合金系負極材料之平均粒徑較佳為0.01 μm以上且30 μm以下。若平均粒徑為0.01 μm以上,則與非水系電解液之接觸面積增加,因此可降低鋰離子二次電池之電阻。若負極活性物質之平均粒徑為30 μm以下,則可使負極活性物質層充分地薄膜化,因此可提高鋰離子二次電池之能量密度。
合金系負極材料之平均粒徑可藉由使用內置分級機之濕式及乾式噴射磨機、攪拌型球磨機等進行粉碎而進行調整。粉碎機具備離心力分級機,於氮氣、氬氣等惰性氣體環境下經粉碎之微粒子可利用旋風器(cyclone)或集塵機進行捕集。
取而代之,負極活性物質層亦可含有選自由能夠吸藏及釋出鋰離子之鈦酸鋰、以及能夠吸藏及釋出鋰離子之氧化鈦所組成之群中之至少1種作為負極活性物質。例如,鈦酸鋰係以通式LixTiyO4(式中,x滿足0.8≦x≦1.4,且y滿足1.6≦y≦2.2)表示。例如,作為氧化鈦,可列舉:金紅石型氧化鈦、銳鈦礦型氧化鈦等。該等中,就伴隨著Li離子之插入脫離之反應電阻之上升較小,即便於低溫環境下亦可維持高輸出之觀點而言,較佳為Li4/3 Ti5/3 O4
本實施形態之負極活性物質層除了負極活性物質以外,亦可視需要含有導電性填料、黏結劑、分散穩定劑等任意成分。
導電性填料之種類並無特別限制,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0質量份以上且30質量份以下。更佳為0質量份以上且20質量份以下,進而較佳為0質量份以上且15質量份以下。
作為黏結劑,並無特別限制,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。黏結劑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。黏結劑之使用量更佳為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。若黏結劑之量為1質量份以上,則表現出充分之電極強度。另一方面,若黏結劑之量為30質量份以下,則不會阻礙鋰離子對負極活性物質之出入,而表現出較高之輸入輸出特性。
作為分散穩定劑,並無特別限制,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。分散穩定劑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,而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之材料,較佳為電子傳導性較高、不會發生因向非水系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。
該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。
尤其就電極製作之容易性、較高之電子傳導性之觀點而言,本實施形態之負極集電體較佳為無孔狀。
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。再者,於負極集電體具有孔或凹凸時,基於不存在孔或凹凸之部分而測定負極集電體之厚度。
[負極之製造]
負極係於負極集電體之單面上或兩面上具有負極活性物質層而成。於典型之態樣中,負極活性物質層係固著於負極集電體。
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進行製造。例如可藉由將含有負極活性物質之各種材料分散或溶解於水或有機溶劑中而製備漿料狀之塗敷液,並將該塗敷液塗敷於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。亦可進而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。亦可採用如下方法取而代之:不使用溶劑,而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。
塗敷液亦可將含有負極活性物質之各種材料粉末之一部分或全部進行乾摻,繼而追加水或有機溶劑、及/或於其等中溶解或分散有黏結劑或分散穩定劑之液狀或漿料狀之物質而製備。又,亦可向於水或有機溶劑中溶解或分散有黏結劑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製備塗敷液。塗敷液之製備並無特別限制,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。若為周速1 m/s以上,則各種材料良好地溶解或分散,故而較佳。又,若為周速50 m/s以下,則各種材料不會被因分散產生之熱或剪切力所破壞,而不會發生再凝集,故而較佳。
塗敷液之黏度(ηb)較佳為1,000 mPa∙s以上且20,000 mPa∙s以下。黏度(ηb)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膜厚。又,若為20,000 mPa∙s以下,則使用塗敷機時塗敷液於流路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。
又,該塗敷液之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TI值為1.1以上,則可良好地控制塗膜寬度及膜厚。
塗膜之形成並無特別限制,可適宜地使用模嘴塗佈機或缺角輪塗佈機、刮刀塗佈機、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。又,塗敷速度較佳為0.1 m/min以上且100 m/min以下。塗敷速度更佳為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。另一方面,若為100 m/min以下,則可充分地確保塗敷精度。
塗膜之乾燥並無特別限制,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之溫度下進行乾燥,亦可多階段地改變溫度而進行乾燥。又,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。乾燥溫度更佳為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。另一方面,若為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劑之偏集存在、負極集電體或負極活性物質層之氧化。
負極之加壓並無特別限制,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。加壓壓力更佳為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,則可充分地提高電極強度。另一方面,若為20 kN/cm以下,則可於負極不產生彎曲或皺褶之情況下調整為所需之負極活性物質層膜厚或鬆密度。又,加壓輥彼此之間隙可以成為所需之負極活性物質層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。進而,加壓速度可設定為負極不產生彎曲或皺褶之任意速度。又,加壓部之表面溫度可為室溫,亦可視需要進行加熱。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劑之熔點-60℃以上,更佳為熔點-45℃以上,進而較佳為熔點-30℃以上。另一方面,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劑之熔點+50℃以下,更佳為熔點+30℃以下,進而較佳為熔點+20℃以下。例如,於黏結劑使用PVdF(聚偏二氟乙烯:熔點150℃)之情形時,較佳為將加壓部之表面溫度加溫至90℃以上且200℃以下。加壓部之表面溫度更佳為加熱至105℃以上且180℃以下,進而較佳為加熱至120℃以上且170℃以下。又,於黏結劑使用苯乙烯-丁二烯共聚物(熔點100℃)之情形時,較佳為將加壓部之表面溫度加溫至40℃以上且150℃以下。加壓部之表面溫度更佳為加溫至55℃以上且130℃以下,進而較佳為加溫至70℃以上且120℃以下。
黏結劑之熔點可根據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。
又,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。
[測定項目]
本說明書中,BET比表面積及平均孔徑、中孔量、微孔量分別係藉由以下之方法所求出之值。將試樣於200℃下真空乾燥一晝夜,將氮氣作為吸附質而進行吸附脫附之等溫線之測定。使用此處所獲得之吸附側之等溫線,BET比表面積係藉由BET多點法或BET一點法而算出,平均孔徑係藉由將相對於質量之全部細孔容積除以BET比表面積而算出,中孔量係藉由BJH法而算出,微孔量係藉由MP法而算出。
所謂BJH法係指中孔分析通常使用之計算方法,係Barrett、Joyner、Halenda等人提出之方法(非專利文獻1)。
又,所謂MP法意指利用「t-作圖法」(非專利文獻2)求出微孔容積、微孔面積、及微孔之分佈的方法,係R.S.Mikhail、Brunauer、Bodor所設計之方法(非專利文獻3)。
平均粒徑係指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。
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。繼而,將所獲得之值除以供於萃取之負極活性物質量而算出上述單位之數值即可。
1次粒徑可藉由如下方法獲得,即,利用電子顯微鏡於數個視野內拍攝粉體,使用全自動圖像處理裝置等而計測其等視野中之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所規定之利用細度規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細度規,使充分量之試樣流入槽之深度底端,使之略微自槽溢出。繼而,以刮板之長邊與規之寬度方向平行且刮板邊緣接觸細度規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,讀取細度規之槽中出現粒之深度。
黏度(ηb)及TI值係分別藉由以下之方法所求出之值。首先,使用E型黏度計,於溫度25℃、剪切速度2 s-1 之條件下測定2分鐘以上之後,取得穩定之黏度(ηa)。繼而,取得除了將剪切速度變更為20 s-1 以外於與上述相同之條件下測得之黏度(ηb)。使用上述所獲得之黏度之值,TI值係根據TI值=ηa/ηb之式而算出。於使剪切速度自2 s-1 上升至20 s-1 時,可以1階段使之上升,亦可一邊於上述範圍內多階段地使剪切速度上升,並適當取得該剪切速度下之黏度一邊上升。
負極活性物質層之單位面積重量較佳為於負極集電體之每一單面為10 g∙m-2 以上且100 g∙m-2 以下,更佳為每一單面為12 g∙m-2 以上且80 g∙m-2 以下,進而較佳為15 g∙m-2 以上且50 g∙m-2 以下。若該單位面積重量為10 g∙m-2 以上,則可提高高負荷充放電特性。另一方面,若該單位面積重量為100 g∙m-2 以下,則可將電極內之離子擴散電阻維持為較低。因此,可獲得充分之輸出特性並且縮小單元體積,而可提高能量密度。上述負極活性物質層之單位面積重量之範圍之上限與下限可任意地組合。
負極活性物質層之膜厚較佳為於每一單面為10 μm以上且150 μm以下。該負極活性物質層之膜厚之下限更佳為12 μm以上,進而較佳為15 μm以上。該負極活性物質層之膜厚之上限更佳為120 μm以下,進而較佳為80 μm以下。若該膜厚為10 μm以上,則塗敷負極活性物質層時不會產生條紋等而塗敷性優異。另一方面,若該膜厚為150 μm以下,則藉由縮小單元體積,可表現出較高之能量密度。再者,集電體具有貫通孔或凹凸之情形時之負極活性物質層之膜厚係指集電體之不具有貫通孔或凹凸之部分之每一單面之膜厚之平均值。
負極活性物質層之鬆密度較佳為0.30 g/cm3 以上且1.8 g/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1.3 g/cm3 以下。若鬆密度為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。又,若為1.8 g/cm3 以下,則可於負極活性物質層內確保離子能夠充分地進行擴散之空孔。
[負極活性物質層中之金屬元素]
負極活性物質層中所含之選自由Ni、Mn、Fe、Co及Al所組成之群中之至少1種之元素濃度較佳為10 ppm以上且5000 ppm以下,更佳為10 ppm以上且3000 ppm以下,進而較佳為50 ppm以上且1000 ppm以下。若該元素濃度為10 ppm以上,則於蓄電元件暴露於高溫高電壓狀態之情形時,由於負極中之金屬元素離子化,故而可抑制Li離子自正極中之鋰化合物之釋出。其結果為,可抑制反應活性種之生成,而抑制高溫高電壓狀態下之電壓降低。若該元素濃度為5000 ppm以下,則不會阻礙負極中活性物質層內之Li離子之擴散,因此可使非水系鋰型蓄電元件高輸出化。又,由於不會阻礙利用添加劑等形成負極活性物質層界面之保護覆膜,故而可提高高溫耐久性。負極活性物質層只要含有該等元素之任一種即可,亦可含有2種以上。於電解液含有2種以上之元素之情形時,其等之合計濃度為20 ppm以上且10000 ppm以下即可。
[負極活性物質層中之金屬元素定量方法]
作為對負極活性物質層中所含之金屬元素進行定量之方法,並無特別限制,可列舉以下所記載之方法,於蓄電元件完成後,自蓄電元件之電極積層體切出負極並利用有機溶劑洗淨。作為用於洗淨之有機溶劑,可為將負極表面所沈積之電解液分解物去除,且與負極中之鋰離子反應之溶劑,並無特別限定,可適宜地使用甲醇、乙醇、異丙醇等醇、或該等之混合溶劑。負極之洗淨方法係使負極於相對於負極之重量為50~100倍之乙醇溶液中充分地浸漬3天以上。於浸漬期間,較佳為例如對容器封蓋以阻止乙醇揮發。於浸漬3天以上後,將負極自乙醇取出,並進行真空乾燥。真空乾燥之條件設為於溫度:100~200℃、壓力:0~10 kPa、時間:5~20小時之範圍內負極中之乙醇之殘存成為1質量%以下之條件。關於乙醇之殘存量,可將真空乾燥後之負極浸漬於碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、或碳酸甲酯乙酯等有機溶劑中之後,測定上述有機溶劑之GC/MS,並基於預先製作之校準曲線進行定量。
可列舉如下方法等:於真空乾燥後,使用刮勺、刷子、毛刷等將負極之負極活性物質層全部去除,使用ICP-AES、原子吸光分析法、螢光X射線分析法、中子放射化分析法、ICP-MS等算出所獲得之負極活性物質層之金屬元素濃度。
[負極活性物質層之覆膜]
本實施形態之負極活性物質層較佳為於負極活性物質層表面之X射線光電子光譜測定(XPS)中,基於S2p光譜之168 eV之波峰面積所求出之硫(S)之元素濃度S168 eV 為0.5 atomic%以上。若S之元素濃度為0.5 atomic%以上,則可抑制於高電壓、高溫保存時非水系電解液於負極活性物質層表面還原分解。藉此,可維持蓄電元件之高溫耐久性並且高能量密度化。
作為用以使本實施形態之負極活性物質層表現出上述所說明之波峰之方法,例如可列舉:
對負極活性物質層混合含硫化合物之方法;
使含硫化合物吸附於負極活性物質層之方法;
使含硫化合物電化學地析出至負極活性物質層之方法
等。
其中,較佳為預先使非水系電解液中含有能夠分解而生成該波峰之前驅體,利用製作蓄電元件之步驟中之分解反應,而使上述化合物沈積於負極活性物質層內之方法,進而,經過使下述正極前驅體中之鹼金屬化合物於高電位下氧化分解之步驟而使上述化合物沈積的方法雖然原理並不確定,但會形成即便於低溫環境下亦可維持較高之輸入輸出特性之覆膜,故而更佳。
作為可生成上述波峰之前驅體,較佳為將選自由下述通式(2-1):
[化7]

{通式(2-1)中,R5 ~R8 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之環狀硫酸化合物、下述通式(2-2):
[化8]

{通式(2-2)中,R9 ~R14 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-3):
[化9]

{通式(2-3)中,R15 ~R18 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-4):
[化10]

{通式(2-4)中,R19 ~R24 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同}
所表示之化合物、及下述通式(2-5):
[化11]

{通式(2-5)中,R25 ~R28 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數}
所表示之環狀亞硫酸化合物所組成之群中之1種以上之含硫化合物(Y)添加至電解液中。
就添加至電解液中之觀點而言,更佳為通式(2-1)所表示之環狀硫酸化合物為硫酸乙二酯或硫酸1,3-丙二酯,通式(2-2)所表示之磺內酯化合物為1,3-丙烷磺內酯、2,4-丁烷磺內酯、1,4-丁烷磺內酯、1,3-丁烷磺內酯或2,4-戊烷磺內酯,通式(2-3)所表示之磺內酯化合物為1,3-丙烯磺內酯或1,4-丁烯磺內酯,通式(2-4)所表示之化合物為3-環丁烯碸,且通式(2-5)所表示之環狀亞硫酸化合物為亞硫酸乙二酯、1,2-亞硫酸丙二酯、或1,3-亞硫酸丙二酯。
[正極活性物質層表面之覆膜]
本實施形態之正極活性物質層較佳為於正極活性物質層表面之藉由X射線光電子光譜測定(XPS)所獲得之S2p光譜中具有162 eV~166 eV之波峰。藉由具有此種波峰,可抑制於高電壓及高溫保存時非水系電解液於正極活性物質層表面氧化分解。藉此,可維持蓄電元件之高溫耐久性並且高能量密度化。
作為用以使本實施形態之正極活性物質層表現出以上述說明之波峰之方法,例如可列舉:
對正極活性物質層混合具有C-S-C結構之化合物之方法;
使具有C-S-C結構之化合物吸附於正極活性物質層之方法;
使具有C-S-C結構之化合物電化學地析出至正極活性物質層之方法
等。
其中,較佳為預先使非水系電解液中含有能夠分解而生成該波峰之前驅體,利用製作蓄電元件之步驟中之分解反應使上述化合物沈積於正極活性物質層內之方法,進而,經過使下述正極前驅體中之鹼金屬化合物於高電位下氧化分解之步驟而使上述化合物沈積的方法雖然原理並不確定,但會形成即便於低溫環境下亦可維持較高之輸入輸出特性之覆膜,故而更佳。
作為可生成上述波峰之前驅體,較佳為將選自由下述通式(1):
[化12]

{通式(1)中,R1 ~R4 分別獨立地表示氫原子、鹵素原子、甲醯基、乙醯基、腈基、乙醯基、碳數1~6之烷基、碳數1~6之烷氧基、或碳數1~6之烷基酯}
所表示之噻吩化合物所組成之群中之1種以上之含硫化合物(X)添加至電解液中。
就添加至電解液中之觀點而言,上述通式(1)所表示之噻吩化合物更佳為選自由噻吩、2-甲基噻吩、3-甲基噻吩、2-氰基噻吩、3-氰基噻吩、2,5-二甲基噻吩、2-甲氧基噻吩、3-甲氧基噻吩、2-氯噻吩、3-氯噻吩、2-乙醯基噻吩、及3-乙醯基噻吩所組成之群中之至少1種。
<正極與負極之設計>
於本實施形態中,於將正極之正極活性物質層之單位面積重量設為C1 (g/m2 ),將負極之負極活性物質層之單位面積重量設為C2 (g/m2 )時,C1 /C2 較佳為0.35以上且5.80以下,更佳為0.40以上且3.00以下,進而較佳為0.60以上且2.50以下。若C1 /C2 為0.35以上,則藉由自含有鋰化合物之正極前驅體對負極充分地預摻雜鋰離子,可降低負極電位,因此可提高蓄電元件之能量密度。另一方面,若C1 /C2 為5.80以下,則由正極活性物質層中所含之鋰化合物之摻雜反應引起之正極活性物質表面之活化反應充分地進行,因此可期待蓄電元件之電容提高與高輸出化。又,於C1 /C2 為5.80以下之情形時,可使伴隨充放電之負極活性物質電容之利用範圍變小,因此可提高高負荷充放電特性。
又,於將正極之正極活性物質層之厚度設為D1 (μm),將負極之負極活性物質層之厚度設為D2 (μm)時,D1 /D2 較佳為0.30以上且5.00以下,更佳為0.70以上且3.50以下,進而較佳為1.00以上且2.50以下。若D1 /D2 為0.30以上,則相對於正極活性物質層內之鋰離子之表面吸附速度的負極活性物質層內之鋰離子擴散速度提高,因此可提高蓄電元件之輸出特性。另一方面,若D1 /D2 為5.00以下,則相對於負極活性物質層內之鋰離子之插入反應的正極活性物質層內之鋰離子擴散速度提高,因此可提高蓄電元件之輸入特性。又,由於可使伴隨充放電之負極活性物質電容之利用範圍變小,故而可提高高負荷充放電特性。
<正極活性物質層單位面積重量之算出>
於正極前驅體之情形時,以特定之面積切出正極前驅體之一部分,並測定重量。測定之正極之面積並無特別限制,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。繼而,使用刮勺、刷子、毛刷等削取正極前驅體之正極活性物質層,測定正極集電箔之重量。若將所切出之正極前驅體之面積設為SZC (m2 )、重量設為MZ1 (g),將正極集電箔之重量設為MZ2 (g),則正極前驅體之正極活性物質層單位面積重量CZ1 可根據以下之式(4)而算出。
CZ1 (g∙m-2 )=(MZC1 ―MZC2) /SZC 數式(4)
將經過鋰摻雜步驟之正極之情形時之正極活性物質層單位面積重量之算出法記載於以下。於氬氣箱中將電壓經調整為2.9 V之非水系鋰型蓄電元件拆解並取出電極積層體,自電極積層體切出正極並利用有機溶劑洗淨。作為有機溶劑,只要可將沈積於正極表面之電解液分解物去除即可,並無特別限定,但藉由使用鋰化合物之溶解度為2%以下之有機溶劑,可抑制鋰化合物之溶出。作為此種有機溶劑,例如可適宜地使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸甲酯等極性溶劑。所測定之正極之面積並無特別限制,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。
正極之洗淨方法係使正極於相對於正極之重量為50~100倍之乙醇溶液中充分地浸漬3天以上。於浸漬期間,較佳為例如對容器封蓋以阻止乙醇揮發。於浸漬3天以上後,將正極自乙醇取出,並加以真空乾燥。真空乾燥之條件設為於溫度:100~200℃、壓力:0~10 kPa、時間:5~20小時之範圍內正極中之乙醇之殘存成為1質量%以下之條件。關於乙醇之殘存量,可測定下述蒸餾水洗淨後之水之GC/MS,並基於預先製作之校準曲線進行定量。
將真空乾燥後所獲得之正極之面積設為XC (m2 )。使用刮勺、刷子、毛刷等將正極之正極活性物質層全部去除,測定正極活性物質層之重量M0xC (g)與所獲得之正極之集電體之重量Mx2C 。繼而,使之於所測定之正極活性物質層重量之100~150倍之蒸餾水中充分地浸漬3天以上。於浸漬期間,較佳為對容器封蓋以阻止蒸餾水揮發,為了促進鋰化合物之溶出,較佳為偶爾攪拌水溶液。於浸漬3天以上後,自蒸餾水取出正極活性物質層,與上述乙醇洗淨同樣地進行真空乾燥。測定真空乾燥後之重量Mx1C (g)。正極活性物質層之單位面積重量Cx1 (g/m2 )可根據數式(5)算出。
Cx1 =(Mx1C -Mx2C )/XC 數式(5)
<負極活性物質層單位面積重量之算出>
於注液步驟前之負極之情形時,將負極之一部分切出特定之面積,並測定重量。所要測定之負極之面積並無特別限制,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。繼而,使用刮勺、刷子、毛刷等削取負極中之負極活性物質層,測定負極集電箔之重量。若將所切出之負極之面積設為SZA (m2 )、重量設為MZ1 (g),將負極集電箔之重量設為MZ2 (g),則正極前驅體之正極活性物質層單位面積重量AZ1 可根據以下之數式(6)算出。
AZ1 (g∙m-2 )=(MZA1 ―MZA2 )/SZA 數式(6)
將經過鋰摻雜步驟之負極之情形時之負極活性物質層之單位面積重量之定量方法記載於以下。於上述氬氣箱中自電極積層體切出負極並利用有機溶劑洗淨。作為洗淨所使用之有機溶劑,可為將沈積於負極表面之電解液分解物去除且與負極中之鋰離子反應之溶劑,並無特別限定,可適宜地使用甲醇、乙醇、異丙醇等醇、或該等之混合溶劑。
所要測定之負極之面積並無特別限制,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。
負極之洗淨方法係使負極於相對於負極之重量為50~100倍之乙醇溶液中充分地浸漬3天以上。於浸漬期間,較佳為例如對容器封蓋以阻止乙醇揮發。於浸漬3天以上後,將負極自乙醇取出,並加以真空乾燥。真空乾燥之條件設為於溫度:100~200℃、壓力:0~10 kPa、時間:5~20小時之範圍內負極中之乙醇之殘存成為1質量%以下之條件。
關於乙醇之殘存量,可將真空乾燥後之負極浸漬於碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、或碳酸甲酯乙酯等有機溶劑中後,測定上述有機溶劑之GC/MS,並基於預先製作之校準曲線進行定量。
將真空乾燥後所獲得之負極之面積設為XA (m2 )。使用刮勺、刷子、毛刷等將負極之負極活性物質層全部去除,測定負極活性物質層之重量M0xA (g)與所獲得之負極之集電體之重量Mx2A 。繼而,使之於所測得之負極活性物質層重量之100~150倍之蒸餾水中充分地浸漬3天以上。於浸漬期間,較佳為對容器封蓋以阻止蒸餾水揮發,為了促進鋰化合物之溶出,較佳為偶爾攪拌水溶液。於浸漬3天以上後,自蒸餾水取出負極活性物質層,與上述乙醇洗淨同樣地進行真空乾燥。測定真空乾燥後之重量Mx1A (g)。負極活性物質層之單位面積重量Ax1 (g/m2 )可根據數式(7)算出。
Ax1 =(Mx1A -Mx2A )/XA 式(7)
[電解液]
本實施形態之電解液為非水系,即該電解液含有下述非水溶劑。非水系電解液以非水系電解液之總量作為基準,較佳為含有0.5 mol/L以上之鋰鹽。即,非水系電解液較佳為含有鋰離子作為電解質。
[鋰鹽]
本實施形態之非水系電解液可將作為鋰鹽之例如(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 、LiBF4 等單獨使用,亦可將2種以上混合使用。就可表現出較高之傳導度之方面而言,非水系電解液較佳為含有選自由LiPF6 、LiN(SO2 F)2 及LiBF4 所組成之群中之至少一者,更佳為含有LiPF6 及/或LiBF4 ,進而較佳為含有LiPF6 及/或LiBF4 與LiN(SO2 F)2
非水系電解液中之鋰鹽濃度以該非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5 mol/L以上,更佳為0.5 mol/L以上且2.0 mol/L以下之範圍。若鋰鹽濃度為0.5 mol/L以上,則由於充分地存在陰離子,故而可充分地提高蓄電元件之電容。又,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,而不會降低傳導度,亦不會降低輸出特性,故而較佳。
本實施形態之非水系電解液以非水系電解液之總量作為基準,較佳為含有0.1 mol/L以上且1.5 mol/L以下之濃度之LiN(SO2 F)2 ,LiN(SO2 F)2 之濃度更佳為0.3 mol/L以上且1.2 mol/L以下。若LiN(SO2 F)2 濃度為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。另一方面,若該濃度為1.5 mol/L以下,則不會於充放電時產生電解質鹽之析出,且即便經過長時間後,亦不會產生電解液之黏度之增加。
[非水溶劑]
本實施形態之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、及於正極活性物質層適量沈積鋰化合物之方面有利。作為環狀碳酸酯,例如可列舉碳酸乙二酯(EC)、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯、碳酸伸乙烯酯、碳酸氟乙二酯等。
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,則能夠溶解所需濃度之鋰鹽,可表現出較高之鋰離子傳導度。進而,能夠使鋰化合物適量沈積於正極活性物質層,能夠抑制電解液之氧化分解。
本實施形態之非水系電解液較佳為含有作為鏈狀碳酸酯化合物之碳酸二甲酯(DMC)及碳酸甲酯乙酯(EMC)作為非水溶劑。碳酸甲酯乙酯相對於碳酸二甲酯之體積比率(DMC/EMC)較佳為0.5以上且8.0以下,更佳為0.8以上且6.0以下,進而較佳為1.0以上且4.0以下。若DMC/EMC為0.5以上,則能夠使電解液低黏度化,可表現出較高之鋰離子傳導度。若DMC/EMC為8.0以下,則能夠將混合溶劑之熔點保持為較低,即便於低溫環境下亦可發揮出較高之輸入輸出特性。
又,本實施形態之非水系電解液亦可含有其他鏈狀碳酸酯作為非水溶劑。作為其他鏈狀碳酸酯,可列舉以碳酸二乙酯、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而言為未經取代。
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,則能夠使電解液低黏度化,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。
[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,例如可將上述通式(1)所表示之噻吩化合物、上述通式(2-1)所表示之環狀硫酸化合物、磺內酯化合物、上述通式(2-4)所表示之化合物、上述通式(2-5)所表示之環狀亞硫酸化合物、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、及環狀酸酐等單獨使用,又,亦可將2種以上混合使用。
作為磺內酯化合物,例如可列舉上述通式(2-2)或(2-3)所表示之磺內酯化合物、或下述通式(7)所表示之磺內酯化合物。該等磺內酯化合物可單獨使用,或者亦可將2種以上混合使用。
[化13]

{式(7)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,彼此可相同亦可不同}
本實施形態中,就對電阻之不良影響較少之觀點、及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,作為式(7)所表示之磺內酯化合物,較佳為1,5,2,4-二氧雜二硫雜環庚烷2,2,4,4-四氧化物,作為其他磺內酯化合物,可列舉:亞甲基雙(苯磺酸)、亞甲基雙(苯基甲磺酸)、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),較佳為選擇選自該等中之至少1種以上。
本實施形態之非水系鋰型蓄電元件之非水系電解液中之磺內酯化合物之總含量以非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下。若非水系電解液中之磺內酯化合物之總含量為0.5質量%以上,則可抑制高溫下之電解液之分解而抑制氣體產生。另一方面,若該總含量為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。又,就同時實現較高之輸入輸出特性與耐久性之觀點而言,非水系鋰型蓄電元件之非水系電解液中所存在之磺內酯化合物之含量較佳為1質量%以上且10質量%以下,更佳為3質量%以上且8質量%以下。
[環狀磷腈]
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、苯氧基五氟環三磷腈等,較佳為選自該等中之1種以上。
非水系電解液中之環狀磷腈之含有率以該非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5質量%以上且20質量%以下。若該值為0.5重量%以上,則可抑制高溫下之電解液之分解而抑制氣體產生。另一方面,若該值為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。環狀磷腈之含有率更佳為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,或者亦可將2種以上混合使用。
[非環狀含氟醚]
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、CF3 CFHCF2 OCH2 CF2 CFHCF3 等,其中,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該非水系電解液之總量作為基準,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,則對於非水系電解液之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。另一方面,若非環狀含氟醚之含量為15質量%以下,則可良好地保持電解質鹽之溶解度,且將非水系電解液之離子傳導度維持為較高,因此可表現出高度之輸入輸出特性。再者,非環狀含氟醚可單獨使用,亦可將2種以上混合使用。
[含氟環狀碳酸酯]
關於含氟環狀碳酸酯,就與其他非水溶劑之相溶性之觀點而言,較佳為自碳酸氟乙二酯(FEC)及碳酸二氟乙二酯(dFEC)中選擇而使用。
含有氟原子之環狀碳酸酯之含量以該非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5質量%以上且10質量%以下,更佳為1質量%以上且5質量%以下。若含有氟原子之環狀碳酸酯之含量為0.5質量%以上,則可於負極上形成良質之覆膜,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。另一方面,若含有氟原子之環狀碳酸酯之含量為10質量%以下,則可良好地保持電解質鹽之溶解度,且將非水系電解液之離子傳導度維持為較高,因此可表現出高度之輸入輸出特性。再者,上述含有氟原子之環狀碳酸酯可單獨使用,亦可將2種以上混合使用。
[環狀碳酸酯]
環狀碳酸酯較佳為碳酸伸乙烯酯。
環狀碳酸酯之含量以該非水系電解液之總量作為基準,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,則可形成負極上之良質之覆膜,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。另一方面,若環狀碳酸酯之含量為10質量%以下,則可良好地保持電解質鹽之溶解度,且將非水系電解液之離子傳導度維持為較高,因此可表現出高度之輸入輸出特性。
[環狀羧酸酯]
作為環狀羧酸酯,例如可列舉:γ-丁內酯、γ-戊內酯、γ-己內酯、ε-己內酯等,較佳為使用選自該等中之1種以上。其中,就由鋰離子解離度提高獲得之電池特性提高之方面而言,尤佳為γ-丁內酯。
環狀羧酸酯之含量以該非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下,更佳為1質量%以上且5質量%以下。若環狀酸酐之含量為0.5質量%以上,則可形成負極上之良質之覆膜,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。另一方面,若環狀羧酸酯之含量為15質量%以下,則可良好地保持電解質鹽之溶解度,且將非水系電解液之離子傳導度維持為較高,因此可表現出高度之輸入輸出特性。再者,上述環狀羧酸酯可單獨使用,亦可將2種以上混合使用。
[環狀酸酐]
環狀酸酐較佳為選自琥珀酸酐、順丁烯二酸酐、檸康酸酐、及伊康酸酐之1種以上。其中,就因工業上獲取之容易性而抑制電解液之製造成本之方面、容易溶解於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。
環狀酸酐之含量以該非水系電解液之總量作為基準,較佳為0.5質量%以上且15質量%以下,更佳為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,則可於負極上形成良質之覆膜,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。另一方面,若環狀酸酐之含量為15質量%以下,則可良好地保持電解質鹽之溶解度,且將非水系電解液之離子傳導度維持為較高,因此可表現出高度之輸入輸出特性。再者,上述環狀酸酐可單獨使用,亦可將2種以上混合使用。
[電解液中之金屬元素]
本實施形態之非水系電解液較佳為選自由Ni、Mn、Fe、Co及Al所組成之群中之至少1種元素濃度為10 ppm以上且1000 ppm以下,更佳為15 ppm以上且800 ppm以下,進而較佳為20 ppm以上且600 ppm以下。若該元素濃度為10 ppm以上,則於將蓄電元件暴露於高溫高電壓狀態之情形時,負極中之金屬元素離子化,因此可抑制Li離子自正極中之鋰化合物釋出。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。若該元素濃度為1000 ppm以下,則可抑制負極界面之Li離子傳導性較低之覆膜之形成。藉此,可使蓄電元件高輸出化。又,由於不會破壞形成於負極活性物質層界面之保護覆膜,故而蓄電元件可獲得充分之高溫耐久性。電解液只要含有該等元素之任一者即可,亦可含有2種以上。於電解液含有2種以上之元素之情形時,其等之合計濃度為20 ppm以上且2000 ppm以下即可。
作為將選自由Ni、Mn、Fe、Co及Al所組成之群中之至少1種添加至電解液中之方法,並無特別限制,可列舉:將含有該等元素之化合物混合至正極前驅體中,施加電壓使之分解並溶出之方法;使之溶解於電解液中之方法等。其中,較佳為將含有Ni、Mn、Fe、Co或Al之任一元素之化合物混合至正極前驅體中,施加電壓使之分解並溶出之方法。
[非水系電解液中之金屬元素定量方法]
作為對非水系電解液中中所含之金屬元素進行定量之方法,並無特別限制,例如可列舉:於蓄電元件完成後,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、中子放射化分析法、ICP-MS等而算出之方法等。
[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微多孔膜或聚丙烯製微多孔膜等聚烯烴製微多孔膜、或電雙層電容器所使用之纖維素製不織紙、含有聚酯系樹脂之不織布等。亦可於該等分隔件之單面或兩面積層包含有機或無機之微粒子之膜作為絕緣層。又,亦可於分隔件之內部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。藉由設為5 μm以上之厚度,有因內部之微短路所產生之自放電變小之傾向,故而較佳。另一方面,藉由設為35 μm以下之厚度,有非水系鋰型蓄電元件之輸入輸出特性變高之傾向,故而較佳。
又,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。藉由將包含有機或無機之微粒子之膜設為1 μm以上之厚度,有因內部之微短路所產生之自放電變小之傾向,故而較佳。另一方面,藉由設為10 μm以下之厚度,有非水系鋰型蓄電元件之輸入輸出特性變高之傾向,故而較佳。
本實施形態之分隔件之空孔率較佳為30%~75%,更佳為55~70%。藉由將空孔率設為30%以上,就追隨高速充放電時之鋰離子之急速移動之觀點而言亦較佳。另一方面,將空孔率設為70%以下就提高膜強度之觀點而言較佳,可抑制因電極表面之凹凸或異物所產生之蓄電元件之內部短路。
[非水系鋰型蓄電元件]
本實施形態之非水系鋰型蓄電元件係如下所述將電極積層體或電極捲繞體與非水系電解液一起收納於外裝體內而構成。
[組裝]
單元組裝步驟中所獲得之電極積層體係於積層體上連接有正極端子與負極端子者,該積層體係將切割為單片形狀之正極前驅體與負極介隔分隔件進行積層而成。藉由設為積層型電極,可於收納於外裝體時使正極與負極之距離均勻化,因此可降低內部電阻而使蓄電元件高輸出化。
又,電極捲繞體係於捲繞體上連接有正極端子及負極端子者,該捲繞體係將正極前驅體與負極介隔分隔件進行捲繞而成。電極捲繞體之形狀可為圓筒型,亦可為扁平型,就提高封裝化時之蓄電元件之填充率之觀點而言,較佳為扁平型。藉由設為捲繞型電極,可縮短單元組裝步驟所需之時間,因此生產效率提高。
正極端子與負極端子之連接方法並無特別限定,藉由電阻焊接或超音波焊接等方法進行。
[外裝體]
作為外裝體,可使用金屬罐、層壓包材等。
金屬罐較佳為由鋁或鋁合金所形成者。較佳為於金屬罐之蓋體設置有安全閥。藉由設置有安全閥,於因氣體產生而導致電池內壓上升之情形時,可釋出氣體。藉由使用金屬罐,可提高外裝體內之電極積層體之填充率,因此可提高能量密度。
作為層壓包材,較佳為積層有金屬箔與樹脂膜之膜,可例示包含外層樹脂膜/金屬箔/內裝樹脂膜之3層構成者。外層樹脂膜係用以防止因接觸等而導致金屬箔受到損傷者,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。又,內裝樹脂膜係用以保護金屬箔免受收納於內部之非水系電解液影響,並且於外裝體之熱密封時熔融封口者,可適宜地使用聚烯烴、酸改性聚烯烴等。藉由使用層壓包材,可提高蓄電元件之放熱性,可提高高溫耐久性。
[向外裝體之收納]
乾燥之電極積層體或電極捲繞體較佳為收納至金屬罐或層壓包材所代表之外裝體中,並於僅留有1個開口部之狀態下進行密封。於電極捲繞體之情形時,較佳為於收納至外裝體之前,使用加壓機成形為扁平狀。此時,亦可於加壓時對捲繞體進行加溫。於將捲繞體成形為扁平狀後,收納至外裝體。就提高外裝體與電極捲解體之密接性之觀點而言,較佳為於收納後再次使用加壓機進行加壓及加溫。
外裝體之密封方法並無特別限定,於使用層壓包材之情形時,使用熱密封或脈衝密封等方法。
[乾燥]
收納至外裝體之電極積層體或電極捲繞體較佳為藉由進行乾燥而去除殘存溶劑。乾燥方法並無限定,藉由真空乾燥等進行乾燥。殘存溶劑較佳為相對於正極活性物質層或負極活性物質層之質量為1.5質量%以下。若殘存溶劑多於1.5質量%,則溶劑會殘存於系內,使自放電特性或循環特性變差,故而欠佳。
[注液、含浸、密封步驟]
於組裝步驟結束後,對收納至外裝體中之電極積層體或電極捲繞體注入非水系電解液。於注液步驟結束後,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,於下述鋰摻雜步驟中,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。作為上述含浸之方法,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。於含浸步驟結束後使用層壓包材之情形時,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。於使用金屬罐之情形時,使用焊接或壓緊等封口方法。
[鋰摻雜步驟]
於鋰摻雜步驟中,作為較佳之步驟,藉由對正極前驅體與負極之間施加電壓而使鋰化合物分解,使正極前驅體中之鋰化合物分解而釋出鋰離子,並於負極將鋰離子還原,而對負極活性物質層預摻雜鋰離子。
於該鋰摻雜步驟中,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出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出機構之狀態下施加電壓之方法等。
[老化步驟]
於鋰摻雜步驟結束後,較佳為對電極積層體或電極捲繞體進行老化。於老化步驟中,非水系電解液中之溶劑於電極-電解液界面分解,而於電極形成鋰離子透過性之固體高分子覆膜。
作為上述老化方法,並無特別限制,例如可使用於高溫環境下使非水系電解液中之溶劑進行反應之方法等。
[追加充放電步驟]
於本實施形態之非水系鋰型蓄電元件之老化後,較佳為對電極積層體或電極捲繞體進行追加充放電。藉由進行追加充放電,因鋰摻雜步驟時之鋰化合物分解反應所生成之活性碳表面之表面官能基穩定化,形成與Li離子可逆性地相互作用之活性點。藉此,能夠將電氣蓄積至正極活性物質中之活性碳原本所具有之活性物質電容以上,因此可提高電池電容。又,與Li離子可逆性地相互作用之活性點由於與Li離子之相互作用能量較低,故而即便於低溫環境下亦不會阻礙Li離子之擴散,而可維持高輸出。
[排氣步驟]
於老化步驟結束後,進而進行排氣,較佳為確實地去除非水系電解液、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。
[靜電電容]
本說明書中,所謂靜電電容F(F)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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計30分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。其後,將以2 C之電流值實施定電流放電至2.2 V時之電容設為Q。使用此處所獲得之Q,根據F=Q/(4.2-2.2)而算出之值。
[電量]
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所算出之靜電電容F(F),根據F×(4.2-2.2)/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之層壓膜中,該非水系鋰型蓄電元件之體積(V11)係由該杯式部分之外尺寸長度(l1)、外尺寸寬度(w1)、及包含層壓膜在內之非水系鋰型蓄電元件之厚度(t1),根據V11=l1×w1×t1進行計算。
於為收納於方型之金屬罐中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(V22)係由方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V22=l2×w2×t2進行計算。
又,於為收納於圓筒型之金屬罐中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(V33)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V33=3.14×r×r×l3進行計算。
[能量密度]
本說明書中,所謂能量密度係指使用電量E與體積Vii(i=1、2、3)根據E/Vi(Wh/L)之式所獲得之值。
[常溫內部電阻]
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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計30分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。繼而,以20 C之電流值進行定電流放電至2.2 V,而獲得放電曲線(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,以近似直線進行外插,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=4.2-Eo、及Ra=ΔE/(20 C(電流值A))而算出之值。
[低溫內部電阻]
本說明書中,所謂低溫內部電阻Rc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-30℃之恆溫槽內放置2小時。其後,於將恆溫槽保持為-30℃之狀態下,以1.0 C之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計2小時之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。繼而,以10 C之電流值進行定電流放電至2.2 V,而獲得放電曲線(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,以近似直線進行外插,將所獲得之放電時間=0秒時之電壓設為Eo時,根據降低電壓ΔE=4.2-Eo、及Rc=ΔE/(10 C(電流值A))而算出之值。
[高溫保存試驗]
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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行10分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。其後,將單元保存於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,藉由上述充電步驟將單元電壓充電至4.2 V後,再次將單元保存於60℃環境下。重複進行該步驟,藉由阿基米德法測定保存開始前之單元體積Va、保存試驗2個月後之單元體積Vb。將Vb-Va設為於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量。
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Rb時,高溫保存試驗後之常溫內部電阻相對於高溫保存試驗開始前之常溫內部電阻Ra之上升率係由Rb/Ra算出。
[高負荷充放電循環試驗]
本說明書中,高負荷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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而以300 C之電流值進行定電流放電至達到2.2 V。將上述充放電步驟重複進行60000次,於試驗開始前與試驗結束後進行靜電電容測定,將試驗開始前之靜電電容設為Fa(F)、試驗結束後之靜電電容設為Fd(F)時,高負荷充放電循環試驗後相對於試驗開始前之靜電電容維持率係由Fd/Fa算出。
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)、將收納有蓄電元件之外裝體之體積設為V(L)、將低溫內部電阻設為Rc時,較佳為同時滿足以下之(a)~(c):
(a)Ra與F之乘積Ra∙F為0.5以上且3.0以下;
(b0E/V為20以上且80以下;及
(c)Rc/Ra為30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進行組合等,亦可充分地耐受施加至該非水系鋰型蓄電元件之高負荷,故而較佳。
關於(b),就表現出充分之充電電容與放電電容之觀點而言,E/V較佳為20以上,更佳為25以上,進而較佳為30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,能夠於汽車內有限之狹小空間設置蓄電系統,故而較佳。
關於(c),就於-30℃之低溫環境下亦表現出充分之充電電容與放電電容之觀點而言,Rc/Ra較佳為30以下,更佳為26以下,進而較佳為22以下。若Rc/Ra為上述上限值以下,則可獲得即便於低溫環境下亦具有優異之輸出特性之蓄電元件。因此,於低溫環境下之汽車、機車等之引擎起動時,可獲得賦予用以驅動馬達之充分之電力之蓄電元件。
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)、將於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月後於25℃下之內部電阻設為Rb(Ω)、以及將環境溫度-30℃下之內部電阻設為Rc時,更佳為同時滿足以下之(d)及(e)之要件:
(d)Rb/Ra為0.3以上且3.0以下;及
(e)於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量於25℃為30×10-3 cc/F以下。
關於(d),於長時間暴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,Rb/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Rb/Ra為上述上限值以下,則可長時間穩定地獲得優異之輸出特性,因此使裝置長壽命化。
關於(e),於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月時所產生之氣體量就不會因所產生之氣體而降低元件之特性之觀點而言,將產生氣體量以於25℃下測得之值計,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。若上述條件下產生之氣體量為上述上限值以下,則即便於將裝置長時間暴露於高溫之情形時,亦無因氣體產生而導致單元膨脹之虞。因此,可獲得具有充分之安全性及耐久性之蓄電元件。
[非水系鹼金屬型蓄電元件之用途]
藉由將本實施形態之複數個非水系鹼金屬型蓄電元件串聯或並聯連接,可製作蓄電模組。又,本實施形態之非水系鹼金屬型蓄電元件及蓄電模組由於可同時實現較高之輸入輸出特性與高溫下之安全性,故而可用於電力再生輔助系統、電力負載平準化系統、不斷電電源系統、非接觸供電系統、能量採集系統、蓄電系統、電動動力轉向系統、緊急用電源系統、輪內馬達系統、空轉停止系統、急速充電系統、智慧電網系統、備用電源系統等。備用電源系統可用於電動汽車、電動機車等交通工具之多電源化,稱為複數種電源系統中之第2個以後之電源系統。蓄電系統適宜用於太陽光發電或風力發電等自然發電,電力負載平準化系統適宜用於微電網等,不斷電電源系統適宜用於工廠之生產設備等。於非接觸供電系統中,非水系鹼金屬型蓄電元件適宜用於微波送電或電場共振等電壓變動之平準化及能量之蓄電,於能量採集系統中,非水系鹼金屬型蓄電元件適宜用於使用藉由振動發電等所發出之電力。
於蓄電系統中,作為電池堆,複數個非水系鹼金屬型蓄電元件串聯或並聯地連接、或非水系鹼金屬型蓄電元件與鉛電池、鎳氫電池、鋰離子二次電池或燃料電池串聯或並聯地連接。
又,本實施形態之非水系鋰型蓄電元件由於可同時實現較高之輸入輸出特性與高溫下之安全性,故而例如可搭載於電動汽車、插電式油電混合車、油電混合車、電動機車等交通工具、或油電混合營建設備。油電混合營建設備係具備輕油、汽油等燃料引擎與蓄電元件之組合的營建設備,可為有人機(manned vehicle)或無人機(driverless vehicle),例如可為鏟土機、輪式裝載機、可換附件營建設備等。上述中所說明之電力再生輔助系統、電動動力轉向系統、緊急用電源系統、輪內馬達系統、空轉停止系統、備用電源系統或該等之組合適宜搭載於交通工具或油電混合營建設備。
[實施例]
以下,藉由實施例及比較例對本發明進行具體說明,但本發明並不限定於該等。
(實施例1)
<碳酸鋰之粉碎>
使用BET比表面積為0.9 m2 /g、細孔容積P為0.001 cc/g之碳酸鋰,利用勻相分散機將碳酸鋰15質量份與IPA(異丙醇)85質量份進行混合,而獲得碳酸鋰懸濁液。利用濕式珠磨機將該碳酸鋰懸濁液持續粉碎2小時,而獲得含有鋰化合物之漿料。利用加熱混合機將所獲得之含有鋰化合物之漿料於減壓狀態下加熱至50℃,一邊攪拌3小時一邊進行乾燥,藉此製備碳酸鋰。藉由針對所獲得之碳酸鋰測定平均粒徑,而求出所添加之碳酸鋰之粒徑,結果為0.5 μm。
<正極活性物質之製備>
[正極活性物質A之製備]
將經粉碎之椰子殼碳化物於小型碳化爐中,於氮氣中,於500℃下進行3小時碳化處理,而獲得碳化物。將所獲得之碳化物放入至活化爐內,將1 kg/h之水蒸氣於利用預熱爐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,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,於保持為115℃之電氣乾燥機內對活性碳進行10小時乾燥後,利用球磨機進行1小時粉碎,藉此獲得活性碳A。
針對該活性碳A,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。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。
[正極活性物質B之製備]
針對酚樹脂,於氮氣環境下,於焙燒爐中,於600℃下進行2小時碳化處理後,利用球磨機進行粉碎,並進行分級而獲得平均粒徑7 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,於焙燒爐中,於800℃下加熱1小時而進行活化。其後,於調整為濃度2 mol/L之稀鹽酸中持續1小時進行活化物之攪拌洗淨後,利用蒸餾水煮沸洗淨直至pH值穩定於5~6之間後,進行乾燥,藉此獲得活性碳B。
針對該活性碳B,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。
<正極前驅體A之製造>
使用上述所獲得之活性碳A作為正極活性物質而製造正極前驅體。
將42.4質量份之活性碳A、45.1質量份之作為鋰化合物之平均粒徑0.5 μm之碳酸鋰、3.0質量份之KB(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,將混合物於周速17 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2,700 mPa∙s,TI值為3.5。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之塗敷液之分散度。其結果為,粒度為35 μm。使用Toray Engineering公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之正極前驅體,使用輥壓機,於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓。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,正極活性物質層之膜厚於每一單面為110 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為52 g∙m-2
以下,將使用活性碳A之單面正極前驅體及兩面正極前驅體分別稱為單面正極前驅體A及兩面正極前驅體A(統稱為「正極前驅體A」)。將使用活性碳B之單面正極前驅體及兩面正極前驅體分別稱為單面正極前驅體B及兩面正極前驅體B(統稱為「正極前驅體B」)。
<負極活性物質之製備>
[負極活性物質A之製備]
將平均粒徑為6.2 μm且BET比表面積為7.2 m2 /g之人造石墨150 g放入至不鏽鋼網製之籠中,並放置於加入有煤系瀝青(軟化點:65℃)15 g之不鏽鋼製槽之上,將兩者設置於電氣爐(爐內有效尺寸300 mm×300 mm×300 mm)內。將籠與槽於氮氣環境下以8小時升溫至1,250℃,並於該溫度下保持4小時,藉此進行熱反應而獲得負極活性物質A。藉由自然冷卻將所獲得之負極活性物質A冷卻至60℃後,自電氣爐取出。
針對所獲得之負極活性物質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6.4 μm,BET比表面積為5.2 m2 /g。
<負極A之製造>
接下來,使用負極活性物質A作為負極活性物質而製造負極。
將85質量份之負極活性物質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,將混合物於周速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公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之負極A,使用輥壓機於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓。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單位面積重量為30 g/m2 ,膜厚為40 μm。
[負極每單位重量之電容之測定]
將所獲得之負極A切出1塊1.4 cm×2.0 cm(2.8 cm2 )之大小,使用刮勺、刷子、毛刷去除塗敷於銅箔之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(electrochemical cell)。
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 進行定電流充電至電壓值成為0.01 V後,進而進行定電壓充電至電流值成為0.01 mA/cm2 。將該定電流充電及定電壓充電時之充電電容設為初次充電電容並進行評價,結果負極A之每單位質量之電容(鋰離子之摻雜量)為400 mAh/g。
[負極活性物質B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放入至不鏽鋼網製籠中,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,將兩者設置於電氣爐(爐內有效尺寸300 mm×300 mm×300 mm)內,進行熱反應,藉此獲得負極活性物質B。該熱處理係藉由在氮氣環境下,將爐內部以8小時升溫至600℃,並於該溫度下保持4小時之方法進行。繼而,藉由自然冷卻而將爐內部冷卻至60℃後,將負極活性物質B自爐取出。
針對所獲得之負極活性物質B,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。
[負極活性物質C之製備]
利用加熱捏合機將平均粒徑30 nm、BET比表面積254 m2 /g之碳黑(CB1)100重量份與軟化點110℃、中期量(QI量)13%之光學各向同性瀝青(P1)50重量份進行混捏,將所獲得之混捏物於非氧化性環境下於1,000℃下進行焙燒。藉由將焙燒物粉碎成平均粒徑(D50)7 μm,而獲得作為負極活性物質C之複合多孔性材料C。針對所獲得之負極活性物質C,藉由與上述相同之方法測定BET比表面積。其結果為,BET比表面積為180 m2 /g。
[負極活性物質D之製備]
藉由將難石墨化碳進行粉碎,而獲得平均粒徑5 μm、BET比表面積6 m2 /g之負極活性物質D。
<負極B、負極C、負極D之製造>
使用上述所獲得之負極活性物質B、負極活性物質C、負極活性物質D作為負極活性物質,除此以外,藉由與負極A相同之方式分別製造負極B、負極C、負極D。與負極A同樣地測定鋰離子之摻雜量,結果負極B為750 mAh/g,負極C為1300 mAh/g,負極D為420 mAh/g。
<負極E之製造>
將平均粒徑0.9 μm之矽75質量份、科琴黑10質量份、及聚醯亞胺黏合劑15質量份、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,將混合物於周速15 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液(負極活性物質E)。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2,982 mPa∙s,TI值為3.2。使用Toray Engineering公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度10 μm、Rzjis 1.5 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(以下,亦稱為「兩面負極」)。針對所獲得之負極,使用輥壓機於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓,而獲得負極E。對於所獲得之負極E之總厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定負極之任意10處。自所測得之總厚度之平均值減去銅箔之厚度,求出負極E之負極活性物質層之膜厚。其結果為,負極E之負極活性物質層之每一單面之單位面積重量為20 g/m2 ,膜厚為30 μm。與負極A同樣地測定鋰離子之摻雜量,結果負極E為600 mAh/g。
<負極F之製造>
將平均粒徑5 μm、BET比表面積為7 m2 /g之鈦酸鋰(Li4/3 Ti5/3 O4 )85質量份、乙炔黑10質量份、及PVdF(聚偏二氟乙烯)5質量份、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,將混合物於周速15 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液(負極活性物質F)。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公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之負極,使用輥壓機於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓,而獲得負極F。對於上述所獲得之負極F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F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F之負極活性物質層之每一單面之單位面積重量為35 g/m2 ,膜厚為40 μm。與負極A同樣地測定鋰離子之摻雜量,結果負極F為180 mAh/g。
<電解液之製備>
使用碳酸乙二酯(EC):碳酸二甲酯(DMC):碳酸甲酯乙酯(EMC)=34:44:22(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25:75(莫耳比),且LiN(SO2 F)2 及LiPF6 之濃度之和成為1.2 mol/L之方式溶解各電解質鹽,而獲得非水系電解液1。
此處所製備之電解液中之LiN(SO2 F)2 及LiPF6 之濃度分別為0.3 mol/L及0.9 mol/L。
<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係使用單面正極前驅體,進而使用21枚兩面負極與20枚兩面正極前驅體,於負極與正極前驅體之間隔著厚度15 μm、空孔率65%之聚乙烯製微多孔膜分隔件A而進行積層。
<端子之焊接>
其後,藉由超音波焊接,於負極與正極前驅體分別連接負極端子與正極端子而形成電極積層體。將該電極積層體於80℃、50 Pa、及60 hr之條件下下進行真空乾燥。該電極積層體於露點-45℃之乾燥環境下插入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之3方於180℃、20 sec及1.0 MPa之條件下進行熱密封。
<蓄電元件之注液、含浸、密封步驟>
對於收納至鋁層壓包材中之電極積層體,於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,於大氣壓下,注入約80 g之上述非水系電解液1。繼而,將上述非水系鋰型蓄電元件放入至減壓腔室中,自常壓減壓至-87 kPa後,恢復至大氣壓,並靜置5分鐘。其後,重複進行4次自常壓減壓至-87 kPa後恢復至大氣壓之步驟後,將元件靜置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次同樣地將元件進行減壓並恢復至大氣壓之步驟(分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之步驟,使非水系電解液含浸於電極積層體中。
其後,藉由將非水系鋰型蓄電元件放入至減壓密封機中,於減壓至-95 kPa之狀態下,於180℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒,而將鋁層壓包材進行密封。
<鋰摻雜步驟>
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.7 V後,繼而繼續進行10小時之4.7 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
<老化步驟>
藉由將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下,以0.7 A進行定電流放電至達到電壓3.0 V後,進行1小時之定電流定電壓充電至4.0 V,而將電壓調整為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。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.5 V後,以10 A自2.5 V充電至3.9 V,其後,以10 A放電至2.5 V。
<排氣步驟>
對於追加充放電步驟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至減壓腔室中,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,將該步驟重複進行合計3次。其後,將非水系鋰型蓄電元件放入至減壓密封機中,減壓至-90 kPa後,於200℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒,藉此將鋁層壓包材進行密封。
<正極活性物質層之分析>
將完成之非水系鋰型蓄電元件調整為2.9 V後,於設置於23℃之房間之於露點-90℃以下、氧濃度1 ppm以下進行管理之氬氣箱內進行拆解並取出正極。利用碳酸二甲酯(DMC)將所取出之正極浸漬洗淨後,於維持大氣非暴露之狀態下於側箱中進行真空乾燥。
將乾燥後之正極於維持大氣非暴露之狀態下自側箱轉移至氬氣箱。
[固體7 Li-NMR測定]
自上述所獲得之正極採集正極活性物質層並進行稱量。將所獲得之正極活性物質層作為試樣而進行固體7 Li-NMR測定。使用JEOL RESONANCE公司製造之ECA700(7 Li-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,藉由單脈衝法測定NMR。使用0.8 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位移位置設為0 ppm。於測定時,充分地設置測定期間之重複等待時間,將重複等待時間設定為300秒、將累計次數設定為32次而進行測定。
根據藉由上述條件所獲得之正極活性物質層之固體7 Li-NMR光譜,針對在-30 ppm~30 ppm之範圍內所觀測到之信號,於-2 ppm~2.5 ppm假定信號A之峰頂,於-6 ppm~-2.5 ppm假定信號B之峰頂,藉由波形分離求出兩成分之面積比。波形分離係以高斯曲線為25%、勞侖茲曲線為75%之比率,將半值寬設為300 Hz~1000 Hz之範圍內而進行擬合,藉由最小平方法而算出。將結果示於表2。
[能量密度之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計30分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。其後,將以2 C之電流值實施定電流放電至2.2 V時之電容設為Q,使用根據F=Q/(4.2-2.2)所算出之靜電電容F(F),根據E/V=F×(4.2-2.2)2 /2/V算出能量密度,結果為35.3 Wh/L。
[Ra∙F之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計30分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電,繼而以20 C之電流值進行定電流放電至2.2 V,而獲得放電曲線(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,以近似直線進行外插,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=4.2-Eo、及R=ΔE/(20 C(電流值A))算出常溫內部電阻Ra。
靜電電容F與25℃下之內部電阻Ra之乘積Ra∙F為2.45 ΩF。
[Rc/Ra之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,於設定為-30℃之恆溫槽內放置2小時後,於將恆溫槽保持為-30℃之狀態下,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以1.0 C之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計2小時之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。繼而,以120 C之電流值進行定電流放電至2.2 V,而獲得放電曲線(時間-電壓),藉由上述內部電阻算出方法算出低溫內部電阻Rc。
-30℃下之內部電阻Rc與25℃下之內部電阻Ra之比Rc/Ra為16.3。
(實施例2~8、及比較例1、2)
於實施例1中,將負極、正極前驅體活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表1所記載般變更,除此以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
評價結果示於表2。
(實施例9)
除以下所記載之鋰摻雜步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
評價結果示於表2。
<鋰摻雜步驟>
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.8 V後,繼而繼續進行10小時之4.8 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
(實施例10)
除以下所記載之鋰摻雜步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
<鋰摻雜步驟>
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.5 V後,繼而繼續進行10小時之4.5 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,而對負極進行鋰摻雜。
(實施例11)
除以下所記載之鋰摻雜步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
<鋰摻雜步驟>
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.3 V後,繼而繼續進行10小時之4.3 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
(實施例12)
除以下所記載之追加充放電步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.6 V後,以10 A自2.6 V充電至4.0 V,其後,以10 A放電至2.6 V。
(實施例13)
除以下所記載之追加充放電步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.4 V後,以10 A自2.4 V充電至3.8 V,其後,以10 A放電至2.4 V。
(實施例14)
除以下所記載之追加充放電步驟以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.3 V後,以10 A自2.3 V充電至3.6 V,其後,以10 A放電至2.3 V。
(比較例3)
不進行追加充放電步驟,除此以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
(實施例15)
[含有過渡金屬氧化物之正極前驅體C之製作]
將43.1質量份之活性碳A、14.4質量份之作為鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑為3.5 μm之LiCoO2 、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)、以及以使固形物成分之重量比成為24.5%之NMP(N-甲基-2-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(註冊商標)」,將該混合物於周速20 m/s之條件下進行3分鐘分散,而獲得正極塗敷液1。
使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之正極塗敷液1之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,690 mPa∙s,TI值為6.6。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之正極塗敷液1之分散度。其結果為,粒度為23 μm。
使用Toray Engineering公司製造之兩面模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將正極塗敷液1塗敷於厚度15 μm之鋁箔之單面或兩面,將乾燥爐之溫度依序調整為70℃、90℃、110℃、130℃,其後,利用IR加熱器進行乾燥,而獲得正極前驅體C。對於所獲得之正極前驅體C,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。對於正極前驅體C之總厚度,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C之任意10處。減去鋁箔之厚度所求出之正極活性物質層之膜厚於每一單面為70 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果為正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為45 g∙m-2
除上述正極前驅體之製作以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行評價。藉由上述方法,算出所完成之非水系鋰型蓄電元件之正極中之正極活性物質層中所含之碳材料之質量比率A1 與鋰過渡金屬氧化物之質量比率A2 。將結果示於表2。
(實施例16~33、及比較例4~7)
於上述實施例15中,將負極、正極前驅體中之正極活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表1所記載般變更,除此以外,藉由與實施例15相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
評價結果示於表2。
再者,表1、3、5及10中之正極活性物質之簡稱分別為以下之含義。
NCA:LiNi0.80 Co0.15 Al0.05 O2
NCM:LiNi0.33 Co0.33 Mn0.33 O2
(實施例34)
使用負極F,與實施例23同樣地組裝蓄電元件。其後,不進行以下所記載之鋰摻雜步驟~追加充放電步驟,除此以外,藉由與實施例23相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件。
<鋰摻雜步驟>
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓3.2 V後,繼而繼續進行10小時之3.2 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
<老化步驟>
藉由將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行定電流放電至達到電壓1.6 V後,進行1小時定電流定電壓充電至3.0 V,而將電壓調整為3.0 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。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓1.6 V後,以10 A自1.6 V充電至3.0 V,其後,以10 A放電至1.6 V。
[能量密度之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,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之電流值進行定電流充電直至達到3.0 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.0 V之定電壓之定電壓充電。其後,將以2 C之電流值實施定電流放電至1.5 V時之電容設為Q,使用根據F=Q/(3.0-1.5)所算出之靜電電容F(F),
根據E/V=F×(3.0-1.5)2 /2/V算出能量密度,結果為35.4 Wh/L。
[Ra∙F之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,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之電流值進行定電流充電直至達到3.0 V,繼而進行合計30分鐘之施加3.0 V之定電壓之定電壓充電,繼而,以20 C之電流值進行定電流放電至1.5 V,而獲得放電曲線(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,以近似直線進行外插,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=3.0-Eo、及R=ΔE/(20 C(電流值A))算出常溫內部電阻Ra。
靜電電容F與25℃下之內部電阻Ra之乘積Ra∙F為0.75 ΩF。
[Rc/Ra之算出]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,於設定為-30℃之恆溫槽內放置2小時後,於將恆溫槽保持為-30℃之狀態下,使用Fujitsu Telecom Networks股份有限公司製造之充放電裝置(5 V,360 A),以1.0 C之電流值進行定電流充電直至達到3.0 V,繼而進行合計2小時之施加3.8 V之定電壓之定電壓充電。繼而,以120 C之電流值進行定電流放電至1.5 V,而獲得放電曲線(時間-電壓),藉由上述內部電阻算出方法算出低溫內部電阻Rc。
-30℃下之內部電阻Rc與25℃下之內部電阻Ra之比Rc/Ra為6.4。
(比較例8~11)
如表1所示,變更正極活性物質之種類或比率,且不進行追加充放電步驟,除此以外,藉由與實施例15相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
(比較例12)
<負極B2之製造>
於上述負極B之製造中,將負極集電體變更為厚度15 μm之具有貫通孔之銅箔,除此以外,藉由相同之方法製造負極B2。其結果為,關於負極B2之負極活性物質層之膜厚,每一單面之厚度為40 μm。
<正極前驅體A2之製造>
使用活性碳A作為正極活性物質而製造正極前驅體A2。
將87.5質量份之活性碳A、3.0質量份之KB(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,將混合物於周速17 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2,700 mPa∙s,TI值為3.5。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之塗敷液之分散度。其結果為,粒度為35 μm。使用Toray Engineering公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之正極前驅體,使用輥壓機於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓,而獲得正極前驅體A2。對於上述所獲得之正極前驅體A2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,正極活性物質層之膜厚於每一單面為120 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果為正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為36 g∙m-2
<蓄電元件之組裝>
將兩面負極B2及兩面正極前驅體A2切割為10 cm×10 cm(100 cm2 )。於該兩面負極B2之單面,貼附相對於負極活性物質B之單位質量相當於760 mAh/g之鋰金屬箔。最上表面與最下表面係使用單面正極前驅體,進而使用經過上述鋰貼附步驟之兩面負極21枚與兩面正極前驅體20枚,於負極與正極前驅體之間介隔厚度15 μm之微多孔膜分隔件而進行積層。其後,藉由超音波焊接,於負極與正極前驅體分別連接負極端子與正極端子而形成電極積層體。將該電極積層體於80℃、50 Pa、及60 hr之條件下進行真空乾燥。將該電極積層體於露點-45℃之乾燥環境下插入至包含層壓膜之外裝體內,於180℃、20 sec、及1.0 MPa之條件下將電極端子部及底部之外裝體之3方進行熱密封。將非水系電解液注入至外裝體,並將該外裝體密閉,藉此組裝非水系鋰型蓄電元件。
<鋰摻雜步驟>
對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,藉由在設定為45℃之恆溫槽內放置21小時,而對負極進行鋰摻雜。
<老化步驟>
將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件調整為單元電壓3.0 V後,於設定為45℃之恆溫槽內保存24小時。繼而,使用ASKA ELECTRONIC製造之充放電裝置,設為充電電流10 A、放電電流10 A,於下限電壓2.0 V與上限電壓4.0 V之間重複進行2次基於定電流充電、定電流放電之充放電循環。
將蓄電元件組裝、鋰摻雜步驟、老化步驟變更為上述所記載之方法,除此以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
評價結果示於表2。
(比較例13~15)
於比較例12中,將負極、負極活性物質、正極前驅體中之活性物質分別如表1所記載般變更,除此以外,藉由與比較例12相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表2。
[表1]
[表2]
(實施例35)
[含有2種活性物質之負極之製造]
將負極活性物質A與負極活性物質B以95:5之比率混合而成之混合活性物質80質量份、乙炔黑8質量份、及PVdF(聚偏二氟乙烯)12質量份、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,將混合物於周速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公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之負極,使用輥壓機於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓,而獲得負極2。對於上述所獲得之負極2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2之任意10處,自所獲得之厚度之平均值減去銅箔之厚度而求出。其結果為,負極2之負極活性物質層之每一單面之單位面積重量為28 g/m2 ,膜厚為40 μm。
除上述負極之製作以外,藉由與實施例1相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行評價。評價結果示於表4。
(實施例36~52、及比較例16~19)
於實施例35中,將負極、負極活性物質、正極前驅體中之活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表3所記載般變更,除此以外,藉由與實施例35相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
評價結果示於表4。
(實施例53~55)
將正極前驅體中之活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表3所記載般變更,且使用於厚度16 μm之聚烯烴微多孔膜上形成有厚度5 μm之絕緣多孔層的空孔率60%之分隔件,除此以外,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表4。
(實施例56)
使用將聚烯烴微多孔膜用作基材且基材之內部含有無機粒子之厚度16 μm及空孔率66%之分隔件,進而如表3所記載般變更正極活性物質,除此以外,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表4。
(實施例57)
使用厚度16 μm、空孔率70%之纖維素製不織布分隔件,進而如表3所記載般變更正極活性物質,除此以外,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表4。
(實施例58)
使用於厚度20 μm之聚酯系不織布形成有厚度4 μm之絕緣多孔層的空孔率60%之分隔件,進而如表3所記載般變更正極活性物質,除此以外,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表4。
(實施例59)
<端子之焊接>
與實施例43同樣地製作電極積層體,藉由超音波焊接,於負極與正極前驅體分別連接負極端子與正極端子連接而製成電極積層體。將該電極積層體於80℃、50 Pa下真空乾燥60 hr。
<蓄電元件之注液、含浸、密封步驟>
將所獲得之電極積層體收納至鋁製金屬罐殼體。於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,於大氣壓下注入約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至減壓腔室中,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後恢復至大氣壓之步驟後,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次同樣地減壓並恢復至大氣壓之步驟(分別減壓至-95、-96、-97、-81、-97、-97、-97 kPa)。藉由以上之步驟使非水系電解液含浸於電極積層體中。
<鋰摻雜步驟>
對於所獲得之非水系鋰型蓄電元件,使用設置於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下的Toyo System公司製造之充放電裝置(TOSCAT-3100U),以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.7 V後,繼而繼續進行10小時之4.7 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
<老化步驟>
藉由將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下以0.7 A進行定電流放電至達到電壓3.0 V後,進行1小時之定電流定電壓充電至4.0 V,而將電壓調整為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。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.4 V後,以10 A自2.4 V充電至3.8 V,其後,以10 A放電至2.4 V。
<排氣步驟>
將追加充放電步驟後之非水系鋰型蓄電元件於溫度25℃、露點-40℃之乾燥空氣環境下放入至減壓腔室中,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,將該步驟重複進行合計3次。其後,藉由對金屬罐殼體安裝蓋體,並進行焊接、壓緊而封口。
與實施例43同樣地進行評價。將評價結果示於表4。
(實施例60及61、比較例20)
將負極、正極前驅體中之活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表3所記載般變更,除此以外,藉由與實施例36相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。
(實施例62~64、比較例21)
使用於厚度16 μm之聚烯烴微多孔膜上形成有厚度5 μm之絕緣多孔層的空孔率60%之分隔件,進而關於實施例62與64,如表3所記載般亦變更正極活性物質,除此以外,藉由與實施例60相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。評價結果示於表4。
[表3]
[表4]
(實施例65)
<正極前驅體D之製造>
將30.3質量份活性碳A、27.2質量份之作為鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑為4.0 μm之LiNi0.80 Co0.15 Al0.05 O2 、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)、以及以使固形物成分之重量比成為24.5%之NMP(N-甲基-2-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(註冊商標)」,將該混合物於周速20 m/s之條件下進行3分鐘分散,而獲得正極塗敷液1C。
使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之正極塗敷液1C之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,690 mPa∙s,TI值為6.6。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之正極塗敷液1之分散度。其結果為,粒度為23 μm。
使用Toray Engineering公司製造之兩面模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將塗敷液1C塗敷厚度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)。於對鋁箔之單面塗敷塗敷液1C時,將模嘴之噴出壓設為55 kPa,於對鋁箔之兩面塗敷塗敷液1C時,將上表面模嘴之噴出壓設為55 kPa,將下表面模嘴之噴出壓設為60 kPa。使用輥壓機,於壓力6 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1(單面)及正極前驅體1(兩面)進行加壓,而獲得正極前驅體D。
對於正極前驅體D(兩面)之總厚度,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D(兩面)之任意10處。減去鋁箔之厚度所求出之正極活性物質層之膜厚於每一單面為76.9 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為47.8 g∙m-2
<負極G之製造>
使用活性物質A及C作為負極活性物質而製造負極G。
將活性物質A與活性物質C以95:5之比率混合而成之混合活性物質84質量份、乙炔黑10質量份、及PVdF(聚偏二氟乙烯)6質量份、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 m/s之條件下進行分散而獲得塗敷液1A。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1A之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,520 mPa∙s,TI值為4.0。
使用Toray Engineering公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度2 m/s之條件下將塗敷液1A塗敷於厚度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G1。於對銅箔之兩面塗敷塗敷液1A時,將上表面模嘴之噴出壓設為45 kPa,將下表面模嘴之噴出壓設為50 kPa。使用輥壓機,於壓力5 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下對所獲得之負極E1進行加壓。
對於經加壓之負極G之總厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定負極G之任意10處。其後,去除負極G內之一面之負極活性物質層,並再次測定厚度。其後,將殘留於負極集電體上之負極活性物質層全部去除,測定銅箔之厚度。減去銅箔之厚度所求出之負極活性物質層之膜厚於每一單面為80.1 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果負極活性物質層之單位面積重量於每一單面為62.3 g∙m- 2
使用正極前驅體D、負極G,除此以外,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行評價。進而,針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,藉由以下之方法進行高負荷充放電循環試驗。
[高負荷充放電循環試驗]
針對上述步驟中所獲得之蓄電元件,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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而以300 C之電流值進行定電流放電至達到2.2 V。將上述充放電步驟重複進行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,將試驗開始前之靜電電容設為Fa(F),將試驗結束後之靜電電容設為Fd(F)時,高負荷充放電循環試驗後相對於試驗開始前之靜電電容維持率Fd/Fa為0.95。
(實施例66~83、比較例22~29)
將正極前驅體中所含之活性物質、負極中所含之活性物質如表5所示般變更,而製備各塗敷液,調整塗敷時之模嘴之噴出量,將正極前驅體之厚度、單位面積重量、及負極之厚度、單位面積重量如表5所示般變更,除此以外,藉由與實施例65相同之方法製作非水系鋰型蓄電元件,並進行評價。
[表5]
[表6]
(實施例84)
<電解液之製備>
使用碳酸乙二酯(EC):碳酸二甲酯(DMC):碳酸甲酯乙酯(EMC)=33:26:41(體積比)之混合溶劑作為有機溶劑,使用以相對於全部電解液,LiN(SO2 F)2 及LiPF6 之濃度比為25:75(莫耳比),且LiN(SO2 F)2 及LiPF6 之濃度之和成為1.2 mol/L之方式溶解各電解質鹽所獲得之溶液作為非水系電解液。
此處所製備之電解液中之LiN(SO2 F)2 (表7中,簡稱為「LiFSI」)及LiPF6 之濃度分別為0.3 mol/L及0.9 mol/L。
又,使作為添加劑之相對於全部電解液成為1質量%之量之噻吩溶解而獲得非水系電解液2。
使用非水系電解液2,藉由與實施例43相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行評價。
[負極試樣之製備]
將上述所獲得之蓄電元件拆解,將所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,並浸於30 g之碳酸二乙酯溶劑中,偶爾利用鑷子挪動負極,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。將經洗淨之負極自氬氣箱取出,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,而獲得負極試樣。
將所獲得之負極試樣之一部分切出5 cm×5 cm之大小,將各者浸於20 g之甲醇中,對容器封蓋,並於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。針對洗淨後之甲醇溶液,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%。
<負極活性物質層表面之XPS解析>
將所獲得之負極試樣之一部分切出3 mm×3 mm之大小,於大氣非暴露下之狀態下投入至XPS裝置(Thermo Fisher ESCALLAB250)中,進行XPS測定。X射線源使用單色化AlKα(15 kV、10 mA),使用直徑200 μm之X射線束,於鍵結能0~1100 eV之範圍內藉由全譜掃描進行全部元素之檢測,於與所檢測出之各元素對應之鍵結能之範圍內,於有電荷中和之條件下進行細部掃描,獲取關於C1s、O1s、S2p、F1s、N1s、Li1s、P2p之光譜,使用其等之波峰面積算出S之相對元素濃度,結果為1.5 atomic%。將結果示於表8。
<負極活性物質層中之金屬元素>
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去除,針對所獲得之負極活性物質層,使用濃硝酸進行酸分解。將所獲得之溶液以成為2%之酸濃度之方式利用純水稀釋後,藉由ICP-MS Thermo Fisher Scientific公司,X系列2)求出各金屬元素之存在量(ppm),結果Ni之濃度為4560 ppm。
<電解液中之金屬元素定量>
將藉由蓄電元件之拆解所獲得之電解液中之0.2 g放入至鐵氟龍(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,並將其利用純水定容為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),結果檢測到Al及Ni,其等之濃度之合計為840 ppm。
<正極活性物質層表面之XPS解析>
藉由與負極活性物質層相同之方式,進行正極活性物質層表面之XPS分析,於162 eV~166 eV檢測到波峰。將結果示於表8。
[高溫保存試驗後之氣體產生量]
針對所獲得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之電流值進行定電流充電直至達到4.2 V,繼而進行合計10分鐘之施加4.2 V之定電壓之定電壓充電。其後,將單元保持於60℃環境下,每2週自60℃環境下取出,藉由相同之充電步驟將單元電壓充電至4.2 V後,再次將單元保存於60℃環境下。將該步驟於2個月間重複實施,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。藉由Vb-Va所求出之氣體產生量為23.5×10-3 cc/F。
[Rb/Ra之算出]
對於上述高溫保存試驗後之蓄電元件,藉由與上述[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Rb。
將該Rb(Ω)除以上述[Ra∙F之算出]中求出之高溫保存試驗前之內部電阻Ra(Ω)所算出之比Rb/Ra為1.25。
(實施例85~120、及比較例30~35)
將非水系電解液中之鹽、溶劑組成比、添加劑分別如表7所記載般變更,除此以外,藉由與實施例84相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。將評價結果示於表8及表9。
表7中之添加劑之簡稱分別為以下之含義。
[添加劑]
PES:1-丙烯-1,3-磺內酯
PS:1,3-丙烷磺內酯
ESF:亞硫酸乙二酯
PSF:亞硫酸1,2-丙二酯
SFL:3-環丁烯碸
ES:硫酸乙二酯
TP:噻吩
[表7]
[表8]
[表9]
(實施例121)
[扁平電極捲繞體之製作]
<正極前驅體D2之製造>
將43.1質量份之活性碳A、14.4質量份之作為鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑為4.0 μm之LiNi0.80 Co0.15 Al0.05 O2 、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)、以及以使固形物成分之重量比成為24.5%之NMP(N-甲基-2-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(註冊商標)」,將該混合物於周速20 m/s之條件下進行3分鐘分散,而獲得正極塗敷液1。
使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之正極塗敷液1之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,690 mPa∙s,TI值為6.6。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之正極塗敷液1之分散度。其結果為,粒度為23 μm。
使用Toray Engineering公司製造之兩面模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將正極塗敷液1塗敷於厚度15 μm之鋁箔之兩面,將乾燥爐之溫度依序調整為70℃、90℃、110℃、130℃,其後,利用IR加熱器進行乾燥而獲得正極前驅體。使用輥壓機,於壓力6 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進行加壓,而獲得正極前驅體D2。對於正極前驅體D2之總厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定正極前驅體之任意10處。減去鋁箔之厚度所求出之正極活性物質層之膜厚於每一單面為70 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果為正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為45 g∙m-2
<負極G2之製造>
將負極活性物質A與負極活性物質C以95:5之比率混合而成之混合活性物質80質量份、乙炔黑8質量份、及PVdF(聚偏二氟乙烯)12質量份、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,將混合物於周速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公司製造之模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將上述塗敷液塗敷於厚度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。針對所獲得之負極,使用輥壓機,於壓力4 kN/cm、加壓部之表面溫度25℃之條件下實施加壓,而獲得負極G2。對於上述所獲得之負極G2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G2之負極活性物質層之每一單面之單位面積重量為28 g/m2 ,膜厚為40 μm。
<組裝步驟>
將所獲得之兩面負極切割為12.2 cm×450 cm,將兩面正極前驅體切割為12.0 cm×300 cm。負極與正極前驅體分別具有未塗敷部。該未塗敷部係以自端部側起成為寬度2 cm之方式形成。以未塗敷部彼此成為相反方向之方式分別介隔厚度15 μm之微多孔膜分隔件,且以未塗敷部自分隔件突出之方式捲繞成橢圓形狀,並對捲繞體進行加壓而成型為扁平形狀。
[端子焊接]
其後,藉由超音波焊接,於負極與正極前驅體接合電極端子而製成電極捲繞體。將該電極捲繞體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之3方於溫度180℃、密封時間20 sec、密封壓力1.0 MPa之條件下進行熱密封。將其於溫度80℃、壓力50 Pa、及乾燥時間60 hr之條件下進行真空乾燥。
<注液、含浸、密封步驟>
於溫度25℃、露點-40℃以下之乾燥空氣環境下,於大氣壓下,對收納至鋁層壓包材中之電極捲繞體注入約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至減壓腔室中,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後恢復至大氣壓之步驟後,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步驟(分別減壓至-95、96、97、81、97、97、97 kPa)。藉由以上之步驟,使非水系電解液含浸於電極積層體中。
其後,將非水系鋰型蓄電元件放入至減壓密封機中,於減壓至-95 kPa之狀態下,於180℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒,藉此將鋁層壓包材進行密封。
[鋰摻雜步驟]
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,以電流值0.7 A進行定電流充電直至達到電壓4.7 V後,繼而繼續進行10小時之4.7 V定電壓充電,藉由該方法進行初期充電,從而對負極進行鋰摻雜。
<老化步驟>
藉由將鋰摻雜後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下,以0.7 A進行定電流放電至達到電壓3.0 V後,進行1小時之定電流定電壓充電至4.0 V,而將電壓調整為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。
<追加充放電步驟>
將老化後之非水系鋰型蓄電元件於25℃環境下重複進行5次如下之充放電步驟,即以10 A進行定電流放電至達到電壓2.5 V後,以10 A自2.5 V充電至3.9 V,其後,以10 A放電至2.5 V。
[排氣步驟]
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,取出安裝於負極之非對向部之遮罩後,將上述非水系鋰型蓄電元件放入至減壓腔室中,使用KNF公司製造之隔膜泵(N816.3KT.45.18),重複進行合計3次以3分鐘自大氣壓減壓至-80 kPa後以3分鐘恢復至大氣壓之步驟。其後,將非水系鋰型蓄電元件放入至減壓密封機中,減壓至-90 kPa後,於200℃下以0.1 MPa之壓力密封10秒,藉此將鋁層壓包材進行密封。
藉由以上之步驟,包含扁平捲繞型電極體之非水系鋰型蓄電元件完成。針對所獲得之蓄電元件,與實施例1同樣地進行評價。
(實施例122、123及比較例36~38)
將負極、正極前驅體活性物質、鋰化合物、正極前驅體中之鋰化合物比率分別如表10所記載般變更,除此以外,藉由與實施例121相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。將評價結果示於表11。
(實施例124)
使用以下所記載之正極前驅體D3作為正極前驅體,除此以外,藉由與實施例121相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。將評價結果示於表11。
<正極前驅體D3之製造>
將43.1質量份之活性碳A、14.4質量份之作為鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑為3.0 μm之LiFePO4 、15.0質量份之碳酸鋰、15質量份之碳酸鉀、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)、以及以使固形物成分之重量比成為24.5%之NMP(N-甲基-2-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(註冊商標)」,將該混合物於周速20 m/s之條件下進行3分鐘分散,而獲得正極塗敷液1。
使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之正極塗敷液1之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,690 mPa∙s,TI值為6.6。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之正極塗敷液1之分散度。其結果為,粒度為23 μm。
使用Toray Engineering公司製造之兩面模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將正極塗敷液1塗敷於厚度15 μm之鋁箔之兩面,將乾燥爐之溫度依序調整為70℃、90℃、110℃、130℃,其後,利用IR加熱器進行乾燥,而獲得正極前驅體。對於所獲得之正極前驅體,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,而獲得正極前驅體D3。對於正極前驅體D3之總厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定正極前驅體之任意10處。減去鋁箔之厚度所求出之正極活性物質層之膜厚於每一單面為75 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為47 g∙m-2
(實施例125)
使用以下所記載之正極前驅體D4作為正極前驅體,除此以外,藉由與實施例121相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。將評價結果示於表11。
<正極前驅體D4之製造>
將43.1質量份之活性碳A、14.4質量份之作為鋰過渡金屬氧化物之平均粒徑為3.5 μm之LiFePO4 、15.0質量份之碳酸鋰、15質量份之碳酸鈉、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)、以及以使固形物成分之重量比成為24.5%之NMP(N-甲基-2-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(註冊商標)」,將該混合物於周速20 m/s之條件下進行3分鐘分散,而獲得正極塗敷液1。
使用東機產業公司之E型黏度計TVE-35H測定所獲得之正極塗敷液1之黏度(ηb)及TI值。其結果為,黏度(ηb)為2,690 mPa∙s,TI值為6.6。又,使用Yoshimitsu Seiki公司製造之細度規測定所獲得之正極塗敷液1之分散度。其結果為,粒度為23 μm。
使用Toray Engineering公司製造之兩面模嘴塗佈機,於塗敷速度1 m/s之條件下將正極塗敷液1塗敷於厚度15 μm之鋁箔之兩面,將乾燥爐之溫度依序調整為70℃、90℃、110℃、130℃,其後,利用IR加熱器進行乾燥,而獲得正極前驅體。對於所獲得之正極前驅體,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,而獲得正極前驅體D4。對於正極前驅體D4之總厚度,使用小野計器公司製造之膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551,測定正極前驅體之任意10處。減去鋁箔之厚度所求出之正極活性物質層之膜厚於每一單面為77 μm。藉由上述方法算出單位面積重量,結果正極活性物質層之單位面積重量於每一單面為48 g∙m-2
(實施例126~128、及比較例39~41)
將實施例121中所獲得之扁平型電極體收納至金屬罐,藉由與實施例59相同之方式製作非水系鋰型蓄電元件,並進行各種評價。將評價結果示於表11。
[表10]
[表11]

Claims (19)

  1. 一種非水系鋰型蓄電元件,其係具備正極、負極、分隔件、及含有鋰離子之非水系電解液者,且 該負極具有負極集電體、及設置於該負極集電體之單面上或兩面上的含有負極活性物質之負極活性物質層,該負極活性物質含有能夠吸藏及釋出鋰離子之碳材料, 該正極具有正極集電體、及設置於該正極集電體之單面上或兩面上的含有正極活性物質之正極活性物質層,該正極活性物質含有活性碳,且 該正極活性物質層含有在該正極活性物質層之固體7 Li-NMR光譜中在-2~2.5 ppm之範圍內具有信號之成分A、與在-6~-2.5 ppm之範圍內具有信號之成分B,於將該成分A及B之信號面積分別設為a及b時,信號面積比a/b為1.5~20.0。
  2. 如請求項1之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極活性物質進而含有能夠吸藏及釋出鋰離子之過渡金屬氧化物。
  3. 如請求項2之非水系鋰型蓄電元件,其中上述過渡金屬氧化物含有選自由下述式所組成之群中之至少1種鋰過渡金屬氧化物: Lix1 CoO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 NiO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 Niy M1 (1-y) O2 {式中,M1 為選自由Co、Mn、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、 Lix1 Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 MnO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 α-Lix1 FeO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 VO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 CrO2 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 Mn2 O4 {式中,x1滿足0≦x1≦2}、 Lix1 M2 y Mn(2-y) O4 {式中,M2 為選自由Co、Ni、Al、Fe、Mg及Ti所組成之群中之至少1種元素,x1滿足0≦x1≦2,且y滿足0.2<y<0.97}、 Lix1 Nia Cob Al(1-a-b) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且a及b分別滿足0.2<a<0.97與0.2<b<0.97}、 Lix1 Nic Cod Mn(1-c-d) O2 {式中,x1滿足0≦x1≦2,且c及d分別滿足0.2<c<0.97與0.2<d<0.97}、 Lix1 M3 PO4 {式中,M3 為選自由Co、Ni、Fe、Mn及Cu所組成之群中之至少1種元素,且x1滿足0≦x1≦2}、及 Liz V2 (PO4 )3 {式中,z滿足0≦z≦3}。
  4. 如請求項2或3之非水系鋰型蓄電元件,其中上述活性碳之平均粒徑為2 μm以上且20 μm以下,且上述過渡金屬氧化物之平均粒徑為0.1 μm以上且20 μm以下。
  5. 如請求項2至4中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極含有包含上述活性碳之碳材料及上述鋰過渡金屬氧化物,於將上述碳材料於正極活性物質層中所占之質量比率設為A1 ,將上述鋰過渡金屬氧化物之質量比率設為A2 時,A2 /A1 為0.1以上且2.5以下。
  6. 如請求項1至5中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述正極含有相對於上述正極活性物質之總量為1質量%以上且50質量%以下之選自由碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銣、及碳酸銫所組成之群中之1種以上。
  7. 如請求項1至6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為無孔狀之金屬箔。
  8. 如請求項1至7中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極含有至少2種上述負極活性物質。
  9. 如請求項8之非水系鋰型蓄電元件,其中至少1種上述負極活性物質之平均粒徑為1 μm以上且15 μm以下。
  10. 如請求項1至9中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極之上述正極活性物質層之單位面積重量設為C1 (g/m2 ),將上述負極之上述負極活性物質層之單位面積重量設為C2 (g/m2 )時,C1 /C2 為0.35以上且5.80以下。
  11. 如請求項1至10中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將上述正極之上述正極活性物質層之厚度設為D1 (μm),將上述負極之上述負極活性物質層之厚度設為D2 (μm)時,D1 /D2 為0.30以上且5.00以下。
  12. 如請求項1至11中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中上述負極活性物質層表面之藉由X射線光電子光譜測定(XPS)所檢測出之硫(S)之元素濃度為0.5 atomic%以上,且 於上述正極活性物質層表面之藉由X射線光電子光譜測定(XPS)所獲得之S2p光譜中具有162 eV~166 eV之波峰。
  13. 如請求項1至12中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於上述非水系電解液中,含有作為添加劑之選自由 下述通式(1): [化1] {通式(1)中,R1 ~R4 分別獨立地表示氫原子、鹵素原子、甲醯基、乙醯基、腈基、乙醯基、碳數1~6之烷基、碳數1~6之烷氧基、或碳數1~6之烷基酯} 所表示之噻吩化合物所組成之群中之1種以上之含硫化合物(X),以及選自由 下述通式(2-1): [化2] {通式(2-1)中,R5 ~R8 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數} 所表示之環狀硫酸化合物、下述通式(2-2): [化3] {通式(2-2)中,R9 ~R14 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數} 所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-3): [化4] {通式(2-3)中,R15 ~R18 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數} 所表示之磺內酯化合物、下述通式(2-4): [化5] {通式(2-4)中,R19 ~R24 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同} 所表示之化合物、及下述通式(2-5): [化6] {通式(2-5)中,R25 ~R28 表示選自由氫原子、鹵素原子、碳數1~12之烷基、及碳數1~12之鹵化烷基所組成之群中之至少一者,彼此可相同亦可不同;且n為0~3之整數} 所表示之環狀亞硫酸化合物所組成之群中之1種以上之含硫化合物(Y)。
  14. 如請求項2至13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所含之選自由Ni、Mn、Fe、Co及Al所組成之群中之至少1種之元素濃度為10 ppm以上且1000 ppm以下。
  15. 如請求項1至14中任一項之非水系鋰型蓄電元件,其中於將單元電壓4.2 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),將收納有上述非水系電解液、及上述正極與上述負極介隔上述分隔件積層而成之電極積層體或上述正極與上述負極介隔上述分隔件捲繞而成之電極捲繞體的外裝體之體積設為V(L),將環境溫度-30℃下之內部電阻設為Rc時,同時滿足以下之(a)~(c)之要件: (a)Ra與F之乘積Ra∙F為0.5以上且3.5以下; (b)E/V為20以上且80以下;及 (c)Rc/Ra為30以下。
  16. 如請求項15之非水系鋰型蓄電元件,其中於將單元電壓4.2 V下之初期之內部電阻設為Ra(Ω),將於單元電壓4.2 V及環境溫度60℃下保存2個月後之25℃下之內部電阻設為Rb(Ω)時,同時滿足 以下之(d)及(e)之要件: (d)Rb/Ra為0.3以上且3.0以下;及 (e)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。
  17. 一種電動汽車、插電式油電混合車、油電混合車、或電動機車,其包含如請求項1至16中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
  18. 一種油電混合營建設備,其包含如請求項1至16中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
  19. 一種備用電源系統,其包含如請求項1至16中任一項之非水系鋰型蓄電元件。
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