JP2015216046A - Power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電装置に関する。 The present invention relates to a power storage device.
正極と、負極と、正極と負極との間に介在するセパレータと、電極(正極又は負極)の表面に接着された多孔質絶縁膜とを含む非水電解液二次電池が知られている(例えば特許文献1参照)。 A non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a porous insulating film bonded to the surface of the electrode (positive electrode or negative electrode) is known ( For example, see Patent Document 1).
非水電解液二次電池等の蓄電装置を製造中に、異物(例えば、活物質層から落ちた活物質)がセパレータと電極(正極又は負極)との間に入る場合がある。異物が入った場合、異物によって、まずセパレータが破断し、その後、電極表面の保護層(多孔質絶縁膜)が破断する可能性がある。セパレータ及び保護層の両方が破断すると、正極と負極とが直接又は異物を介して内部短絡する可能性がある。 During manufacturing of a power storage device such as a non-aqueous electrolyte secondary battery, foreign matter (for example, an active material dropped from the active material layer) may enter between the separator and the electrode (positive electrode or negative electrode). When a foreign substance enters, there is a possibility that the separator is first broken by the foreign substance, and then the protective layer (porous insulating film) on the electrode surface is broken. If both the separator and the protective layer are broken, the positive electrode and the negative electrode may be internally short-circuited directly or through foreign matter.
セパレータと電極(正極又は負極)との間に入る最大の異物としては、電極製造工程の打抜き等のときに活物質層から落ちる活物質又は活物質層の一部等が考えられる。よって、保護層の厚み方向における異物の最大サイズは、正極活物質層の厚みと負極活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みと同じであると想定される。 As the largest foreign substance that enters between the separator and the electrode (positive electrode or negative electrode), an active material falling from the active material layer or a part of the active material layer at the time of punching of the electrode manufacturing process or the like can be considered. Therefore, the maximum size of the foreign material in the thickness direction of the protective layer is assumed to be the same as the thicker one of the thickness of the positive electrode active material layer and the thickness of the negative electrode active material layer.
そこで、本発明の一側面は、想定される異物による内部短絡を抑制できる蓄電装置を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of one aspect of the present invention is to provide a power storage device that can suppress an internal short circuit due to an assumed foreign object.
本発明の一側面に係る蓄電装置は、第1集電箔の少なくとも一面に設けられた第1活物質層を有する第1電極と、第2集電箔の少なくとも一面に設けられた第2活物質層と、前記第2活物質層上に設けられ前記第1活物質層に対向配置された保護層とを有する第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配置されたセパレータと、を備え、前記第1電極及び前記第2電極の一方が正極であり、前記第1電極及び前記第2電極の他方が負極であり、前記保護層の硬さは前記第1活物質層の硬さよりも硬く、前記第1活物質層の厚みと前記第2活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みをPとし、前記第1活物質層の硬さをxとし、前記保護層の硬さをyとし、前記保護層の厚みをTとし、前記セパレータの厚みをDとした場合、下記の式(1)及び式(2)を満たす。
本明細書において、「硬さ」は、例えば、ビッカース硬さ試験で測定されたビッカース硬さ[HV]である。 In the present specification, the “hardness” is, for example, a Vickers hardness [HV] measured by a Vickers hardness test.
セパレータと第1電極又は第2電極との間には、異物が入る可能性がある。そのような異物としては、電極製造工程の打抜き等のときに第1活物質層又は第2活物質層から落ちる活物質(粒子)又は活物質層の一部(バリ)等が考えられる。よって、保護層の厚み方向における異物の最大サイズは、第1活物質層の厚みと第2活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みPと同じであると想定される。最大サイズPの異物がセパレータと第1電極又は第2電極との間に入った場合、上記の式(2)のように、最大サイズPはセパレータの厚みDよりも大きいので、異物はセパレータを貫通する。異物がセパレータからはみ出す距離は(P−D)となる。はみ出た異物は、y/(x+y)×(P−D)だけ第1活物質層内に入り込み、x/(x+y)×(P−D)だけ保護層内に入り込む。したがって、保護層の凹み量はx/(x+y)×(P−D)となる。保護層の厚みTはx/(x+y)×(P−D)よりも大きい(上記の式(1)を満たす)ので、保護層の破断が抑制される。その結果、異物による内部短絡が抑制される。よって、上記の式(1)及び(2)を満たす蓄電装置では、セパレータと第1電極又は第2電極との間に異物が入っても、異物による内部短絡を抑制できる。したがって、この蓄電装置では、想定される異物による内部短絡を抑制できる。 There is a possibility that foreign matter enters between the separator and the first electrode or the second electrode. As such a foreign material, an active material (particles) falling from the first active material layer or the second active material layer or a part of the active material layer (burr) at the time of punching the electrode manufacturing process or the like can be considered. Therefore, the maximum size of the foreign matter in the thickness direction of the protective layer is assumed to be the same as the thicker thickness P of the thicknesses of the first active material layer and the second active material layer. When the foreign material of the maximum size P enters between the separator and the first electrode or the second electrode, the maximum size P is larger than the thickness D of the separator as in the above formula (2). To penetrate. The distance that the foreign matter protrudes from the separator is (PD). The protruding foreign matter enters the first active material layer by y / (x + y) × (P−D), and enters the protective layer by x / (x + y) × (P−D). Therefore, the amount of depression of the protective layer is x / (x + y) × (P−D). Since the thickness T of the protective layer is larger than x / (x + y) × (P−D) (the above formula (1) is satisfied), the breakage of the protective layer is suppressed. As a result, an internal short circuit due to foreign matter is suppressed. Therefore, in the power storage device that satisfies the above expressions (1) and (2), even if a foreign substance enters between the separator and the first electrode or the second electrode, an internal short circuit due to the foreign substance can be suppressed. Therefore, in this power storage device, it is possible to suppress an internal short circuit due to an assumed foreign object.
一実施形態において、前記第1活物質層の硬さは前記第2活物質層の硬さよりも硬くてもよい。 In one embodiment, the hardness of the first active material layer may be higher than the hardness of the second active material layer.
この場合、第1活物質層の凹み量y/(x+y)×(P−D)が小さくなるので、保護層の凹み量x/(x+y)×(P−D)が大きくなる。そのような場合であっても、保護層の厚みTはx/(x+y)×(P−D)よりも大きい(上記の式(1)を満たす)ので、保護層の破断が抑制される。 In this case, since the dent amount y / (x + y) × (P−D) of the first active material layer is reduced, the dent amount x / (x + y) × (P−D) of the protective layer is increased. Even in such a case, since the thickness T of the protective layer is larger than x / (x + y) × (P−D) (satisfies the above formula (1)), the breakage of the protective layer is suppressed.
一実施形態において、前記第1活物質層の厚みをtとした場合、下記の式(3)を満たしてもよい。
セパレータからはみ出た異物は、y/(x+y)×(P−D)だけ第1活物質層内に入り込む。したがって、第1活物質層の凹み量はy/(x+y)×(P−D)となる。第1活物質層の厚みtがy/(x+y)×(P−D)よりも大きいと(上記の式(3)を満たすと)、異物が第1集電箔に到達しないので、第1活物質層の破断が抑制される。 Foreign matter that protrudes from the separator enters the first active material layer by y / (x + y) × (P−D). Therefore, the dent amount of the first active material layer is y / (x + y) × (P−D). When the thickness t of the first active material layer is larger than y / (x + y) × (P−D) (when the above expression (3) is satisfied), the foreign matter does not reach the first current collector foil. Breaking of the active material layer is suppressed.
一実施形態において、前記第1活物質層の厚みと前記第2活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みは、負極活物質層の厚みであってもよい。 In one embodiment, the thickness of the thickness of the first active material layer and the thickness of the second active material layer may be the thickness of the negative electrode active material layer.
この場合、想定される異物の最大サイズPは負極活物質層の厚みと同じになる。通常、正極活物質層に含まれるバインダと負極活物質層に含まれるバインダとの違いによって、正極活物質層の活物質等に比べて負極活物質層の活物質等は落ち易い。よって、最大の異物は、主として負極活物質層の活物質等であると想定される。 In this case, the assumed maximum size P of the foreign material is the same as the thickness of the negative electrode active material layer. Usually, the active material and the like of the negative electrode active material layer are more likely to fall than the active material and the like of the positive electrode active material layer due to the difference between the binder contained in the positive electrode active material layer and the binder contained in the negative electrode active material layer. Therefore, the largest foreign substance is assumed to be mainly the active material of the negative electrode active material layer.
一実施形態において、前記第1活物質層は正極活物質層であってもよい。 In one embodiment, the first active material layer may be a positive electrode active material layer.
本発明の一側面によれば、想定される異物による内部短絡を抑制できる蓄電装置が提供され得る。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a power storage device that can suppress an internal short circuit due to an assumed foreign object.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and redundant descriptions are omitted.
図1は、本実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。図1に示される蓄電装置1は、例えば二次電池又は電気二重層キャパシタ等である。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池が挙げられる。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the power storage device according to this embodiment. The power storage device 1 shown in FIG. 1 is, for example, a secondary battery or an electric double layer capacitor. Examples of the secondary battery include non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries.
蓄電装置1は、電極組立体2と、電極組立体2を収容するケース4とを備える。ケース4内には電解液3が収容される。電極組立体2は、第1電極としての正極10と、第2電極としての負極20と、正極10と負極20との間に配置されたセパレータ30とを備える。複数の正極10及び複数の負極20が、セパレータ30を介して交互に積層されている。電解液3は、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液等である。ケース4は導電性を有し、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の金属からなる。ケース4の形状は例えば直方体状である。
The power storage device 1 includes an
正極10は、第1集電箔としての金属箔11と、金属箔11の少なくとも一面に設けられた第1活物質層としての正極活物質層12とを有する。本実施形態では、金属箔11の両面にそれぞれ正極活物質層12が設けられている。正極10は、金属箔11の端部において、正極活物質層12が設けられていないタブ部を有してもよい。タブ部は、正極10の上縁部に延び、導電部材を介して正極端子に接続される。
The
金属箔11は、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔である。正極活物質層12は、正極活物質及びバインダを含む。正極活物質層12は、導電助剤を含んでもよい。正極活物質は、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも1つとリチウムとを含む。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂等である。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)である。
The
負極20は、第2集電箔としての金属箔21と、金属箔21の少なくとも一面に設けられた第2活物質層としての負極活物質層22と、負極活物質層22上に設けられ正極活物質層12に対向配置された保護層23とを有する。保護層23は、負極活物質層22の表面全体を覆ってもよい。本実施形態では、金属箔21の両面にそれぞれ負極活物質層22が設けられている。負極20は、金属箔21の端部において、負極活物質層22が設けられていないタブ部を有してもよい。タブ部は、負極20の上縁部に延び、導電部材を介して負極端子に接続される。
The
金属箔21は、例えば、銅箔、銅合金箔である。負極活物質層22は、負極活物質及びバインダを含む。負極活物質層22は、導電助剤を含んでもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダ及び導電助剤としては、例えば、正極10に用いられるバインダ及び導電助剤と同じものが挙げられる。バインダとしては、さらに、例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、アルコキシシリル基含有樹脂等が挙げられる。保護層23は、例えば多孔質絶縁層である。保護層23は、例えばセラミック等の絶縁材料と、バインダとを含む。セラミックは、例えばAl2O3、SiO2、TiO2等である。バインダとしては、例えば、正極10に用いられるバインダと同じものが挙げられる。
The
セパレータ30は、正極10と負極20とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる。セパレータ30の一方の面が保護層23に密着し、セパレータ30の他方の面が正極活物質層12に密着してもよい。セパレータ30は、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布又は不織布である。
The
図2は、第1電極と第2電極との間に異物が入った場合の蓄電装置の一部を模式的に示す断面図である。図2では、蓄電装置1の正極10と負極20との間に異物Aが入っている。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a part of the power storage device when a foreign substance enters between the first electrode and the second electrode. In FIG. 2, foreign matter A is present between the
本実施形態では、正極活物質層12の硬さが負極活物質層22の硬さよりも硬い。保護層23の硬さは正極活物質層12の硬さよりも硬い。負極活物質層22の硬さは、セパレータ30の硬さよりも硬い。
In the present embodiment, the positive electrode
正極活物質層12の硬さ及び負極活物質層22の硬さは、活物質層の密度によって決まり、密度が高いほど硬い。したがって、活物質層の密度を所望の密度(予め設定された値)にすることによって、活物質層の硬さを調整することができる。密度は、例えば、活物質層を形成するための電極ペーストの固形分率、金属箔11,21に電極ペーストを塗布して乾燥させた後のプレス工程におけるプレス圧等を調整することによって調整され得る。
The hardness of the positive electrode
保護層23の硬さは、保護層23に用いる素材の選択、保護層23の密度によって決まり、密度が高いほど硬い。したがって、保護層23の密度を所望の密度(予め設定された値)にすることによって、保護層23の硬さを調整することができる。密度は、例えば、保護層23を形成するためのペーストの固形分率、ペーストを塗布して乾燥させた後のプレス工程におけるプレス圧等を調整することによって調整され得る。
The hardness of the
セパレータ30の硬さは、セパレータ30に用いる素材の選択、気孔率又は気孔径の調整等によって調整され得る。
The hardness of the
本実施形態では、負極活物質層22が正極活物質層12よりも厚い。正極活物質層12及び負極活物質層22はセパレータ30よりも厚い。保護層23は正極活物質層12、負極活物質層22及びセパレータ30よりも薄い。保護層23は、蓄電装置1の容量に寄与しないので、蓄電装置1の小型化のためには薄い方が好ましい。負極活物質層22の厚み、正極活物質層12の厚み及び保護層23の厚みは、例えば、ペーストの塗布量、プレス工程におけるプレスロール間隔の調整等によって調整され得る。セパレータ30の厚みは、例えば素材を引っ張って薄くする際の力等によって調整され得る。
In the present embodiment, the negative electrode
正極活物質層12の厚みと負極活物質層22の厚みのうち厚いほうである負極活物質層22の厚みをPとし、正極活物質層12の硬さをxとし、保護層23の硬さをyとし、保護層23の厚みをTとし、セパレータ30の厚みをDとした場合、下記の式(1)及び式(2)を満たす。
x/(x+y)×(P−D)<T…(1)
P>D…(2)
The thickness of the positive electrode
x / (x + y) × (P−D) <T (1)
P> D (2)
正極活物質層12の厚みをtとした場合、下記の式(3)を満たしてもよい。
y/(x+y)×(P−D)<t…(3)
When the thickness of the positive electrode
y / (x + y) × (P−D) <t (3)
セパレータ30と正極10又は負極20との間には、異物Aが入る可能性がある。そのような異物Aとしては、電極製造工程の打抜き等のときに正極活物質層12又は負極活物質層22から落ちる活物質(粒子)又は活物質層の一部(バリ)等が考えられる。よって、保護層23の厚み方向における異物Aの最大サイズは、正極活物質層12の厚みと負極活物質層22の厚みのうちの厚いほうである負極活物質層22の厚みPと同じであると想定される。最大サイズPの異物Aがセパレータ30と正極10又は負極20との間に入った場合、上記の式(2)のように、最大サイズPはセパレータ30の厚みDよりも大きいので、異物Aはセパレータ30を貫通する。異物Aがセパレータ30からはみ出す距離は(P−D)となる。はみ出た異物Aは、y/(x+y)×(P−D)だけ正極活物質層12内に入り込み、x/(x+y)×(P−D)だけ保護層23内に入り込む。したがって、保護層23の凹み量はx/(x+y)×(P−D)となる。保護層23の厚みTはx/(x+y)×(P−D)よりも大きい(上記の式(1)を満たす)ので、保護層23の破断が抑制される。その結果、異物Aによる内部短絡が抑制される。よって、上記の式(1)及び(2)を満たす蓄電装置1では、セパレータ30と正極10又は負極20との間に最大サイズPの異物Aが入っても、異物Aによる内部短絡を抑制できる。したがって、蓄電装置1では、想定される異物Aによる内部短絡を抑制できる。
There is a possibility that foreign matter A enters between the
セパレータ30からはみ出た異物Aは、y/(x+y)×(P−D)だけ正極活物質層12内に入り込む。したがって、正極活物質層12の凹み量はy/(x+y)×(P−D)となる。正極活物質層12の厚みtがy/(x+y)×(P−D)よりも大きいと(上記の式(3)を満たすと)、異物Aが金属箔11に到達しないので、正極活物質層12の破断が抑制される。
The foreign matter A protruding from the
本実施形態では、正極活物質層12の硬さが負極活物質層22の硬さよりも硬い。よって、正極活物質層12の凹み量y/(x+y)×(P−D)が小さくなるので、保護層23の凹み量x/(x+y)×(P−D)が大きくなる。そのような場合であっても、保護層23の厚みTがx/(x+y)×(P−D)よりも大きい(上記の式(1)を満たす)ので、保護層23の破断が抑制される。
In the present embodiment, the positive electrode
本実施形態では、保護層23の厚み方向における異物Aの最大サイズPは負極活物質層22の厚みPと同じである。通常、正極活物質層12に含まれるバインダと負極活物質層22に含まれるバインダとの違いによって、正極活物質層12の活物質等に比べて負極活物質層22の活物質等は落ち易い。よって、最大の異物Aは、主として負極活物質層22の活物質等であると想定される。
In the present embodiment, the maximum size P of the foreign matter A in the thickness direction of the
蓄電装置1を製造する際に、負極活物質層22の厚みをPとし、正極活物質層12の硬さをxとし、保護層23の硬さをyとし、保護層23の厚みをTとし、セパレータ30の厚みをDとした場合、上記の式(1)及び式(2)を満たすように、負極活物質層22の厚み、正極活物質層12の硬さ、保護層23の硬さ、保護層23の厚み、及びセパレータ30の厚みを決定してもよい。また、正極活物質層12の厚みをtとした場合、上記の式(3)を満たすように、正極活物質層12の厚みを決定してもよい。
When the power storage device 1 is manufactured, the thickness of the negative electrode
各層の厚み及び硬さは例えば以下のように決定される。まず、電極組立体2のサイズ、正極10及び負極20の積層数等を考慮して、正極活物質層12の厚みt、負極活物質層22の厚みP、保護層23の厚みT、セパレータ30の厚みDを決定する。次に、上記の式(1)〜式(3)を満たすように、正極活物質層12の硬さx及び保護層23の硬さyを決定する。次に、決められた厚み及び硬さに従って、電極組立体2を作製する。
The thickness and hardness of each layer are determined as follows, for example. First, in consideration of the size of the
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
例えば、正極活物質層12の硬さが負極活物質層22の硬さと同じであってもよい。また、負極活物質層22が正極活物質層12よりも硬くてもよい。この場合、正極活物質層12の硬さxが小さくなる。すなわち、正極活物質層12が軟らかくなる。よって、正極活物質層12の凹み量y/(x+y)×(P−D)が大きくなり、保護層23の凹み量x/(x+y)×(P−D)が小さくなる。
For example, the hardness of the positive electrode
また、正極活物質層12の厚みが負極活物質層22の厚みと同じであってもよい。さらに、正極活物質層12が負極活物質層22よりも厚くてもよい。この場合、上記の式(1)〜式(3)において、負極活物質層22の厚みではなく、正極活物質層12の厚みをPとする。正極活物質層12の厚みが異物Aの最大サイズPと同じになる。
Further, the thickness of the positive electrode
また、負極20が保護層23を有しておらず、正極10が保護層23を有してもよい。この場合、負極20が第1電極に相当し、正極10が第2電極に相当する。負極活物質層22が第1活物質層に相当し、正極活物質層12が第2活物質層に相当する。負極活物質層22の硬さが第1活物質層の硬さに相当する。よって、上記の式(1)及び式(3)において、正極活物質層12の硬さではなく、負極活物質層22の硬さがxとなり、正極活物質層12の厚さではなく、負極活物質層22の厚さがtとなる。この場合であっても、保護層23の厚みTがx/(x+y)×(P−D)よりも大きい(上記の式(1)を満たす)ので、保護層23の破断が抑制される。
The
1…蓄電装置、2…電極組立体、3…電解液、4…ケース、10…正極(第1電極)、11…金属箔(第1集電箔)、12…正極活物質層(第1活物質層)、20…負極(第2電極)、21…金属箔(第2集電箔)、22…負極活物質層(第2活物質層)、23…保護層、30…セパレータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power storage device, 2 ... Electrode assembly, 3 ... Electrolyte solution, 4 ... Case, 10 ... Positive electrode (1st electrode), 11 ... Metal foil (1st current collection foil), 12 ... Positive electrode active material layer (1st Active material layer), 20 ... Negative electrode (second electrode), 21 ... Metal foil (second current collector foil), 22 ... Negative electrode active material layer (second active material layer), 23 ... Protective layer, 30 ... Separator.
Claims (5)
第2集電箔の少なくとも一面に設けられた第2活物質層と、前記第2活物質層上に設けられ前記第1活物質層に対向配置された保護層とを有する第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配置されたセパレータと、
を備え、
前記第1電極及び前記第2電極の一方が正極であり、
前記第1電極及び前記第2電極の他方が負極であり、
前記保護層の硬さは前記第1活物質層の硬さよりも硬く、
前記第1活物質層の厚みと前記第2活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みをPとし、前記第1活物質層の硬さをxとし、前記保護層の硬さをyとし、前記保護層の厚みをTとし、前記セパレータの厚みをDとした場合、下記の式(1)及び式(2)を満たす、蓄電装置。
A second electrode having a second active material layer provided on at least one surface of the second current collector foil, and a protective layer provided on the second active material layer and disposed opposite to the first active material layer;
A separator disposed between the first electrode and the second electrode;
With
One of the first electrode and the second electrode is a positive electrode;
The other of the first electrode and the second electrode is a negative electrode,
The hardness of the protective layer is harder than the hardness of the first active material layer,
The thickness of the thickness of the first active material layer and the thickness of the second active material layer is P, the hardness of the first active material layer is x, and the hardness of the protective layer is y. A power storage device satisfying the following formulas (1) and (2), where T is the thickness of the protective layer and D is the thickness of the separator.
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