CN106463780B - 非水电解质二次电池、以及将多个该非水电解质二次电池连接而成的组电池 - Google Patents

非水电解质二次电池、以及将多个该非水电解质二次电池连接而成的组电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种非水电解质二次电池,其具有封入多种正极(21、22)、非水电解质、负极(1)及隔板(3)而成的封入体,所述多种正极(21、22)具有正极活性物质,所述负极(1)以钛化合物为负极活性物质的主成分,所述隔板(3)被夹持于正极和负极之间、且由电绝缘材料制成,其中,在一个正极(21)和与其相邻的另一个正极(22)之间具备隔板夹持负极,所述隔板夹持负极是被2片隔板(3)夹持的负极(1),并且,多种正极包含:含有层状岩盐型化合物作为正极活性物质的第一正极(21)、和以种类与层状岩盐型化合物不同的正极活性物质为主成分的第二正极(22)。由此,即使在负极中使用钛化合物,也能够飞跃性地减少在循环试验中产生的气体量,循环稳定性优异。

Description

非水电解质二次电池、以及将多个该非水电解质二次电池连 接而成的组电池
技术领域
本发明涉及非水电解质二次电池、以及使用了该非水电解质二次电池的组电池。
背景技术
近年来,在便携设备、混合动力汽车、电动汽车、家庭用蓄电用途中,非水电解质二次电池的研究开发已被广泛展开。对于在这些领域中使用的非水电解质二次电池,要求具有高度安全性,而为了满足该要求,已开发出了使用钛化合物作为负极活性物质的电池。然而,负极活性物质使用了钛化合物的电池存在下述问题:会因电解液与负极活性物质发生反应而产生气体,导致循环稳定性降低。
为了消耗在电池内产生的气体,例如在专利文献1中开发了下述技术:通过在活性电池容积部外设置包含具有双键的有机聚合物和催化剂的气体除去剂,可以将在电池工作中产生的气体消耗掉。然而,该技术针对的是碱性干电池用途,完全未提及对于非水电解质二次电池的效果,而非水电解质二次电池由于由水分引起的性能劣化显著,因而对于非水电解质二次电池而言,在活性电池容积部外设置气体除去剂的方法并不适用。
另外,专利文献2中记载了下述内容:在使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质的情况下,通过添加钴酸锂或镍酸锂,可抑制在电池内产生的气体量。然而,就这样的混合正极而言,由于其尖晶石型锰酸锂和钴酸锂或镍酸锂这样的不同正极活性物质在充放电时会暴露于同样的电位环境中,因此,有时会因后者的材料劣化而导致在长期的循环试验中容量保持率降低,需要加以改善。
此外,专利文献3~5中公开了由包含尖晶石型锰酸锂的正极活性物质层和包含钴酸锂的正极活性物质层这样的多层形成的正极。这些技术也被认为会对气体抑制具有一定效果,但存在被认为是源自钴酸锂的循环试验时循环特性的降低,仍需要加以改善。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2000-294253号公报
专利文献2:日本特开2000-215884号公报
专利文献3:日本特开2006-032279号公报
专利文献4:日本特开2006-032280号公报
专利文献5:日本特开2006-318868号公报
发明内容
发明要解决的问题
存在的问题在于:在使用钛化合物作为非水电解质二次电池的负极活性物质的情况下会产生气体、导致循环稳定性降低。
解决问题的方法
鉴于上述背景,本发明人等经过了深入研究,结果发现,通过使用第一正极和第二正极这两种不同的正极作为正极、并分别控制各个正极的充电状态,即使使用以钛化合物为负极活性物质的负极,也会抑制气体产生、使循环特性稳定,所述第一正极具有以层状岩盐型化合物为主成分的正极活性物质,所述第二正极具有以种类不同于该层状岩盐型化合物的正极活性物质为主成分的正极活性物质。
即,本发明涉及非水电解质二次电池,其具有封入多种正极、非水电解质、负极及隔板而成的封入体,所述多种正极具有正极活性物质,所述负极以钛化合物为负极活性物质的主成分,所述隔板被夹持于正极和负极之间、且由电绝缘材料制成,
其中,在一个上述正极和与其相邻的另一个上述正极之间具备隔板夹持负极,所述隔板夹持负极是被2片上述隔板夹持的上述负极,
并且,上述多种正极包含:含有层状岩盐型化合物作为正极活性物质(以下也称为“第一正极活性物质”)的第一正极、和以种类与上述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质(以下也称为“第二正极活性物质”)为主成分的第二正极。
优选的实施方式是在全部的上述正极的两侧具备上述隔板夹持负极的非水电解质二次电池。由于第一正极会被其两侧的2个负极充电,因此以最低限度的第一正极活性物质即可发挥出上述气体抑制效果,由此,能量密度增加。
优选的实施方式是在上述非水电解质二次电池的充放电时,上述第一正极除自然放电以外,至少不会因外部负荷的连接而放电,能够在保持恒定的充电状态的情况下被保持在上述封入体内的非水电解质二次电池。由于第一正极可在充电的状态下被长期保持,因此该充电状态下的产生气体吸收作用可被长期保持,能够减少气体产生量。
优选的实施方式是进一步包含端子的非水电解质二次电池,所述端子分别与上述第一正极、上述第二正极及上述负极连接,且该端子具有延伸至上述封入体的外侧的端子延伸部,上述第一正极的上述正极端子延伸部与上述第二正极的上述正极端子延伸部分别单独地存在。其第一正极的自然放电得到抑制,减少气体产生量的效果得到长期持续。
优选的实施方式是上述钛化合物为选自以Li4Ti5O12、H2Ti12O25、及TiO2表示的钛化合物中的1种以上的非水电解质二次电池。
优选的实施方式是上述层状岩盐型化合物为选自钴酸锂、钴镍铝酸锂及钴镍锰酸锂中的1种以上层状岩盐型化合物的非水电解质二次电池。
优选的实施方式是种类与上述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质为尖晶石型锰酸锂的非水电解质二次电池。
另外,本发明涉及将多个本发明的非水电解质二次电池连接而成的组电池。
发明的效果
本发明的非水电解质二次电池即使在负极中使用钛化合物,也能够飞跃性地减少在循环试验中产生的气体量,循环稳定性优异。
附图说明
[图1]本发明的非水电解质二次电池10的一实施方式的剖面示意图。
[图2]本发明的电极组的一实施方式的示意图。
[图3]本发明的非水电解质二次电池10的另一实施方式的外观示意图。
符号说明
1 负极
2 正极
3 隔板
7 端子
8 封入体
9 端子延伸部
10 非水电解质二次电池
21 第一正极
22 第二正极
31 隔板夹持负极
71 负极端子
72 正极端子
72-1 第一正极端子
72-2 第二正极端子
100 组电池
具体实施方式
针对本发明的一实施方式,结合图1说明如下。需要说明的是,本发明并不限定于以下的说明。
图1为本发明的非水电解质二次电池10的一实施方式的剖面示意图。
<非水电解质二次电池10>
本发明的非水电解质二次电池10具有封入多种正极2、非水电解质、负极1及隔板3而成的封入体8,所述隔板3被夹持于正极2和负极1之间,且由电绝缘材料制成。在这样的本发明的封入体8内,在正极2、负极1、及隔板3的至少表面、其内部,存在负责传导锂离子的本发明的非水电解质。
正极2及负极1至少在其每个电极上各自地连接有端子7,各端子7至少在本发明的封入体8的外侧具有端子延伸部9。这里,第一正极21和第二正极22可以连接于同一正极端子72,也可以连接于不同的正极端子72-1、72-2,但由于通过将第一正极21及第二正极22分别控制在各自单独的电位环境中可使本发明的气体产生抑制效果更为有效,因此优选连接于不同的正极端子72-1、72-2。
即,优选从本发明的非水电解质二次电池10的封入体8,至少使负极端子71、第一正极端子72-1及第二正极端子72-2这三种端子的一部分作为各端子7的端子延伸部9而延伸至其外部。当然,第一正极21、第二正极22及负极1分别也可以存在多个。存在多个第一正极21的情况下,例如若将第一正极21的总数设为A个,则可以以使其中的B个连接于第一正极端子72-1-1(未图示)、A-B个连接于第一正极端子72-1-2(未图示)的方式,将多个第一正极21连接于多个不同的第一正极端子72-1。从经济性及操作性的观点出发,优选从封入体8延伸出针对负极端子71、第一正极端子72-1及第二正极端子72-2这三种端子各1个、共计3个端子延伸部9。
另外,在通过优选的实施方式使用本发明的优选实施方式的电池的情况下,本发明的第一正极21和第二正极22处于不同的电位环境中,基于该原因,为了防止它们之间的短路,也优选使第一正极端子72-1的端子延伸部9与第二正极端子72-2的端子延伸部9分别单独地存在,更优选使其相对于上述封入体8的周围环境是电绝缘的。
这样,使第一正极端子72-1的端子延伸部9与第二正极端子72-2的端子延伸部9为独立个体,即,使第一正极端子72-1和第二正极端子72-2为独立个体,在电极上电连接不同的正极端子7,从而使得第一正极21的正极端子72-1和第二正极22的正极端子72-2在物理学上成为非接触的,并且,在除了离子电导以外的电子、空穴传导的意义上来讲,使得第一正极21和第二正极22在电学上成为未通电的状态。优选使上述不同的正极端子7从这样的意义上讲是电学上未通电的,即,从这样的意义上讲是电绝缘的,从而能够对第一正极21及第二正极22在各自的电位环境中分别加以控制,能够使本发明的非水电解质二次电池的循环特性更为稳定,能够延长本发明的非水电解质二次电池的寿命。
更优选在将第一正极21充电至某一给定的充电状态之后,在随后的充放电时持续地将第一正极21进行电隔离。对其方法没有特别限定,例如作为优选的实施方式,在第一正极21和第二正极22连接于不同的正极端子72的情况下,优选在使用第一正极端子72-1和负极端子71将第一正极21充电至给定的充电状态之后,在利用绝缘片覆盖第一正极端子72-1的端子延伸部9的情况下使用第二正极端子72-2和负极端子71进行充放电的方法。
为了简便地进行这样的充放电,并且,为了谋求成本的降低,在本发明的第一正极21和第二正极22分别有一个或多个包含在本发明的封入体8中的情况下,优选第一正极21全部连接于同一第一正极端子72-1、第二正极22全部连接于同一第二正极端子72-2。
本发明的非水电解质二次电池优选为具有下述封入体作为主体的二次电池,即,将由负极/隔板/正极构成的叠层体卷绕、或隔着隔板将多层叠层,并设置其它必要的构件等而形成本发明的电极组,然后将该本发明的电极组封入层压膜等外包装而形成的封入体。也可以使本发明的非水电解质二次电池具有利用方形、椭圆形、圆筒形、硬币形、纽扣形、片形的金属罐进行外包装而成的封入体。从容易进行配置的观点出发,更优选制成具有将本发明的第一正极隔着隔板进行叠层而成的材料利用层压膜进行外包装而成的封入体的层压电池。
另外,封入体及外包装也可以具备用于释放在封入体内产生的气体的机构,还可以具备捕获该气体的机构作为例如封入体内的气体捕获袋。对于叠层体的叠层数,可适当设定、使得电池显示出期望的电压值、电池容量。
(第一正极)
本发明的电池中除了用于通常的充放电的第二正极以外,为了获得本发明的气体产生抑制效果,还具有第一正极。该本发明的第一正极包含特定的活性物质,具体而言,包含层状岩盐型化合物。需要说明的是,在以下的记载中,有时省略各构成构件的参考符号。
如上所述,对于本发明的第一正极而言,优选在充电至给定的充电状态之后在电隔离的状态下用于通常的充放电,从能够长期保持本发明的效果的观点出发,更优选夹在用于通常的充放电的期间之间,在第一正极的上述充电状态的充电量发生了下降的情况下,仅对第一正极进行另外的充电,进一步优选对第一正极的充电状态进行测量,当低于给定的充电状态的情况下,实施上述的另外的充电。
该第一正极的给定的充电状态,指的是以下进行说明的充电状态。即,在以第一正极为工作电极、以锂为对电极的半电池中,以锂电极为基准进行恒流恒压充电至4.25V,在将观测到的电流值达到能够使具有设定电池容量的容量的电池经50小时而结束放电的电流、即0.02C(1/50小时)以下时的充电状态(state of charge)设为SOC100%时,从显著有利于气体抑制的观点出发,优选为SOC10%以上且SOC100%以下,从气体抑制效果特别显著的观点出发,进一步优选为SOC20%以上且SOC95%以下,从能够抑制第一正极的劣化的观点出发,特别优选为SOC30%以上且SOC90%以下。
可以使本发明的封入体内存在一个本发明的第一正极、也可以使本发明的封入体内存在多个本发明的第一正极,该第一正极的合计的总正极活性物质重量优选为同样地在本发明的封入体内既可以存在一个也可以存在多个的第二正极的合计的总正极活性物质重量的1%以上且低于10%,从气体抑制效果和能量密度的平衡良好的方面出发,更优选为2%以上且5%以下。在第一正极以给定的充电状态被电隔离的情况下,这一部分容量并不会贡献于实际的充放电,因此,在第一正极的活性物质量相对于第二正极的活性物质量而言更多的情况下,该多出的部分会导致电池的能量密度本身变小。
对于本发明的封入体内的第一正极的位置没有特别限定,但在采取作为优选实施方式的将上述叠层体叠层的方式的情况下,从气体抑制效果显著的观点出发,优选在沿叠层方向切割电极组的情况下的剖面上,第一电极相对于第二正极而言配置在外侧。
(组电池)
本发明的非水电解质二次电池中可以具有多个本发明的封入体,该情况下,优选将各封入体的负极端子71以串联或并联的方式、并且将第二正极端子72-2以串联或并联的方式(优选在将负极端子71串联连接的情况下也将第二正极端子72-2串联连接,在将负极端子71并联连接的情况下也将第二正极端子72-2并联连接)分别连接而得到电池本身的2个端子,从而制成具备电池负极端子及电池正极端子的非水电解质二次电池,在这种情况下,更优选各封入体的第一正极端子72-1不连接、而是保持相对于周围环境绝缘。
通过将多个这样的本发明的非水电解质二次电池连接,即,通过将其电池负极端子及电池正极端子适当连接,可以得到本发明的组电池。对于电池端子,可以根据期望的大小、容量、电压而适当地以串联、并联方式连接。另外,为了确认各电池的充电状态、提高安全性,优选使上述组电池附带控制电路。
(正极、负极)
本发明的正极及负极是存在有助于电极反应的各电极的活性物质的部分,将包含该部分且包含例如后述的集电体、端子在内的构件称为正极构件或负极构件,但本说明书中,所述正极及负极并不指该构件,而是指存在各电极的活性物质的部分。
即,从减小电池的内阻的观点出发,优选使正极构件及负极构件为在导电性的集电体上形成包含各电极的活性物质的材料层、并使其与导电性的端子连接而成的构件,归根结底,本说明书中的所述正极及负极,指的是形成有该材料层、且被封入本发明的封入体内的部分。另外,虽然也可以使上述集电体及端子为不同构件,但也可以形成为包含集电体部分和端子部分的同一构件。
这样的本发明的正极构件或负极构件通过至少以其正极及负极的各电极的材料层及集电体部分与各电极的端子部分的一部分被封入本发明的封入体、同时这些端子的延伸部被引出至封入体的外侧的状态进行上述封入而得以延伸,从而使该端子延伸部与外部设备发生电连接、用于充放电等用途。
就本发明的各正极和各负极的用于电极反应的外形上的面积,即,作为各电极的上述材料层的与上述集电体相反一侧的面的、在上述封入体内暴露于本发明的非水电解质中的外观上的面(本说明书中,也称为“电极反应面”)的面积而言,从通过提高各电极上的电极反应的均匀性而得到高可靠性的电池的观点、以及使电池小型化的观点出发,作为其偏差的最大面积/最小面积的比率优选为1以上且1.3以下,更优选使每个正极或每个负极的面积相同,进一步优选使每个正极及每个负极的面积均相同。正极及负极的电极反应面的面积的控制例如可通过在为了进行作为优选实施方式的在集电体上形成材料层的浆料涂敷时,控制涂敷范围而进行。
另外,就本发明的各正极的每单位面积的电容量和各负极的每单位面积的电容量而言,从通过提高各电极上的电极反应的均匀性而得到高可靠性的电池的观点、以及使电池小型化的观点出发,作为其偏差的(最大单位面积电容量)/(最小单位面积电容量)的比率优选为1以上且1.3以下,更优选使每个正极或每个负极的单位面积的电容量相同,进一步优选使每个正极及每个负极的单位面积的电容量相同。正极及负极的每单位面积的电容量的控制可采用下述方法:作为优选实施方式,在集电体上形成材料层时,根据在集电体的单位面积上形成的材料层的重量而进行控制,例如,可根据材料层涂敷时的涂敷厚度而进行控制。
另外,在使每个正极及每个负极的单位面积的电容量相同的情况下,从通过使正极上的电极反应和负极上的电极反应取得平衡而得到高可靠性的电池的观点出发,正极和负极的单位面积的电容量之比优选满足下述式(1),更优选D大于C。
[数学式1]
1≤D/C≤1.2 (1)
(其中,在上述式(1)中,C表示正极每1cm2的电容量,D表示负极每1cm2的电容量。)
D/C小于1的情况下,可能导致在相互对置的负极及正极中,负极的容量小于正极,因此,可能会产生在过充电时负极的电位达到锂的析出电位而引起电池发生短路的危险性。另一方面,D/C大于1.2的情况下,存在在相互对置的负极及正极中由不参与电池反应的负极活性物质引起多余的副反应的隐患,有时在封入体内伴随该副反应会产生不需要的气体。
进一步,在使每个正极及每个负极的电极反应面的面积相同、并使每个正极及每个负极的单位面积的电容量相同的情况下,从通过使正极上的电极反应和负极上的电极反应取得平衡而得到高可靠性的电池的观点出发,正极与负极的面积比优选满足下述式(2),更优选F大于E。
[数学式2]
1≤F/E≤1.2 (2)
(其中,在上述式(2)中,E表示正极的面积,F表示负极的面积。)
F/E小于1的情况下,存在导致负极的容量小于正极的隐患,因此,可能会产生在过充电时负极的电位达到锂的析出电位而引起电池发生短路的危险性。另一方面,F/E大于1.2的情况下,由于会存在未与正极对置的负极部分,因此,存在在该部分由不参与电池反应的负极活性物质引起多余的副反应的隐患,有时在封入体内伴随该副反应会产生不需要的气体。
本发明中,从取得在增大电池容量的同时也增大输出密度的平衡的观点出发,各电极的每1cm2的电容量以单位电极反应面计,优选为0.5mAh以上且6.0mAh以下,对于正极而言,更优选为3.0mAh以下。如果电容量小,则有时为了得到期望容量的电池需要制成尺寸大的电池,另一方面,存在如果要增大电容量,则会导致输出密度变小的倾向。各电极的每单位面积的电容量的计算可以通过在制作各电极后,制作以锂金属为对电极的半电池,并测定该半电池的充放电特性而算出。
(集电体)
本发明的正极及负极优选为在集电体上形成包含活性物质的材料的层而成的电极,为了得到高性能且小型的电池,更优选在该集电体的两面形成使其成为相同极的材料层。
作为集电体,只要是具有导电性并且能够作为各电极的芯材使用的材料,则可以使用各种形状的集电体,但优选使用廉价且能够简便地获取的的片或膜状的集电箔。
作为集电体的材料,也可以使用在铝、铝的合金、铝以外的金属(铜、SUS、镍、钛、及它们的合金)的表面包覆在正极或负极的电位下不会发生反应的金属(例如,对于正极而言,为铝;对于负极而言,为铝或铜)而成的材料,但从廉价且能够简便地获取的方面出发,优选为铝。特别是,就用于正极的集电体的材料而言,从在正极反应气体氛围中的稳定性的观点出发,更优选为以JIS标准1030、1050、1085、1N90、1N99等为代表的高纯度铝。
另外,根据情况不同,也可以使用将包含各种热塑性树脂和导电性材料的导电性热塑性树脂组合物成形为膜状的导电性膜作为集电体。作为导电性材料,可列举炭黑等碳材料、各种金属粉末等。
集电体的厚度没有特别限定,但优选为10μm以上且100μm以下。低于10μm时,从制作的观点出发,会导致操作变得困难,厚于100μm的情况下,从经济的观点出发是不利的。
(材料层)
作为构成上述材料层的材料,至少包含各电极的活性物质,此外,为了提高该活性物质层的性能,还可以包含导电助材、粘合剂。优选通过将包含这些材料的混合物在集电体上形成为材料层而得到正极或负极。
作为材料层的形成方法,从制作方法的容易程度的观点出发,优选在利用包含上述活性物质、同时包含导电助材、粘合剂等的混合物及溶剂制作浆料,并将所得浆料涂敷在集电体上之后,进行干燥等,由此除去溶剂而制作材料层的方法。
对于材料层,优选在其形成后压缩至期望的厚度、密度。作为压缩方法,没有特别限定,可采用例如辊压机、油压机等进行。
就材料层的厚度而言,在以优选实施方式进行压延的情况下,优选在其压延后为10μm以上且200μm以下。为10μm以下时,有时难以得到期望的容量,厚于200μm时,有时难以得到期望的输出密度。
就材料层的密度而言,在以优选实施方式进行压延的情况下,优选在其压延后为1.0g/cm3以上且4.0g/cm3以下。低于1.0g/cm3时,有时各电极的活性物质与集电体、导电助材等之间的接触变得不充分,导电性降低,电池的内阻增大。另一方面,大于4.0g/cm3时,有时非水电解质难以浸透至各电极的材料层内,引起锂传导性降低,同样会导致电池的内阻增大。
特别是正极的材料层的密度,通过实施作为优选实施方式的压延等,更优选为2.0g/cm3以上、进一步优选为2.2g/cm3以上且3.5g/cm3以下,特别优选最能取得平衡的2.5g/cm3以上且3.0g/cm3以下。
在集电体上形成材料层的方法没有特别限定,但优选为例如在利用刮刀、模涂机、缺角轮涂布机等涂布上述浆料之后除去溶剂的方法、或者是在通过喷雾器而涂布上述浆料之后除去溶剂的方法。
就除去溶剂的方法而言,利用烘箱、真空烘箱的干燥是简单的,因而优选。作为除去溶剂的气体氛围,可列举形成为室温或高温的空气、非活泼气体、真空状态等。另外,除去溶剂的温度没有特别限定,但从能够在防止材料层的材料分解及粘合剂劣化的同时缩短除去溶剂所需要的时间的观点出发,优选在60℃以上且300℃以下、更优选在80℃以上且250℃以下进行,进一步优选在200℃以下进行。需要说明的是,就各电极的材料层的形成先后而言,均是既可以在前也可以在后。
浆料的制作没有特别限定,但从能够使包含上述活性物质、同时包含导电助材、粘合剂等的混合物及溶剂混合至均匀的方面出发,优选采用自转公转混合器、球磨机、行星式混合机、喷射磨、薄膜旋转型混合器,从作业性的观点出发,更优选采用自转公转混合器、行星式混合机、薄膜旋转型混合器。浆料的制作没有特别限定,可以向上述混合物添加溶剂而制作,也可以将上述混合物及溶剂共同混合而制作。
作为上述溶剂,优选为非水溶剂、或水。作为上述非水溶剂,没有特别限定,可列举例如、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、及四氢呋喃等。另外,也可以在这些溶剂中加入分散剂、增稠剂。
就浆料的固体成分浓度而言,从使其粘度达到适于形成上述材料层的值的观点出发,优选为30wt%以上且80wt%以下。
(各电极的活性物质)
各电极的活性物质一般以粉体形式被供给。
在使用该活性物质的粉体来制作上述混合物的浆料时,从在使必要的溶剂量适宜、并使其与导电助材、粘合剂的混合容易的观点出发,各电极的活性物质的粉体的容积密度优选为0.2g/cm3以上、2.2g/cm3以下,更优选为2.0g/cm3以下。
就活性物质的粉体的表观上的数均粒径而言,从其操作性的观点出发,优选为0.2μm以上且50μm以下、更优选为0.5μm以上且30μm以下、进一步优选为1μm以上且30μm以下、特别优选为3μm以上且20μm以下。该表观上的数均粒径指的是初级粒子凝聚而成的次级粒子的数均粒径,在粒子为球状的情况下,为其直径,在粒子为球状以外的形状的情况下,是由SEM、TEM图像对各个粒子各自的粒子最大边加以测定,并用个数求算平均值而得到的值。为了计算上述数均粒径的平均值,优选在上述SEM观察中对任意的10个以上粒子进行观察。
从获得期望的输出密度的观点出发,活性物质的粉体的比表面积优选为0.05m2/g以上且50m2/g以下、更优选为0.1m2/g以上且20m2以下。特别是,从使气体产生抑制和材料劣化抑制的平衡良好的观点出发,本发明的第一正极的正极活性物质中所含的层状岩盐型化合物的比表面积进一步优选为0.1m2/g以上且3m2/g以下。
本说明书中的比表面积是能够基于BET法中的测定结果而计算出的值。
(导电助材)
本发明的正极的材料层的材料由于缺乏电子导电性,因而需要含有导电助材。
作为导电助材,没有特别限定,但作为在正极的材料层中包含的导电助材,从廉价的方面出发,优选为碳材料,作为在负极的材料层中包含的导电助材,可使用金属材料、碳材料,作为其金属材料,优选为选自铜及镍中的1种以上。
作为上述碳材料,可列举:天然石墨、人造石墨、气相生长碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、科琴黑、及炉黑等。这些碳材料可以使用1种,也可以将2种以上组合使用。
就材料层中所含的导电助材的量而言,在正极的材料层中,相对于正极活性物质100重量份,优选为1重量份以上且30重量份以下、更优选为2重量份以上且15重量份以下,在负极的材料层中,相对于负极活性物质100重量份,优选为0.5重量份以上且30重量份以下,从输出和能量密度的平衡良好的方面出发,更优选为1重量份以上且15重量份以下。通过使导电助材的量在这样的范围内,可确保正极或负极的各电极的导电性,并且,可保持与后述的粘合剂的粘接性,能够充分获得各材料层与集电体之间的粘接性。
(粘合剂)
在本发明的正极或负极的材料层中,为了使它们各自的活性物质粘结于集电体,优选包含粘合剂。
作为上述粘合剂,没有特别限定,但优选使用选自下组中的至少1种以上:聚偏氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚酰亚胺、及它们的衍生物。
就本发明的正极或负极的各材料层中所含的粘合剂的量而言,从使粘结力和能量密度取得平衡的观点出发,相对于各电极的活性物质100重量份,优选为1重量份以上且30重量份以下、更优选为2重量份以上且15重量份以下。通过使粘合剂的量在这样的范围内,可确保正极或负极的各电极的导电性,并且,可保持各电极的活性物质与导电助材之间的粘接性,能够充分获得各材料层与集电体之间的粘接性。
从正极或负极的制作容易程度的观点出发,上述粘合剂优选是溶解或分散于非水溶剂或水中的。作为上述非水溶剂,没有特别限定,可列举例如:N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、或四氢呋喃等。也可以在这些溶剂中加入分散剂、增稠剂。
<1.负极>
本发明的负极具有在本发明的电池充电时从电解质接收锂离子、并经由负极端子而接受电子的功能,另外,具有在本发明的电池放电时向电解质放出锂离子、并经由负极端子而供给电子的功能。这样的负极优选制作成为在集电体上形成有至少包含活性物质(以下也称为“负极活性物质”)的材料层(以下也称为“负极活性物质层”)的构件,这样的负极构件的一部分被封入本发明的封入体、同时其一部分作为负极端子延伸部被引出至封入体的外侧,由此与外部设备实现电连接。
本发明的特征之一在于,其负极活性物质的主成分为钛化合物。钛化合物与以LiCoO2为代表的传统的负极活性物质材料相比,在锂离子的嵌入/脱离的反应中活性物质的膨胀收缩小。因此,与具有包含以LiCoO2为代表的传统负极活性物质材料作为主成分的负极活性物质的传统的负极相比,伴随膨胀收缩而对非水电解质造成的搅混效果小。基于以上原因,作为使某一定以上的锂离子脱嵌的部位,需要确保与传统的负极相比更大的负极比表面积。因此,本发明的负极的比表面积优选为1m2/g以上且100m2/g以下。小于1m2/g的情况下,锂离子进行脱嵌的部位少,因此存在无法导出期望的电池容量的可能性。另一方面,大于100m2/g的情况下,容易发生锂离子的脱嵌以外的副反应、例如非水电解质的分解反应,这种情况下,最终也存在导致无法导出期望的电池容量的可能性。
从确保能够显示出期望容量的锂离子的脱嵌部位、并且锂离子的脱嵌以外的副反应少的方面出发,负极的比表面积更优选为2m2/g以上且70m2/g以下。从副反应的发生最少、并且锂离子在脱嵌时也能取得平衡的方面出发,负极的比表面积进一步优选为3m2/g以上且50m2/g以下。
上述负极的比表面积可根据负极活性物质、导电助材、及粘合剂的种类及配合比而进行控制,或者,也可以通过将电极压缩至期望的厚度来进行控制。
(负极活性物质)
作为本发明的负极活性物质,需要以钛化合物为主成分,即,需要包含相对于全部负极活性物质而言超过50质量%的钛化合物的成分,而作为钛化合物以外的负极活性物质材料,可以以低于50质量%的比例包含Nb等除锂、钛以外的元素,优选包含80质量%以上的钛化合物、并包含20质量%以下的钛化合物以外的负极活性物质材料,进一步优选制成任选包含微量的Nb等除锂、钛以外的元素的钛化合物。
作为上述钛化合物,优选为钛酸化合物、钛酸锂、二氧化钛等。另外,为了提高导电性或提高稳定性,也可以利用碳材料、金属氧化物或高分子等包覆这些钛化合物。
作为上述钛酸化合物,优选为H2Ti3O7、H2Ti4O9、H2Ti5O11、H2Ti6O13、H2Ti12O25,由于循环特性稳定,因而更优选为H2Ti12O25
作为上述钛酸锂,优选为尖晶石结构、斜方锰矿型,更优选为以分子式Li4Ti5O12表示的钛酸锂。为尖晶石结构的情况下,在锂离子的嵌入/脱离的反应中活性物质的膨胀收缩小,因此优选。
作为上述二氧化钛,优选为锐钛矿型、青铜型(TiO2(B)),从锂的嵌入/脱离可有效进行的方面出发,更优选为青铜型。另外,也可以使用锐钛矿型和青铜型的混合物。
<2.正极>
本发明的正极具有在本发明的电池充电时向电解质放出锂离子、并经由正极端子而供给电子的功能,另外,具有在本发明的电池放电时从电解质接收锂离子、并经由正极端子而接受电子的功能。这样的正极优选制作成为在集电体上形成有至少包含活性物质(以下也称为“正极极活性物质”)的材料层(以下也称为“正极活性物质层”)的构件,这样的正极构件的一部分被封入本发明的封入体、同时其一部分作为正极端子延伸部被引出至封入体的外侧,由此与外部设备实现电连接。
本发明的非水电解质二次电池的特征在于:使用了第一正极和第二正极这两种正极,以及,该第一正极具有包含以层状岩盐型化合物为主成分的正极活性物质的材料层。第一正极及第二正极分别既可以为一个、也可以使用多个。
(第一正极的正极活性物质)
在本发明中,显示气体产生抑制效果的电极是具有层状岩盐型活性物质的第一正极。气体抑制的机理尚不明确,但可考虑如下:层状岩盐型活性物质具有吸留气体的效果,特别是在保持充电状态的情况下,具有更高的气体抑制效果。
因此,作为本发明的第一正极的正极活性物质,需要包含层状岩盐型化合物,优选包含20质量%以上且100质量%以下,从充分发挥出气体产生抑制效果的观点出发,更优选使层状岩盐型化合物为其主成分、即超过其50质量%的成分,进一步优选为80质量%以上。
本发明的所述层状岩盐型化合物指的是具有层状岩盐型结构的化合物,没有特别限定,可列举:锂镍复合氧化物(例如LiNiO2)、锂钴复合氧化物(LiCoO2)、锂镍钴复合氧化物(例如LiNi1-yCoyO2)、锂镍钴锰复合氧化物(LiNixCoyMn1-y-zO2、x+y+z=1)、锂过量的例如LiMnO3及Li2MnO3与LixMeO2的固溶体等,从上述气体抑制的效果显著的方面出发,优选为钴酸锂(LiCoO2)、钴镍铝酸锂(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)、钴镍锰酸锂(LiNixCoyMn1-y-zO2、x+y+z=1)。这些正极活性物质可以使用1种,也可以使用2种以上。
对于本发明的层状岩盐型化合物,也可以利用聚乙二醇等有机物、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钛等无机物、以及碳材料等包覆其表面。
(第二正极的正极活性物质)
本发明的正极中,用于作为本发明的电池的目的的常规充放电的正极是第二正极。因此,作为用作第二正极的正极活性物质的材料,从获得长期保持高可靠性的长寿命的电池的观点出发,优选在常规的充放电中材料的膨胀及收缩少、不易发生材料劣化的材料。
因此,作为本发明的第二正极的正极活性物质,需要以种类与上述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质为主成分。这里,所述种类与上述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质,指的是与第一正极中作为主成分而被使用的正极活性物质不同的正极活性物质。更具体而言,例如在第一正极中使用特定的层状岩盐型化合物作为正极活性物质的主成分的情况下,在第二正极中,可使用上述特定的层状岩盐型化合物以外的层状岩盐型化合物作为正极活性物质的主成分。
作为在第二正极中使用的正极活性物质的具体例,可列举例如:锂锰复合氧化物(例如LiMnO2)、锂镍复合氧化物(例如LiNiO2)、锂钴复合氧化物(例如LiCoO2)、锂镍钴复合氧化物(例如LiNi1-yCoyO2)、锂镍钴锰复合氧化物(LiNixCoyMn1-y-zO2)、尖晶石型锰酸锂(例如LiMn2O4)、具有橄榄石结构的磷酸锂化物(例如LiFePO4、LiFe1-yMnyPO4、LiCoPO4等)等,优选为尖晶石型锰酸锂。
上述尖晶石型锰酸锂是以Li1+xMyMn2-x-yO4(0≤x≤0.2、0<y≤0.6、M是归属于第2~13族且第3、4周期的元素)表示的化合物。这里的M为选自归属于第2~13族且第3~4周期的元素中的至少1种,但从不易发生锰溶出等、循环稳定性提高的效果显著的观点出发,优选为Al、Mg、Zn、Ni、Co、Fe及Cr,更优选为Al、Mg、Zn、Ni及Cr,进一步优选为Al、Mg、Zn及Ni。X<0的情况下,存在正极活性物质的容量减少的倾向。另外,x>0.2的情况下,存在碳酸锂等杂质的含量增多的倾向。y=0的情况下,存在正极活性物质的稳定性降低的倾向。另外,y>0.6的情况下,存在M的氧化物等杂质的含量增多的倾向。
这些中,从稳定性提高的效果显著的观点出发,优选为选自Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)、Li1+xNiyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.6)、Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)、Li1+xZnyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)、Li1+xCryMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)中的1种,特别优选为可获得更显著的效果的Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)、Li1+xNiyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.6)、Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1、0<y≤0.1)。另外,以作为后述的正极E的正极活性物质的选自包含LiNi0.5Mn1.5O4的LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi0.5TixMn1.5-xO4(0<x≤0.3)及LiNi0.5FexMn1.5-xO4(0<x≤0.3)中的1种以上尖晶石型锰酸锂为正极活性物质时,能够实现高电压充放电,因此在用于需要进行高电压充放电的用途的情况下是优选的。
需要说明的是,作为第一、第二正极活性物质的组合,优选为下述组合:第一正极活性物质的主成分为选自锂镍复合氧化物、锂钴复合氧化物、锂镍钴复合氧化物、锂镍钴锰复合氧化物、及锂过量的锂锰复合氧化物与锂过渡金属复合氧化物的固溶体中的至少一种层状岩盐型化合物,并且,第二正极活性物质的主成分为选自与选自锂锰复合氧化物、锂镍复合氧化物、锂钴复合氧化物、锂镍钴复合氧化物及锂镍钴锰复合氧化物的第一正极活性物质的主成分不同的层状岩盐型化合物、尖晶石型锰酸锂、以及具有橄榄石结构的磷酸锂化物中的至少1种锂化合物。
作为更优选的组合,可列举下述组合:第一正极活性物质的主成分为选自锂镍复合氧化物、锂钴复合氧化物、锂镍钴复合氧化物、锂镍钴锰复合氧化物、及锂过量的锂锰复合氧化物与锂过渡金属复合氧化物的固溶体中的至少一种层状岩盐型化合物,并且,第二正极活性物质的主成分为尖晶石型锰酸锂。作为进一步优选的组合,可列举下述组合:第一正极活性物质的主成分为选自钴酸锂(LiCoO2)、钴镍铝酸锂(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)及钴镍锰酸锂(LiNixCoyMn1-y-zO2、x+y+z=1)中的至少1种,并且,第二正极活性物质的主成分为尖晶石型锰酸锂。作为特别优选的组合,可列举在上述进一步优选的组合中,第二正极活性物质的主成分为被认为是从高电压充放电的观点出发而优选的前述的尖晶石型锰酸锂的组合。
<3.隔板>
本发明的隔板只要是被设置于前述的正极和负极之间,具有阻止它们之间的电子、空穴的传导、并且具有作为成为它们之间的锂离子传导的媒介的介质的功能(锂离子透过性),至少不具有电子、空穴的传导性的电绝缘性的材料即可,可以包含各种增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂,也可以利用金属氧化物等进行包覆。作为其材料,需要由电绝缘材料制成,优选仅由至少108Ω·cm以上电阻率的材料制成,可列举例如:尼龙、纤维素、聚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、PET以及将这些中的2种以上复合而成的材料的织布、无纺布、微多孔膜等。从实用性的观点出发,优选为选自纤维素无纺布、聚丙烯、聚乙烯及PET中的1种以上,更优选为纤维素无纺布。
用于本发明的非水电解质二次电池的隔板和负极的面积比没有特殊限定,但优选满足下述式(3)。
[数学式3]
1≤H/G≤1.5 (3)
(其中,式(3)中,G表示负极的面积、H表示隔板的面积。)
H/G小于1的情况下,可能导致正极与负极接触,大于1.5的情况下,可能导致外包装所需要的体积增大、无法实现电池的小型化,因而导致其输出密度降低。
隔板的厚度优选为10μm以上且100μm以下。低于10μm的情况下,存在导致正极与负极直接接触的隐患,厚于100μm的情况下,存在导致电池的内阻增高的隐患。从经济性、操作性的观点出发,隔板的厚度进一步优选为15μm以上且50μm以下。
<4.非水电解质>
本发明的非水电解质二次电池的封入体内所含的非水电解质的量没有特别限定,但从可充分保证伴随电极反应的锂离子的传导、由此显示出期望的电池性能的观点出发,优选每1Ah电池容量为1.0mL以上。
对于非水电解质,可以预先使其包含在正极、负极及隔板中,也可以添加到将在正极侧和负极侧之间配置隔板而成的材料进行卷绕或叠层而得到的电极组中。
本发明的非水电解质没有特别限定,可以使用将溶质溶解于非水溶剂而成的电解液、使将溶质溶解于非水溶剂而成的电解液浸渗于高分子而成的凝胶电解质等。另外,本发明的非水电解质中也可以包含微量的阻燃剂、稳定化剂等添加剂。
(非水溶剂)
作为上述非水溶剂,从在非水电解质二次电池的工作电压下不易发生溶剂的分解的方面出发,优选为非质子性溶剂,更优选为包含极性非质子溶剂的非质子性溶剂,进一步优选上述极性非质子溶剂为选自环状的非质子性溶剂及链状的非质子性溶剂中的1种以上,特别优选上述非水溶剂为由环状极性非质子溶剂及链状极性非质子溶剂构成的非水溶剂。
作为环状极性非质子溶剂,可列举:环状碳酸酯、环状酯、环状砜及环状醚等。作为上述环状碳酸酯,可列举:碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯等。
作为链状极性非质子溶剂,可列举:乙腈、链状碳酸酯、链状羧酸酯及链状醚等。作为上述链状碳酸酯,可列举:碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等。
需要说明的是,作为非极性非质子溶剂,可列举己烷、苯这样的烃类。
更具体而言,可使用:碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸亚乙酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、1、2-二甲氧基乙烷、环丁砜、二氧戊环、丙酸甲酯等。这些溶剂可以使用1种,也可以将2种以上混合使用,但从能够使作为后述的支持盐的溶质的溶解性提高、并且能够提高锂离子的传导性的方面出发,优选使用将2种以上混合而成的溶剂。另外,也可以使用使电解液浸渗于高分子而成的凝胶状电解质。
(作为支持盐的溶质)
溶质没有特别限定,但例如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBOB(LithiumBis(Oxalato)Borate)、LiN(SO2CF3)2等,由于容易溶解于上述非水溶剂,因此优选,更优选为LiPF6
电解液中所含的溶质的浓度优选为0.5mol/L以上且2.0mol/L以下。低于0.5mol/L时,有时无法显示出期望的锂离子传导性,另一方面,高于2.0mol/L时,有时无法溶解更多的溶质。
实施例
以下,结合实施例对本发明进行更具体的说明,但本发明完全不受这些实施例的限定,可以在不改变其要点的范围内进行适当变更。
(第一正极A、A+、B、C的制作)
作为第一正极的正极活性物质,使用作为层状岩盐型化合物的以下材料的粉末的市售品,利用以下方法分别制作了作为第一正极的正极A、正极A+、正极B、正极C。
正极A、正极A+:LiCoO2
正极B:LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
正极C:LiNi0.8Co0.15Al0.05O2
首先,将这些粉末各100重量份、导电助材(乙炔黑)5重量份、及粘合剂(聚偏氟乙烯、固体成分浓度8wt%、NMP溶液)5重量份混合,制作了这些材料的混合物的浆料。
接着,将使该浆料涂敷于铝箔(15μm)而成的电极片于170℃进行真空干燥之后,冲裁出4cm×6cm的电极,由此作为在集电体上形成有材料层的正极构件的一部分而制作了各正极。
需要说明的是,该涂敷的实施包括下述两种情况:对铝箔的单面实施而制成单面电极的情况、和对铝箔的两面实施而制成双面电极的情况,从而制作了两种电极。
另外,对于正极A+,通过在正极A的制作中调整涂敷机的缝隙,从而使其容量大于正极A。
(第二正极D的制作)
作为第二正极的正极活性物质,使用作为尖晶石型锰酸锂的Li1.1Al0.1Mn1.8O4的粉末,利用以下方法制作了作为第二正极的正极D。
正极D:Li1.1Al0.1Mn1.8O4
首先,利用文献(Electrochemical and Solid-State Letters、9(12)、A557(2006))中记载的方法制作了Li1.1Al0.1Mn1.8O4的粉末。即,制备二氧化锰、碳酸锂、氢氧化铝及硼酸的水分散液,并利用喷雾干燥法制作了混合粉末。此时,二氧化锰、碳酸锂及氢氧化铝的量调整为使得锂、铝及锰的摩尔比达到1.1:0.1:1.8。接着,将该混合粉末在空气氛围中于900℃加热12小时之后,再次于650℃加热24小时。最后,将该粉末利用95℃的水进行洗涤之后,使其干燥,由此制作了Li1.1Al0.1Mn1.8O4的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,利用与上述的(第一正极A、B、C的制作)中记载的同样的方法制作了浆料,并进一步通过进行涂敷、真空干燥而制作了正极D。
(第二正极E的制作)
作为第二正极的正极活性物质,使用作为尖晶石型锰酸锂的LiNi0.5Mn1.5O4的粉末,利用以下方法制作了作为第二正极的高电压系正极、即正极E。
正极E:LiNi0.5Mn1.5O4
首先,利用文献("Solid-state redox potentials for Li[Me1/2Mn3/2]O4(Me:3d-transition metal)having spinel-framework structures:a series of 5voltmaterials for advanced lithium-ion batteries"Journal of Power Sources,Vol.81-82,pp.90-94(1999))中记载的方法制作了LiNi0.5Mn1.5O4的粉末。
即,首先以使锂、锰及镍的摩尔比达到1:1.5:0.5的方式将氢氧化锂、氢氧化锰及氢氧化镍混合。接着,将该混合物在空气氛围中于550℃进行加热之后,再次于750℃进行加热,由此制作了LiNi0.5Mn1.5O4的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,利用与上述的(第一正极A、B、C的制作)中记载的同样的方法制作了浆料,并进一步通过进行涂敷、真空干燥而制作了正极E。
(正极A~E的容量测定)
通过利用以下方法实施以各正极为工作电极、以Li电极为对电极的半电池的充放电试验,测定了上述制作的各正极的容量。以下记载的电压值全部是以锂电极为基准的值。
首先,将制成为单面电极的各正极冲裁为16mmΦ作为工作电极,将Li金属板冲裁为16mmΦ作为对电极,并使用这些电极,以工作电极(单面涂敷的涂敷面为内侧)/隔板/对电极(Li金属板)的顺序叠层在试验单元(HS单元、宝泉公司制)内,加入非水电解质(溶剂=碳酸亚乙酯:碳酸二甲酯容积比=3:7、溶质=LiPF6=1mol/L)0.15mL,制作了半电池。
将该半电池于25℃放置一日之后,连接于充放电试验装置(HJ1005SD8、北斗电工公司制)。将该半电池于25℃、以0.4mA重复进行5次恒流充电及恒流放电,将第5次的放电量的结果作为正极的容量。
此时,作为恒流充电中的终止电压的值,对于各正极,分别设为以下值,作为恒流放电中的终止电压的值,设为3.0V。
正极A、正极A+(LiCoO2):4.25V
正极B(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2):4.25V
正极C(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2):4.25V
正极D(Li1.1Al0.1Mn1.8O4):4.5V
正极E(LiNi0.5Mn1.5O4):5.0V
各正极的每单位面积的容量为以下记载的值。
正极A(LiCoO2):1.0mAh/cm2
正极A+(LiCoO2):1.6mAh/cm2
正极B(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2):1.0mAh/cm2
正极C(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2):1.0mAh/cm2
正极D(Li1.1Al0.1Mn1.8O4):1.6mAh/cm2
正极E(LiNi0.5Mn1.5O4):1.6mAh/cm2
(负极F的制作)
作为负极活性物质,使用作为钛酸锂的Li4Ti5O12的粉末,利用以下方法制作了负极F。
负极F:Li4Ti5O12
首先,利用文献("Zero-Strain Insertion Material of Li[Li1/3Ti5/3]O4forRechargeable Lithium Cells"Journal of Electrochemical Society、142、1431(1995))中记载的方法制作了Li4Ti5O12的粉末。即,以使钛和锂的摩尔比达到5:4的方式将二氧化钛和氢氧化锂混合,接着,将该混合物在氮气氛围中于800℃进行12小时加热,由此制作了Li4Ti5O12的粉末。
接着,将该粉末100重量份、导电助材(乙炔黑)5重量份、以及使得固体成分达到5重量份的量的粘合剂(聚偏氟乙烯、固体成分浓度5wt%、NMP溶液)混合,制作了浆料。
接着,在将该浆料涂敷于铝箔(15μm)之后,于170℃进行真空干燥,由此制作了以Li4Ti5O12为负极活性物质的负极F。制作了单面电极及双面电极的两种负极。
(负极G的制作)
作为负极活性物质,使用作为青铜(ブロンズ)型二氧化钛的TiO2(B)的粉末,利用以下方法制作了负极G。
负极G:TiO2(B)
首先,利用文献(Journal of Electrochemical Society、159、A 49-A54(2012))中记载的方法制作TiO2(B)的粉末。即,首先将二氧化钛和碳酸钾以使摩尔比达到4:1的方式混合,接着,对该混合物实施两次在大气中于1000℃加热24小时的操作,由此得到了K2Ti4O9。将通过利用1.0M的盐酸水溶液对该K2Ti4O9进行处理而得到的H2Ti4O9在空气氛围中于500℃加热0.5小时,由此制作了TiO2(B)的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,利用与上述的(负极F的制作)中记载的同样的方法制作了浆料,并进一步通过进行涂敷、真空干燥而制作了负极G。
(负极H的制作)
作为负极活性物质,使用作为钛酸化合物的H2Ti12O25的粉末,利用以下方法制作了负极H。
负极H:H2Ti12O25
首先,利用文献(Journal of Electrochemical Society、158、A546-A549(2011))中记载的方法制作了H2Ti12O25的粉末。即,首先将二氧化钛和碳酸钠以使摩尔比为3:1的方式混合,接着,对该混合物实施两次在大气中于800℃加热20小时的操作,由此得到了Na2Ti3O7。将通过利用0.5M的盐酸水溶液对该Na2Ti3O7进行处理而得到的H2Ti3O7在空气氛围中于260℃加热5小时,由此制作了H2Ti12O25的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,利用与上述的(负极F的制作)中记载的同样的方法制作了浆料,并进一步通过进行涂敷、真空干燥而制作了负极H。
(负极F~H的容量测定)
利用与上述的(正极A~E的容量测定)中记载的同样的方法测定了上述制作的各负极的容量。恒流充电及恒流放电中的电流值也与上述的(正极A~E的容量测定)中记载的同样地,为0.4mA。
此时,作为恒流充电中的终止电压的值,设为2.0V,作为恒流放电中的终止电压的值,设为1.0V。
各负极的每单位面积的容量为以下记载的值。
负极F(Li4Ti5O12):1.7mAh/cm2
负极G(TiO2(B)):1.7mAh/cm2
负极H(H2Ti12O25):1.7mAh/cm2
(实施例1~7和比较例1及2的非水电解质二次电池的制作及评价)
使用如上所述地制作并准备的双面电极,利用在以下的(实施例1)等中记载的方法制作了实施例1~7、和比较例1及2的电池,并针对制作的电池,对于在利用以下记载的方法实施充放电循环试验之后的容量保持率(%)及循环中产生的每单位容量的气体产生量(mL/Ah),通过以下记载的方法进行了测定及评价。
具体而言,从正极A~E中选择电池的第一正极及第二正极各1种、共计2种,从负极F~H中选择电池的负极1种,从而形成表1所示的组合,得到了同样在表1中的测定结果。
(充放电循环试验的方法)
充放电循环试验如下地实施:在下述循环条件下,首先从充电开始实施,并以下述充电条件1及放电条件1重复进行放电及充电,最后进行放电。以下记载的电压并不是锂基准的电压,而是非水电解质二次电池的电压。
[循环条件]
电池环境温度:60℃
单位循环:以充电1次及放电1次为1循环。
重复循环数:400循环
[充放电条件]
充电条件1:相对于第二正极的总容量,以1.0C的恒定电流充电至电压达到2.7V,然后,保持2.7V并以恒定电压进行充电,然后,在电流达到0.02C的时刻结束充电。
放电条件1:相对于第二正极的总容量,以1.0C的恒定电流放电至电压减少至2.0V,并在达到2.0V的时刻结束充电。
(容量保持率及气体产生量的测定方法)
需要说明的是,所述容量保持率是将在实施了400循环的后述给定条件下的充放电之后的放电容量与第1循环的放电容量相比较时的百分比值。
另外,气体产生量可以如下地求出:预先在作为电池封入体的外包装的铝层压片中,作为封入体的容积的一部分而设置气囊,使得在充放电循环中产生的气体能够贮存于该气囊,利用阿基米德法测定充放电循环试验前后的电池的体积。
[表1]
作为所制造的电池的评价基准,将400循环后的容量保持率为88%以上、且每单位容量的气体产生量为3mL/Ah以下的情况视为合格。
如表1所示,实施例1~7的电池全部合格,比较例1及2的电池全部不合格。特别是实施例1~6的电池,容量保持率显示出88%以上的高值,循环后的气体量也较少、为1.0mL/Ah以下,因此是优异的电池。
另一方面,就比较例1及2的电池而言,由于其第一正极不包含具有气体抑制效果的层状岩盐型化合物作为正极活性物质,因此没有气体抑制效果,因产生气体而导致内阻增大、容量保持率低。
另外,实施例7的电池与其它实施例的电池相比,尽管使用了能够在高电压下进行充放电的正极E(LiNi0.5Mn1.5O4)作为高电压系正极,但其气体量仍较少、容量保持率也高,因此可期待在需要高电压的用途中的使用。此外,在实施例7的电池中,其气体量与实施例1~6的电池相比较多,但可以认为,这是由于区别于在负极产生的气体,其中存在在正极产生的气体。
(实施例1)
使用正极A作为第一电极、使用正极D作为第二正极、使用负极F作为负极,制作了实施例1的电池。制作中使用的隔板是纤维素无纺布(25μm、30cm2)。
首先,将上述制作的正极及负极按照第二正极/隔板/负极的顺序叠层,由此制作了以正极容量计相当于1Ah的电极组。在该电极组的从叠层方向观察位于最上的第二正极上进一步叠层一片隔板,并在其上叠层为负极/隔板/第一正极/隔板/负极,由此制作了本发明的电极组。将该电极组的示意图作为本发明的电极组的一实施方式的示意图,示于图2。
接着,分别将1片第一正极振动焊接于1个第一正极端子上、将13片第二正极振动焊接于1个第二正极端子上、将15片负极振动焊接于1个负极端子上,由此制作了具备端子的电极组。
接着,将具备该端子的电极组以使其端子部分地延伸至外侧的方式装入袋状的铝层压片中,进一步向其中加入非水电解质(作为包含支持盐的电解液的、非水溶剂:碳酸亚乙酯:碳酸二甲酯=3:7(容量比率)、作为支持盐的溶质:LiPF6=1mol/L)5.5mL,在将其袋内进行减压的同时将袋的开口部密封,由此制作了具有具备上述延伸部以外上述端子的电极组被封入上述袋的内侧的封入体的非水电解质二次电池。此时的非水电解质二次电池的外观如图3所示。即,图3是本发明的非水电解质二次电池10的另一实施方式的外观示意图。将该电池放置12小时而进行了静置。
接着,将静置后的电池的第一正极端子及负极端子的上述延伸部分别与充放电装置的2个端子连结,为了使上述第一正极达到SOC100%而相对于必要的电量以0.2C的恒定电流充电至SOC100%。然后,通过用聚酰亚胺胶带覆盖第一正极端子的上述延伸部而使其与周围电绝缘。
对于这样准备的实施例1的本发明的非水电解质二次电池,在实施对其第二正极端子及负极端子的上述延伸部间连接充放电装置而充分进行充放电的上述充放电循环试验之后,测定了实施例1的电池的容量保持率及气体产生量。结果记载于表1及表2。需要说明的是,这种情况下,充放电循环试验中实施例1的电池的第一正极保持于100%的充电状态。
对于该实施例1的电池,将在使第一正极的充电状态保持于90%(参考结果1)、0%(参考结果2)、5%(参考结果3)而实施了充放电循环的情况下的试验结果与实施例1的结果(将第一正极的充电状态保持于100%)及实施例4的结果(第1正极为A+,并且第一正极与第二正极形成短路,第一正极的充电状态发生循环变动)共同示于表2。
[表2]
如实施例1~3的结果、参考结果1及实施例5~7的结果所示那样,通过在将第一正极以恒定的充电状态保持的情况下使其电绝缘、并使用第二正极和负极重复进行充放电,不会引起第一正极的劣化,即使将钛化合物用于负极活性物质也能够实现气体抑制。
另一方面,根据表2、特别是通过将实施例4的结果与参考结果2及3加以比较可知,本发明的电池由于其第一正极在作为正极必然具有的功能而实施因使用电池所要进行的充放电时存在充电状态的期间,因此可显著地显示出作为本发明的效果的气体产生抑制效果,而由于不会产生由气体产生引起的内阻增大,因此容量保持率也高。
(实施例2)
作为第一正极而使用了正极B,除此以外,与实施例1同样地制作了实施例2的电池。针对所制作的实施例2的电池,在保持其第一正极的充电状态为100%的同时,实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环试验。试验结果如表1所示。
(实施例3)
作为第一正极而使用了正极C,除此以外,与实施例1同样地制作了实施例3的电池。针对所制作的实施例3的电池,在保持其第一正极的充电状态为100%的同时,实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环试验。试验结果如表1所示。
(实施例4)
作为第一正极而使用了其容量为1.6mAh/cm2的正极A+,除此以外,与实施例1同样地制作了实施例4的电池。针对所制作的实施例4的电池,将第一正极及第二正极连接于同一正极端子,并使用正极端子及负极端子而实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环试验。试验结果如表1及2所示。因此,针对该实施例4的电池,未预先将其第一正极充电至给定的充电状态,在充放电循环试验中,将其保持为与第二正极相同电位的状态而充分进行充放电。
如表1及2所示,在实施例4的电池中,通过将其第一正极和第二正极连接于同一正极端子,在使第一正极及第二正极这两种电极均在电池的充放电中进行工作的情况下,气体抑制效果得到了保持,但未能抑制由充放电引起的第一正极的容量劣化,容量保持率得到的是虽满足合格基准但稍低的结果。
(实施例5)
作为负极而使用了负极G,除此以外,与实施例1同样地制作了实施例5的电池。针对所制作的实施例5的电池,在保持其第一正极的充电状态为90%的同时,实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环试验。试验结果如表1所示。
(实施例6)
作为负极而使用了负极H,除此以外,与实施例1同样地制作了实施例6的电池。针对所制作的实施例6的电池,保持其第一正极的充电状态为90%而实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环。试验结果如表1所示。
(实施例7)
作为第二正极而使用了高电压系正极E,除此以外,与实施例1同样地制作了电池。针对所制作的实施例7的电池,保持其第一正极的充电状态为90%,并使充放电循环试验的环境温度环境为25℃、而不是60℃,并且使其充放电条件为以下记载的充电条件2、而不是充电条件1,除此以外,与上述的(充放电循环试验的方法)同样地实施。试验结果如表1所示。
充电条件2:相对于第二正极的总容量,以1.0C的恒定电流充电至电压达到3.4V,然后,在电压达到3.4V的时刻结束充电。
(比较例1)
作为第一正极而使用了正极D,除此以外,与实施例1同样地制作了比较例1的电池。针对所制作的比较例1的电池,在保持其第一正极的充电状态为100%的同时,实施了充电条件1及放电条件1的充放电循环试验。试验结果如表1所示。
(比较例2)
作为第一正极而使用了正极E,除此以外,与实施例7同样地制作了电池并进行了评价。

Claims (6)

1.一种非水电解质二次电池,其具有封入多种正极、非水电解质、负极及隔板而成的封入体,
所述多种正极具有正极活性物质,
所述负极以钛化合物为负极活性物质的主成分,
所述隔板被夹持于正极和负极之间、且由电绝缘材料制成,
其中,在一个所述正极和与其相邻的另一个所述正极之间具备隔板夹持负极,所述隔板夹持负极是被2片所述隔板夹持的所述负极,
并且,所述多种正极包含:含有层状岩盐型化合物作为正极活性物质的第一正极、和以种类与所述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质为主成分的第二正极,
所述第二正极的正极活性物质选自锂锰复合氧化物、锂镍复合氧化物、锂钴复合氧化物、锂镍钴复合氧化物、锂镍钴锰复合氧化物、尖晶石型锰酸锂,
在所述非水电解质二次电池放电时,所述第一正极除自然放电以外,至少不会因外部负荷的连接而放电,能够保持恒定的充电状态地被保持在所述封入体内,
所述非水电解质二次电池还包含端子,该端子分别与所述第一正极、所述第二正极及所述负极连接,且所述端子具有延伸至所述封入体外侧的端子延伸部,
所述第一正极的所述正极端子延伸部与所述第二正极的所述正极端子延伸部分别地存在。
2.根据权利要求1所述的非水电解质二次电池,其中,在全部的所述正极的两侧具备所述隔板夹持负极。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,所述钛化合物为选自以Li4Ti5O12、H2Ti12O25及TiO2表示的钛化合物中的1种以上。
4.根据权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,所述层状岩盐型化合物为选自钴酸锂、钴镍铝酸锂及钴镍锰酸锂中的1种以上层状岩盐型化合物。
5.根据权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,种类与所述层状岩盐型化合物不同的正极活性物质为尖晶石型锰酸锂。
6.一种组电池,其是将多个权利要求1~5中任一项所述的非水电解质二次电池连接而成的。
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