DE102022102487A1 - Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials, Sekundärbatterie und Fahrzeug - Google Patents

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Shunpei Yamazaki
Yusuke Yoshitani
Takashi Hirahara
Kunihiko Suzuki
Kanta ABE
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Abstract

Ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials wird bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird eine Säurelösung durch Mischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, mit einer wässrigen Lösung, die ein erstes additives Element enthält, gebildet; ein Verbundhydroxid, das Nickel, Kobalt, Mangan und das erste additive Element enthält, wird durch eine Reaktion zwischen der Säurelösung und einer alkalischen Lösung gebildet; das Verbundhydroxid und eine Lithiumquelle werden gemischt und erwärmt (erste Erwärmung), um ein Verbundoxid zu bilden; und das Verbundoxid und eine Quelle eines zweiten additiven Elements werden gemischt und erwärmt (zweite Erwärmung). Das erste additive Element ist mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor, und das zweite additive Element ist mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gegenstand, ein Verfahren oder ein Herstellungsverfahren. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Prozess, eine Maschine, ein Erzeugnis oder eine Zusammensetzung (Zusammensetzung eines Materials). Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, eine Energiespeichervorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung, ein elektronisches Gerät oder ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Positivelektrodenaktivmaterial für eine Lithiumionen-Sekundärbatterie und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Lithiumionen-Sekundärbatterien mit hoher Ausgabe und hoher Kapazität stark gestiegen, und die Lithiumionen-Sekundärbatterien sind als wiederverwendbare Energieversorgungsquellen für die heutige Informationsgesellschaft essenziell.
  • Insbesondere ist gefordert worden, dass Lithiumionen-Sekundärbatterien für tragbare elektronische Geräte eine hohe Entladekapazität pro Gewicht und ausgezeichnete Lade- und Entladeeigenschaften aufweisen. Um diese Anforderung zu erfüllen, sind Positivelektrodenaktivmaterialien, die in Lithiumionen-Sekundärbatterien verwendet werden, aktiv verbessert worden. Beispielweise offenbart Patentdokument 1 ein Positivelektrodenaktivmaterial, das hohe Lade- und Entladeeigenschaften aufweist.
  • [Referenz]
  • [Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-107796
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Verbesserungen von Lithiumionen-Sekundärbatterien und Positivelektrodenaktivmaterialien, die darin verwendet werden, werden hinsichtlich der Kapazität, Zyklusleistung, Lade- und Entladeeigenschaften, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Kosten und dergleichen erfordert.
  • In Anbetracht des Vorstehenden ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Positivelektrodenaktivmaterial mit geringer Verschlechterung und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein kostengünstiges Positivelektrodenaktivmaterial und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Positivelektrodenaktivmaterial mit einem hohen Anteil an Nickel als Übergangsmetall und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein Positivelektrodenaktivmaterial mit ausgezeichneten Lade- und Entladeeigenschaften und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Sekundärbatterie mit einem hohen Sicherheitsgrad und ein Verfahren zum Herstellen der Sekundärbatterie bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials bereitzustellen.
  • Die Beschreibung der vorstehenden Aufgaben steht dem Vorhandensein weiterer Aufgaben nicht im Wege. Weitere Aufgaben können aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen und der Patentansprüche abgeleitet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muss nicht notwendigerweise die sämtlichen Aufgaben, die vorstehend beschrieben worden sind, erfüllen, sondern mindestens eine beliebige der sämtlichen Aufgaben, die vorstehend beschrieben worden sind, erfüllen.
  • Um beliebige der vorstehend beschriebenen Aufgaben zu erfüllen, wird ein Positivelektrodenaktivmaterial, das ein additives Element enthält, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Das additive Element kann in einem Schritt zum Bilden eines Verbundhydroxides, das als Vorläufer eines Positivelektrodenaktivmaterials dient, oder in einem Schritt zum Mischen des Vorläufers und einer Lithiumquelle zugesetzt werden. Alternativ kann das additive Element in einem Schritt nach dem Bilden eines Verbundhydroxides, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, zugesetzt werden. Alternativ kann das additive Element in einigen Schritten der vorstehenden Schritte zugesetzt werden.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials. Das Verfahren umfasst Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt und Mangan enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und einer alkalischen Lösung; Mischen des Verbundhydroxides, einer Lithiumquelle und einer Quelle eines ersten additiven Elements; und Durchführen einer Erwärmung. Bei dem Verfahren ist das erste additive Element mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor.
  • Bei der vorstehenden Struktur ist vorzugsweise das erste additive Element Gallium, und die Quelle des ersten additiven Elements ist vorzugsweise Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials. Das Verfahren umfasst Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt und Mangan enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und einer alkalischen Lösung; Mischen des Verbundhydroxides und einer Lithiumquelle und Durchführen einer ersten Erwärmung, um ein Verbundoxid zu bilden; Mischen des Verbundoxides und einer Quelle eines ersten additiven Elements; und Durchführen einer zweiten Erwärmung. Bei dem Verfahren ist das erste additive Element mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor.
  • Bei der vorstehenden Struktur wird die zweite Erwärmung vorzugsweise bei einer Temperatur von höher als 750 °C und niedriger als oder gleich 850 °C durchgeführt.
  • Bei der vorstehenden Struktur ist vorzugsweise das erste additive Element Gallium, und eine Verbindung, die das erste additive Element enthält, ist vorzugsweise Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials. Das Verfahren umfasst Mischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und einer wässrigen Lösung, die ein erstes additives Element enthält, um eine Säurelösung zu bilden; Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt, Mangan und das erste additive Element enthält, durch eine Reaktion zwischen der Säurelösung und einer alkalischen Lösung; Mischen des Verbundhydroxides und einer Lithiumquelle und Durchführen einer ersten Erwärmung, um ein Verbundoxid zu bilden; Mischen des Verbundoxides und einer Quelle eines zweiten additiven Elements; und Durchführen einer zweiten Erwärmung. Bei dem Verfahren ist das erste additive Element mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor, und das zweite additive Element ist mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor.
  • Bei der vorstehenden Struktur wird die zweite Erwärmung vorzugsweise bei einer Temperatur von höher als 750 °C und niedriger als oder gleich 850 °C durchgeführt.
  • Bei der vorstehenden Struktur ist vorzugsweise das erste additive Element Gallium, die Quelle des ersten additiven Elements ist vorzugsweise Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium, das zweite additive Element ist vorzugsweise Calcium und die Quelle des zweiten additiven Elements ist vorzugsweise Calciumcarbonat oder Calciumfluorid.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial enthält, das durch ein beliebiges der vorstehenden Verfahren hergestellt wird.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, das die Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial enthält, das durch ein beliebiges der vorstehenden Verfahren hergestellt wird, und mindestens einen/eine von einem Motor, einer Bremse und einer Steuerschaltung beinhaltet.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Positivelektrodenaktivmaterial mit geringer Verschlechterung und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitstellen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein kostengünstiges Positivelektrodenaktivmaterial und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitstellen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Positivelektrodenaktivmaterial mit einem hohen Anteil an Nickel als Übergangsmetall und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitstellen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Positivelektrodenaktivmaterial mit ausgezeichneten Lade- und Entladeeigenschaften und ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials bereitstellen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Sekundärbatterie mit einem hohen Sicherheitsgrad und ein Verfahren zum Herstellen der Sekundärbatterie bereitstellen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials bereitstellen.
  • Es sei angemerkt, dass die Beschreibung dieser Wirkungen dem Vorhandensein weiterer Wirkungen nicht im Wege steht. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist nicht notwendigerweise alle diesen Wirkungen auf. Weitere Wirkungen werden aus der Erläuterung der Beschreibung, der Zeichnungen, der Patentansprüche und dergleichen ersichtlich und können davon abgeleitet werden.
  • Figurenliste
  • In den begleitenden Zeichnungen:
    • 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials darstellt;
    • 9 ist eine Darstellung, die eine Kopräzipitations-Synthesevorrichtung illustriert;
    • 10 ist eine Darstellung, die eine Kopräzipitations-Synthesevorrichtung illustriert;
    • 11 ist eine Darstellung, die ein Berechnungsmodell illustriert;
    • 12 ist ein Graph, der Berechnungsergebnisse zeigt;
    • 13A bis 13D sind Darstellungen, die ein Berechnungsmodell zeigen;
    • 14A und 14B sind Darstellungen von Berechnungsergebnissen;
    • 15A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Knopfzellen-Sekundärbatterie, 15B ist eine perspektivische Ansicht der Knopfzellen-Sekundärbatterie und 15C ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Knopfzellen-Sekundärbatterie;
    • 16A und 16B stellen Beispiele für eine zylindrische Sekundärbatterie dar, 16C stellt ein Beispiel für eine Vielzahl von zylindrischen Sekundärbatterien dar und 16D stellt ein Beispiel für ein Energiespeichersystem dar, das eine Vielzahl von zylindrischen Sekundärbatterien beinhaltet;
    • 17A und 17B stellen Beispiele für eine Sekundärbatterie dar, und 17C stellt den internen Zustand der Sekundärbatterie dar;
    • 18A bis 18C stellen ein Beispiel für eine Sekundärbatterie dar;
    • 19A und 19B stellen jeweils das Aussehen einer Sekundärbatterie dar;
    • 20A bis 20C stellen ein Herstellungsverfahren einer Sekundärbatterie dar;
    • 21A bis 21C stellen Strukturbeispiele eines Batteriepacks dar;
    • 22A und 22B stellen Beispiele für Sekundärbatterien dar;
    • 23A bis 23C stellen ein Beispiel für eine Sekundärbatterie dar;
    • 24A und 24B stellen ein Beispiel für eine Sekundärbatterie dar;
    • 25A ist eine perspektivische Ansicht eines Batteriepacks, 25B ist ein Blockdiagramm des Batteriepacks und 25C ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das das Batteriepack und einen Motor beinhaltet;
    • 26A bis 26D stellen Beispiele für Transportfahrzeuge dar;
    • 27A und 27B stellen jeweils eine Energiespeichervorrichtung dar;
    • 28A stellt ein elektrisches Fahrrad dar, 28B stellt eine Sekundärbatterie eines elektrischen Fahrrads dar und 28C stellt ein elektrisches Motorrad dar;
    • 29A bis 29D stellen jeweils ein Beispiel für ein elektronisches Gerät dar;
    • 30A stellt Beispiele für tragbare Vorrichtungen dar, 30B ist eine perspektivische Ansicht einer armbanduhrartigen Vorrichtung, 30C stellt eine Seitenfläche einer armbanduhrartigen Vorrichtung dar und 30D stellt ein Beispiel für drahtlose Ohrhörer dar;
    • 31A und 31B sind Querschnitts-SEM-Bilder von Positivelektrodenaktivmaterialien;
    • 32A und 32B sind Querschnitts-SEM-Bilder von Positivelektrodenaktivmaterialien;
    • 33A ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einem Lade- und Entladezyklus und einer Entladekapazität zeigt, und 33B ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einem Lade- und Entladezyklus und einer Retentionsrate der Entladekapazität zeigt; und
    • 34A ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einem Lade- und Entladezyklus und einer Entladekapazität zeigt, und 34B ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einem Lade- und Entladezyklus und einer Retentionsrate der Entladekapazität zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt ist und es für den Fachmann leicht ersichtlich ist, dass Modi und Details auf verschiedene Weise geändert werden können. Außerdem sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden.
  • Eine Sekundärbatterie beinhaltet beispielsweise eine Positivelektrode und eine Negativelektrode. Ein Positivelektrodenaktivmaterial ist ein Material, das in der Positivelektrode enthalten ist. Das Positivelektrodenaktivmaterial ist eine Substanz, die beispielsweise eine Reaktion durchführt, die zu der Lade- und Entladekapazität beiträgt. Es sei angemerkt, dass das Positivelektrodenaktivmaterial teilweise eine Substanz enthalten kann, die nicht zu der Lade- und Entladekapazität beiträgt.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen wird das Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen als Positivelektrodenmaterial, Sekundärbatterie-Positivelektrodenmaterial, Verbundoxid oder dergleichen bezeichnet. In dieser Beschreibung und dergleichen enthält das Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Verbindung. In dieser Beschreibung und dergleichen enthält das Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Zusammensetzung. In dieser Beschreibung und dergleichen enthält das Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Komplex.
  • In dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff „Riss“ nicht nur einen Riss, der in dem Herstellungsprozess eines Positivelektrodenaktivmaterials verursacht wird, sondern auch einen Riss, der nach dem Herstellungsprozess durch Anlegung des Drucks, Ladung und Entladung und dergleichen verursacht wird.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet ein Oberflächenteil eines Teilchens eines Aktivmaterials und dergleichen beispielsweise einen Bereich von 50 nm oder kleiner, bevorzugt 35 nm oder kleiner, bevorzugter 20 nm oder kleiner, noch bevorzugter 10 nm oder kleiner in Tiefe von der Oberfläche in Richtung eines Innenteils. Eine Fläche, die durch einen Riss entsteht, kann als Oberfläche angesehen werden. Ein Bereich in einer Position, die tiefer als der Oberflächenteil ist, wird als Innenteil bezeichnet. In diesem Fall ist entweder ein Primärteilchen oder ein Sekundärteilchen als Teilchen eines Aktivmaterials und dergleichen akzeptabel.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen sind Teilchen nicht notwendigerweise sphärisch (einen kreisförmigen Querschnitt aufzuweisen). Weitere Beispiele für die Querschnittsformen von Teilchen umfassen eine Ellipse, ein Rechteck, ein Trapez, ein Dreieck, ein Viereck mit abgerundeten Ecken und eine asymmetrische Form, und ein Teilchen kann eine unbestimmte Form aufweisen.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet ein Annäherungswert eines bestimmten Wertes A einen Wert von größer als oder gleich 0,9 × A und kleiner als oder gleich 1,1 × A.
  • (Ausführungsform 1)
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren eines Positivelektrodenaktivmaterials 100, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, anhand von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 beschrieben.
  • Es sei angemerkt, dass Flussdiagramme in 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 die Reihenfolge von Schritten zeigen, die durch Linien verbunden sind. Das Flussdiagramm zeigt keinen Zeitpunkt der Schritte, die nicht direkt durch Linien verbunden sind. Beispielsweise werden ein Schritt S11 und ein Schritt S21 in 1 auf der gleichen Ebene in der Zeichnung geschrieben; jedoch werden der Schritt S11 und der Schritt S21 nicht notwendigerweise gleichzeitig durchgeführt.
  • [Herstellungsverfahren 1]
  • Zuerst wird ein Verfahren zum Zusetzen eines additiven Elements X1 bei der Bildung eines Verbundhydroxides 98, das als Vorläufer des Positivelektrodenaktivmaterials 100 dient, anhand von 1 und 2 beschrieben.
  • <Schritt S11>
  • In dem Schritt S11 in 1 und 2 wird zuerst eine Quelle eines Übergangsmetalls M vorbereitet.
  • Als Übergangsmetall M kann beispielsweise mindestens eines von Nickel, Kobalt und Mangan verwendet werden. Das Übergangsmetall M bezeichnet beispielsweise nur Nickel; zwei Elemente von Kobalt und Mangan; zwei Elemente von Kobalt und Nickel; oder drei Elemente von Kobalt, Mangan und Nickel.
  • Wenn mindestens eines von Nickel, Kobalt und Mangan verwendet wird, wird das Mischverhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan vorzugsweise derart eingestellt, dass eine geschichtete Steinsalzkristallstruktur gebildet werden kann.
  • Insbesondere ist vorzugsweise eine große Menge an Nickel als Übergangsmetall M in dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 enthalten, wobei in diesem Fall die Kosten des Quellenmaterials niedriger sein kann als in dem Fall, in dem eine große Menge an Kobalt verwendet wird, und die Lade- und Entladekapazität pro Gewicht erhöht werden kann. Beispielsweise überschreitet der Anteil an Nickel, das als Übergangsmetall M verwendet wird, bevorzugt 25 Atom-%, ist bevorzugter 60 Atom-% oder höher, und ist noch bevorzugter 80 Atom-% oder höher. Wenn der Anteil an Nickel zu hoch ist, könnten sich jedoch die chemische Festigkeit und die Wärmebeständigkeit verringern. Deswegen ist der Anteil an Nickel, das als Übergangsmetall M verwendet wird, bevorzugt 95 Atom-% oder niedriger.
  • Kobalt ist vorzugsweise als Übergangsmetall M enthalten, wobei in diesem Fall die durchschnittliche Entladespannung hoch wird und eine Sekundärbatterie sehr zuverlässig sein kann, da Kobalt zur Stabilisierung der geschichteten Steinsalzkristallstruktur beiträgt. Indessen ist der Preis von Kobalt höher oder unstabiler als diejenigen von Nickel und Mangan; daher könnte ein zu hoher Anteil an Kobalt die Herstellungskosten der Sekundärbatterie erhöhen. Aus diesem Grund ist der Anteil an Kobalt, das als Übergangsmetall M verwendet wird, vorzugsweise höher als oder gleich 2,5 Atom-% und niedriger als oder gleich 34 Atom-%.
  • Es sei angemerkt, dass Kobalt nicht notwendigerweise als Übergangsmetall M enthalten ist.
  • Mangan ist vorzugsweise als Übergangsmetall M enthalten, wobei in diesem Fall die Wärmebeständigkeit und die chemische Festigkeit verbessert werden. Jedoch gibt es eine Tendenz, dass ein zu hoher Anteil an Mangan eine Entladespannung und eine Entladekapazität verringert. Aus diesem Grund ist der Anteil an Mangan, das als Übergangsmetall M verwendet wird, vorzugsweise höher als oder gleich 2,5 Atom-% und niedriger als oder gleich 34 Atom-%.
  • Es sei angemerkt, dass Mangan nicht notwendigerweise als Übergangsmetall M enthalten ist.
  • Als Quelle des Übergangsmetalls M wird eine wässrige Lösung bereitgestellt, die das Übergangsmetall M enthält. Als Nickelquelle kann eine wässrige Lösung eines Nickelsalzes verwendet werden. Als Nickelsalz kann beispielsweise Nickelsulfat, Nickelchlorid, Nickelnitrat oder ein Hydrat davon verwendet werden. Des Weiteren kann auch ein organisches Säuresalz von Nickel, typischerweise Nickelacetat, oder ein Hydrat davon verwendet werden. Als Nickelquelle kann auch eine wässrige Lösung eines Nickel-Alkoxides oder eines organischen Nickelkomplexes verwendet werden. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet der Begriff „organisches Säuresalz“ eine Verbindung eines Metalls und einer organischen Säure, wie z. B. einer Essigsäure, einer Zitronensäure, einer Oxalsäure, einer Ameisensäure oder einer Buttersäure.
  • In ähnlicher Weise kann eine wässrige Lösung eines Kobaltsalzes als Kobaltquelle verwendet werden. Als Kobaltsalz kann beispielsweise Kobaltsulfat, Kobaltchlorid, Kobaltnitrat oder ein Hydrat davon verwendet werden. Des Weiteren kann auch ein organisches Säuresalz von Kobalt, typischerweise Kobaltacetat, oder ein Hydrat davon verwendet werden. Als Kobaltquelle kann eine wässrige Lösung eines Kobalt-Alkoxides oder eines organischen Kobaltkomplexes verwendet werden.
  • In ähnlicher Weise kann eine wässrige Lösung eines Mangansalzes als Manganquelle verwendet werden. Als Mangansalz kann Mangansulfat, Manganchlorid, Mangannitrat oder ein Hydrat davon verwendet werden. Des Weiteren kann auch ein organisches Säuresalz von Mangan, typischerweise Manganacetat, oder ein Hydrat davon verwendet werden. Als Manganquelle kann eine wässrige Lösung eines Mangan-Alkoxides oder eines organischen Mangankomplexes verwendet werden.
  • Bei dieser Ausführungsform wird eine wässrige Lösung, in der Nickelsulfat, Kobaltsulfat und Mangansulfat in reinem Wasser aufgelöst sind, als Quelle des Übergangsmetalls M vorbereitet. In diesem Fall wird das Atomverhältnis zwischen Nickel, Kobalt und Mangan durch Ni:Co:Mn = 8:1:1 oder in der Nähe davon dargestellt. Die wässrige Lösung ist sauer.
  • <Schritt S12>
  • In einem Schritt S12 in 1 und 2 wird eine Quelle eines additiven Elements X1 vorbereitet.
  • Als additives Element X1 kann beispielsweise mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Fluor, Magnesium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Niob, Lanthan und Hafnium verwendet werden. Das additive Element X1 kann beispielsweise nur Gallium; zwei Elemente von Gallium und Aluminium; oder drei Elemente von Gallium, Bor und Aluminium sein.
  • Als Quelle des additiven Elements X1 wird eine wässrige Lösung vorbereitet, die das additive Element X1 enthält. Als Galliumquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Galliumhydroxid oder Galliumsalz verwendet werden. Beispiele für das Galliumsalz umfassen Galliumsulfat, Galliumacetat und Galliumnitrat.
  • Als Borquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Borsäure oder einem Borat verwendet werden.
  • Als Aluminiumquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Aluminiumhydroxid oder Aluminiumsalz verwendet werden. Beispiele für das Aluminiumsalz umfassen Aluminiumsulfat, Aluminiumacetat und Aluminiumnitrat.
  • Als Indiumquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Indiumhydroxid oder Indiumsalz verwendet werden. Beispiele für das Indiumsalz umfassen Indiumsulfat, Indiumacetat und Indiumnitrat.
  • Als Fluorquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Galliumfluorid, Borfluorid, Aluminiumfluorid oder Magnesiumfluorid verwendet werden.
  • Als Magnesiumquelle kann beispielsweise eine wässrige Lösung von Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat oder Magnesiumfluorid verwendet werden.
  • Bei dieser Ausführungsform wird Gallium als additives Element X1 verwendet, und eine wässrige Lösung, in der Galliumsulfat in reinem Wasser aufgelöst ist, wird als Quelle des additiven Elements X1 vorbereitet.
  • <Schritt S13>
  • Wie in einem Schritt S13 in 2 dargestellt, kann ein Chelatbildner vorbereitet werden. Beispiele für den Chelatbildner umfassen Glycin, Oxin, 1-Nitroso-2-naphthol, 2-Mercaptobenzothiazol und EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure). Einige Arten, die aus Glycin, Oxin, 1-Nitroso-2-naphthol, 2-Mercaptobenzothiazol und EDTA ausgewählt werden, können verwendet werden. Mindestens einer der Chelatbildner wird in reinem Wasser aufgelöst, um eine Chelatlösung zu bilden. Der Chelatbildner dient als Komplexbildner, um eine Chelatverbindung zu bilden, und wird einem allgemeinen Komplexbildner vorgezogen. Selbstverständlich kann ein derartiger Komplexbildner anstelle des Chelatbildners verwendet werden, und Ammoniakwasser kann als Komplexbildner verwendet werden.
  • Die Chelatlösung wird vorzugsweise verwendet, wobei in diesem Fall eine Erzeugung von unnötigen Kristallkeimen unterdrückt wird, um das Kristallwachstum zu fördern. Da eine Erzeugung von unnötigen Kristallkeimen unterdrückt wird, um eine Erzeugung von feinen Teilchen zu verhindern, kann ein Verbundhydroxid mit einer guten Teilchengrößenverteilung erhalten werden. Des Weiteren kann durch Verwendung der Chelatlösung eine Säure-Base-Reaktion verlangsamt werden, so dass die Reaktion allmählich fortschreitet, um ein nahezu kugelförmiges Sekundärteilchen zu bilden. Glycin kann den pH-Wert bei 9,0 bis einschließlich 10,0 oder in der Nähe davon aufrechterhalten. Daher wird eine Glycinlösung vorzugsweise als Chelatlösung verwendet, wobei in diesem Fall der pH-Wert in dem Reaktionsgefäß bei der Bildung des Verbundhydroxides 98 gesteuert werden kann. Außerdem ist die Glycinkonzentration der Glycinlösung bevorzugt höher als oder gleich 0,05 mol/l und niedriger als oder gleich 0,5 mol/l, bevorzugter höher als oder gleich 0,1 mol/l und niedriger als oder gleich 0,2 mol/l.
  • <Schritt S14>
  • Als Nächstes werden in einem Schritt S14 in 1 die Quelle des Übergangsmetalls M und die Quelle des additiven Elements X1 gemischt, so dass eine Säurelösung gebildet wird. Ein Chelatbildner kann ferner gemischt werden, wie in 2 dargestellt.
  • Wenn das Verhältnis des additiven Elements X1 zu dem Übergangsmetall M zu niedrig ist, reicht die Wirkung der Unterdrückung der Verschlechterung des Positivelektrodenaktivmaterials 100 oder die Wirkung der Verbesserung der Lade- und Entladeeigenschaften nicht aus. Im Gegensatz dazu kann ein zu hohes Verhältnis des additiven Elements X1 zu Nachteilen, wie z. B. eine Verringerung der Lade- und Entladekapazität des Positivelektrodenaktivmaterials 100 und eine Erhöhung der Kosten, führen. Deshalb wird es bevorzugt, dass beim Mischen die Summe der Elemente, die als additives Element X1 verwendet werden, zu der Summe aller Elemente, die als Übergangsmetall M und additives Element X1 verwendet werden, 10 Atom-% oder niedriger ist. Bevorzugter wird das additive Element X1 bei größer als oder gleich 1 Atom-% und kleiner als oder gleich 4 Atom-% gemischt. Mit anderen Worten: Wenn das Atomverhältnis (M + X1):X1 = 1:A ist, wird A ≤ 0,1 bevorzugt und wird 0,01 ≤ A ≤ 0,04 stärker bevorzugt.
  • Bei dieser Ausführungsform wird dann, wenn das Atomverhältnis zwischen Nickel, Kobalt, Mangan und Gallium Ni:Co:Mn:Ga = 80:10:(10-x):x ist, Gallium derart gemischt, dass x innerhalb des Bereichs von 1 bis 4 ist (1 ≤ x ≤ 4).
  • <Schritt S21 >
  • Als Nächstes wird in dem Schritt S21 in 1 und 2 eine alkalische Lösung vorbereitet. Als alkalische Lösung kann eine wässrige Lösung, die Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid oder Ammoniak enthält, verwendet werden. Eine wässrige Lösung, in der eine beliebige dieser Substanzen in reinem Wasser aufgelöst ist, kann verwendet werden. Alternativ kann eine wässrige Lösung, in der mehrere Arten, die aus Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid und Ammoniak ausgewählt werden, in reinem Wasser aufgelöst sind, verwendet werden.
  • Bei dem reinen Wasser, das vorzugsweise für die Quelle des Übergangsmetalls M, die Quelle des additiven Elements X1 und die alkalische Lösung verwendet wird, handelt es sich um Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 1 MΩ·cm oder höher, bevorzugt 10 MΩ·cm oder höher, bevorzugter 15 MΩ·cm oder höher. Wasser mit dem vorstehend beschriebenen spezifischen Widerstand weist eine hohe Reinheit und eine sehr kleine Menge an Verunreinigungen auf.
  • <Schritt S22>
  • Wie in einem Schritt S22 in 2 dargestellt, wird Wasser vorzugsweise in einem Reaktionsgefäß vorbereitet. Das Wasser kann reines Wasser sein, und eine wässrige Lösung eines Chelatbildners wird stärker bevorzugt. Daher kann das Wasser als Chelatlösung, gefüllte Flüssigkeit in dem Reaktionsgefäß oder Einstellungsflüssigkeit bezeichnet werden. Für die Chelatlösung kann auf die Beschreibung des Schrittes S13 verwiesen werden.
  • <Schritt S31>
  • Als Nächstes werden in einem Schritt S31 in 1 und 2 eine Säurelösung und eine alkalische Lösung gemischt, um miteinander zu reagieren. Die Reaktion kann als Kopräzipitationsreaktion, Neutralisationsreaktion oder Säure-Base-Reaktion bezeichnet werden.
  • Während der Kopräzipitationsreaktion des Schrittes S31 ist der pH-Wert des Reaktionssystems bevorzugt höher als oder gleich 9,0 und niedriger als oder gleich 11,0, bevorzugter höher als oder gleich 9,8 und niedriger als oder gleich 10,3.
  • Beispielsweise wird dann, wenn eine alkalische Lösung in ein Reaktionsgefäß gegeben wird und eine Säurelösung in das Reaktionsgefäß getropft wird, der pH-Wert der wässrige Lösung in dem Reaktionsgefäß vorzugsweise in dem vorstehenden Bereich gehalten. In ähnlicher Weise gilt das Gleiche für einen Fall, in dem die Säurelösung in das Reaktionsgefäß gegeben wird und die alkalische Lösung darin getropft wird. Die Tropfrate der Säurelösung oder der alkalischen Lösung ist dann, wenn die 200 ml bis 350 ml Lösung in dem Reaktionsgefäß ist, bevorzugt höher als oder gleich 0,01 ml/min und niedriger als oder gleich 1 ml/min, bevorzugter höher als oder gleich 0,1 ml/min und niedriger als oder gleich 0,8 ml/min, wobei in diesem Fall die pH-Bedingungen leicht gesteuert werden können. Das Reaktionsgefäß enthält einen Reaktionsbehälter oder dergleichen.
  • Die wässrige Lösung in dem Reaktionsgefäß wird vorzugsweise mit einem Rührmittel gerührt. Das Rührmittel beinhaltet einen Rührer, einen Impeller oder dergleichen. Der Impeller kann zwei bis sechs Flügel aufweisen; beispielsweise können dann, wenn ein Impeller mit vier Flügel zum Einsatz kommt, die vier Flügel derart angeordnet werden, dass sie eine Kreuzform bilden, wenn sie von oben betrachtet werden. Die Drehzahl des Rührmittels kann von 800 U/min bis einschließlich 1200 U/min sein.
  • Die Temperatur des Reaktionsgefäßes wird vorzugsweise derart gesteuert, dass sie höher als oder gleich 50 °C und niedriger als oder gleich 90 °C ist. Nachdem die Temperatur des Reaktionsgefäßes innerhalb des vorstehenden Temperaturbereichs gefallen ist, wird vorzugsweise das Tropfen der alkalischen Lösung oder der Säurelösung gestartet.
  • Das Reaktionsgefäß weist vorzugsweise eine inerte Atmosphäre auf. Stickstoff oder Argon kann für die inerte Atmosphäre verwendet werden. In dem Fall der Stickstoffatmosphäre kann ein Stickstoffgas mit einer Durchflussrate von 0,5 l/min bis einschließlich 2 l/min eingeleitet werden.
  • In dem Reaktionsgefäß wird vorzugsweise ein Rückflusskühler platziert. Das Stickstoffgas kann von dem Reaktionsgefäß abgegeben werden, und Wasser kann unter Verwendung des Rückflusskühlers zum Reaktionsgefäß zurückkehren.
  • Durch die vorstehend beschriebene Kopräzipitationsreaktion wird das Verbundhydroxid 98 ausgefällt, das das Übergangsmetall M und das additive Element X1 enthält.
  • <Schritt S32>
  • Eine Filtration wird vorzugsweise durchgeführt, um das Verbundhydroxid 98 zu sammeln, wie in einem Schritt S32 in 2. Eine Saugfiltration wird für die Filtration bevorzugt. Die Filtration wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem ein Reaktionsprodukt, das in dem Reaktionsgefäß ausgefällt ist, mit reinem Wasser gewaschen worden ist und dann ein organisches Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt (z. B. Aceton) dazu zugesetzt worden ist.
  • <Schritt S33>
  • Wie in einem Schritt S33 in 2, wird das Verbundhydroxid 98 nach der Filtration vorzugsweise getrocknet. Beispielsweise wird das Verbundhydroxid 98 in einem Vakuum bei höher als oder gleich 60 °C und niedriger als oder gleich 90 °C und länger als oder gleich 0,5 Stunden und kürzer als oder gleich 3 Stunden getrocknet. Auf diese Weise kann das Verbundhydroxid 98 erhalten werden.
  • Auf diese Weise kann das Verbundhydroxid 98, das das Übergangsmetall M und das additive Element X1 enthält, erhalten werden. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet das Verbundhydroxid 98 ein Hydroxid einer Vielzahl von Metallen. Das Verbundhydroxid 98 kann als Vorläufer des Positivelektrodenaktivmaterials 100 bezeichnet werden.
  • Das Verbundhydroxid 98 kann als Sekundärteilchen, in dem Primärteilchen aggregiert sind, erhalten werden. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung das Primärteilchen beispielsweise ein Teilchen (Klumpen) als kleinste Einheit bezeichnet, ohne dass dabei das Teilchen Korngrenzen in seinem Innenteil aufweist, wenn es z. B. bei einer Vergrößerung von 5000-Fachen mit einem Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope, SEM) beobachtet wird. Mit anderen Worten: Das Primärteilchen bezeichnet eine kleinste Einheit einer Teilchen, das von einer Korngrenze eines Sekundärteilchens umgeben ist. Das Sekundärteilchen bezeichnet ein Teilchen, in dem die Primärteilchen aggregiert sind, wobei die Primärteilchen teilweise die Korngrenze des Sekundärteilchens (den Umfang des Primärteilchens oder dergleichen) teilen, und nicht leicht voneinander getrennt werden (aber unabhängig voneinander sind). Das heißt, dass das Sekundärteilchen in einigen Fällen eine Korngrenze aufweist.
  • <Schritt S41>
  • Als Nächstes wird eine Lithiumquelle in einem Schritt S41 in 1 und 2 vorbereitet. Als Lithiumquelle kann beispielsweise Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat oder Lithiumnitrat verwendet werden. Insbesondere wird vorzugsweise ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt unter Lithiumverbindungen, wie z. B. Lithiumhydroxid mit dem Schmelzpunkt von 462 °C, verwendet werden. Da ein Positivelektrodenaktivmaterial, das einen hohen Anteil an Nickel aufweist, eine Kationenmischung im Vergleich zu Lithiumkobaltoxid oder gleichen leicht verursacht, muss eine Erwärmung in einem Schritt S54 und dergleichen bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Deshalb wird ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt vorzugsweise verwendet.
  • Als Lithiumquelle wird vorzugsweise ein hochreines Material verwendet. Insbesondere ist die Reinheit des Materials 4N (99,99 %) oder höher, bevorzugt 4N5 (99,995 %) oder höher, bevorzugter 5N (99,999%) oder höher. Indem ein Material mit einer hohen Reinheit verwendet wird, kann die Batterieeigenschaften der Sekundärbatterie verbessert werden.
  • <Schritt S51>
  • Als Nächstes werden in einem Schritt S51 in 1 und 2 das Verbundhydroxid 98 und die Lithiumquelle gemischt. Das Mischen kann durch ein Trockenverfahren oder ein Nassverfahren durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Kugelmühle oder eine Perlmühle für das Mischen verwendet werden. Wenn eine Kugelmühle verwendet wird, werden vorzugsweise zum Beispiel Zirkonia-Kugeln als Medium verwendet. Wenn eine Kugelmühle, eine Perlmühle oder dergleichen verwendet wird, ist die Umfangsgeschwindigkeit vorzugsweise größer als oder gleich 100 mm/s und kleiner als oder gleich 2000 mm/s, um eine Kontamination durch das Medium oder das Material zu verhindern. Die Kobaltverbindung und die Lithiumverbindung werden in einigen Fällen während des Mischens pulverisiert.
  • <Schritt S52 bis Schritt S55>
  • Als Nächstes wird eine Erwärmung der Mischung des Verbundhydroxides 98 und der Lithiumquelle durchgeführt. Die Erwärmung kann wie in dem Schritt S54 in 1 einmal durchgeführt werden; jedoch wird die Erwärmung vorzugsweise wie in einem Schritt S52 und Schritt S54 in 2 zweimal durchgeführt. Obwohl nicht dargestellt, kann die Erwärmung dreimal oder mehr durchgeführt werden.
  • Die Erwärmung in dem Schritt S52 und die Erwärmung in dem Schritt S54 in 2 können in einigen Fällen zur Unterscheidung von einem anderen Erwärmungsschritt als erste Erwärmung bzw. zweite Erwärmung bezeichnet werden.
  • Ein Elektroofen oder ein Drehrohrofen kann als Brennvorrichtung für die Erwärmung verwendet werden. Ein Behälter, wie z. B. ein Schmelztiegel, ein Sagger oder ein Brennhilfsmittel, welcher bei der Erwärmung verwendet wird, wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das Verunreinigungen kaum freisetzt. Beispielsweise kann ein Schmelztiegel aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,9 % verwendet werden. In dem Fall einer Massenproduktion kann beispielsweise ein Sagger aus Mullit-Cordierit (Al2O3·SiO2·MgO) verwendet werden. Ein derartiger Behälter wird vorzugsweise erwärmt, wobei er mit dem Deckel bedeckt ist.
  • In dem Fall, in dem die Erwärmung in dem Schritt S52 wie in 2 durchgeführt wird, ist die Erwärmungstemperatur vorzugsweise höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 700 °C. Die Zeit für die Erwärmung in dem Schritt S52 ist vorzugsweise länger als oder gleich 1 Stunde und kürzer als oder gleich 10 Stunden. Die Erwärmung in dem Schritt S52 wird vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur und/oder für eine kürzere Zeit als diejenigen der später durchgeführten Erwärmung in dem Schritt S54 durchgeführt.
  • Die Erwärmungsatmosphäre ist vorzugsweise eine Sauerstoffatmosphäre oder eine Sauerstoff enthaltende Atmosphäre, die eine trockene Luft mit geringer Feuchtigkeit (z. B. mit einem Taupunkt von niedriger als oder gleich -50 °C, vorzugsweise niedriger als oder gleich -80 °C) ist.
  • Beispielsweise ist in dem Fall, in dem die Erwärmung bei 850 °C 2 Stunden lang durchgeführt wird, die Temperaturerhöhungsrate vorzugsweise höher als oder gleich 150 °C/h und niedriger als oder gleich 250 °C/h. Die Durchflussrate der trockenen Luft, die eine trockene Atmosphäre bildet, ist vorzugsweise höher als oder gleich 8 l/min und niedriger als oder gleich 15 l/min. Die Temperaturabsenkungszeit von einer bestimmten Temperatur auf Raumtemperatur ist vorzugsweise länger als oder gleich 10 Stunden und kürzer als oder gleich 50 Stunden. Die Temperaturabsenkungsrate kann aus der Temperaturabsenkungszeit oder dergleichen berechnet werden.
  • Durch die Erwärmung des Schrittes S52 wird es erwartet, dass Gaskomponenten in dem Verbundhydroxid 98 und der Lithiumquelle abgegeben werden, und das Verbundoxid mit geringeren Verunreinigungen kann unter Verwendung des Verbundhydroxides 98 und der Lithiumquelle gebildet werden.
  • Des Weiteren werden, wie in einem Schritt S53 und einem Schritt S55 in 2 dargestellt, vorzugsweise Zerkleinerungsschritte nach der Erwärmung durchgeführt. Das Zerkleinern kann beispielsweise in einem Mörser durchgeführt werden. Des Weiteren kann eine Unterteilung unter Verwendung eines Siebes durchgeführt werden. Mit dem Zerkleinerungsschritt können/kann die Korngröße und/oder die Form des Positivelektrodenaktivmaterials 100 vereinheitlicht werden.
  • Die Erwärmung in dem Schritt S54 in 1 und 2 wird bevorzugt bei einer Temperatur von höher als 700 °C und niedriger als oder gleich 1050 °C, bevorzugter höher als oder gleich 800 °C und niedriger als oder gleich 1000 °C, noch bevorzugter höher als oder gleich 800 °C und niedriger als oder gleich 950 °C durchgeführt. Es ist wichtig, beim Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials 100 durch diese Erwärmung die Quellenmaterialien mindestens bei Temperaturen zu erwärmen, die hoch genug sind, um die Quellenmaterialien zu schmelzen.
  • Die Erwärmungszeit kann beispielsweise länger als oder gleich 1 Stunde und kürzer als oder gleich 100 Stunden sein und ist vorzugsweise länger als oder gleich 2 Stunden und kürzer als oder gleich 20 Stunden.
  • Für die Beschreibung des Schrittes S52 kann auf die Erwärmungsatmosphäre, die Temperaturerhöhungsrate, die Temperaturabsenkungszeit und dergleichen verwiesen werden.
  • Das erwärmte Material wird vorzugsweise gesammelt, nachdem es von dem Schmelztiegel in einen Mörser gegeben worden ist, wobei in diesem Fall Verunreinigungen nicht in das erwärmte Material gemischt werden. Der Mörser wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das Verunreinigungen kaum freisetzt; insbesondere wird ein Mörser aus Aluminiumoxid mit der Reinheit von 90 % oder höher, bevorzugt 99 % oder höher, geeignet verwendet.
  • Durch den vorstehenden Prozess kann das Positivelektrodenaktivmaterial 100 ausgebildet werden.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 wird dadurch bevorzugt, dass es geringe Verunreinigungen enthält. Jedoch könnte Schwefel aus dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 nachgewiesen werden, wenn ein Sulfid als Ausgangsmaterial in der Quelle des Übergangsmetalls M oder dergleichen verwendet wird. Unter Verwendung einer Massenspektrometrie mit Glimmentladung (glow discharge mass spectrometry, GD-MS), einer Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS) oder dergleichen können Elemente von Teilchen, die in dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 enthalten sind, analysiert werden, um die Konzentration von Schwefel zu messen.
  • [Herstellungsverfahren 2]
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Zusetzen eines additiven Elements X2 beim Mischen des Verbundhydroxides 98 und der Lithiumquelle anhand von 3 und 4 beschrieben. Schritte, die sich von denjenigen in 1 und 2 unterscheiden, werden hauptsächlich beschrieben, und für die anderen Schritte kann auf die Beschreibung von 1 und 2 verwiesen werden.
  • <Schritt S11 bis Schritt S41>
  • Das Verbundhydroxid 98, das das Übergangsmetall M enthält, wird durch die Schritte erhalten, die dem Schritt S11 bis Schritt S31 in 1 und 2 ähnlich sind, mit der Ausnahme, dass das additive Element X1 nicht verwendet wird. Die Lithiumquelle wird wie in dem Schritt S41 in 1 und 2 vorbereitet.
  • <Schritt S42>
  • Als Nächstes wird in einem Schritt S42 in 3 und 4 eine Quelle eines additiven Elements X2 vorbereitet.
  • Als additives Element X2 kann beispielsweise mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Fluor, Magnesium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Niob, Lanthan und Hafnium verwendet werden. Das additive Element X2 kann beispielsweise nur Gallium; zwei Elemente von Gallium und Aluminium; oder drei Elemente von Gallium, Bor und Aluminium sein. Die Quelle des additiven Elements X2 ist nicht notwendigerweise eine wässrige Lösung eines der Elemente.
  • Beispielsweise kann Galliumoxid, Galliumoxyhydroxid, Galliumhydroxid oder Galliumsalz als Galliumquelle verwendet werden. Beispiele für die Galliumquelle umfassen Galliumsulfat, Galliumacetat und Galliumnitrat. Gallium-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Als Borquelle kann beispielsweise Borsäure oder ein Borat verwendet werden.
  • Als Aluminiumquelle kann beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid oder Aluminiumsalz verwendet werden. Beispiele für das Aluminiumsalz umfassen Aluminiumsulfat, Aluminiumacetat und Aluminiumnitrat. Aluminium-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Als Indiumquelle kann beispielsweise Indiumoxid, Indiumsulfat, Indiumacetat oder Indiumnitrat verwendet werden. Indium-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Als Fluorquelle kann Galliumfluorid, Borfluorid Aluminiumfluorid oder Magnesiumfluorid verwendet werden.
  • Als Magnesiumquelle kann beispielsweise Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat oder Magnesiumfluorid verwendet werden. Magnesium-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Bei dieser Ausführungsform wird Gallium als additives Element X2 verwendet, und Galliumoxyhydroxid wird als Quelle des additiven Elements X2 vorbereitet.
  • <Schritt S51 bis Schritt S55>
  • Danach kann das Positivelektrodenaktivmaterial 100 durch Schritte, wie z. B. eine Erwärmung wie in dem Schritt S51 bis Schritt S55 in 1 und 2, ausgebildet werden.
  • [Herstellungsverfahren 3]
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Zusetzen eines additiven Elements X3 nach der Bildung eines Verbundoxides 99, das Lithium und das Übergangsmetall M enthält, anhand von 5 und 6 beschrieben. Schritte, die sich von denjenigen in 1, 2, 3 und 4 unterscheiden, werden hauptsächlich beschrieben, und für die anderen Schritte kann auf die Beschreibungen in 1, 2, 3 und 4 verwiesen werden.
  • <Schritt S11 bis Schritt S55>
  • In den Schritten, die dem Schritt S11 bis Schritt S33 in 3 und 4 ähnlich sind, wird das Verbundhydroxid 98 erhalten, das das Übergangsmetall M enthält. Danach werden in den Schritten, die dem Schritt S41 bis Schritt S54 in 1 und 2 ähnlich sind, Schritte, wie z. B. eine Erwärmung, an dem Verbundhydroxid 98 und der Lithiumquelle durchgeführt. Ein Zerkleinern wird vorzugsweise nach der Erwärmung durchgeführt, wie in dem Schritt S55 in 2 dargestellt.
  • Das Produkt, das durch die vorstehenden Schritte erhalten wird, wird in diesem Herstellungsverfahren als Verbundoxid 99 bezeichnet, wie in 5 und 6 dargestellt.
  • <Schritt S61>
  • Als Nächstes wird die Quelle des additiven Elements X3 in einem Schritt S61 in 5 und 6 vorbereitet.
  • Als additives Element X3 kann beispielsweise mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Fluor, Magnesium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Niob, Lanthan und Hafnium verwendet werden. Das additive Element X3 kann beispielsweise nur Calcium; nur Gallium; nur Aluminium; zwei Elemente von Calcium und Gallium; zwei Elemente von Calcium und Aluminium; oder drei Elemente von Calcium, Gallium und Aluminium sein.
  • Vorzugsweise enthält das additive Element X3 kein Wasser oder ist ein Material, das weniger Wasser enthält als die Quelle des additiven Elements X1, um die Reaktion zwischen dem Verbundoxid 99 und Wasser zu verhindern.
  • Als Calciumquelle kann beispielsweise Calciumoxid, Calciumhydroxid oder Calciumsalz verwendet werden. Als Calciumsalz kann Calciumcarbonat, Calciumfluorid oder dergleichen angegeben werden.
  • Beispielsweise kann Titanoxid oder Titansalz als Titanquelle verwendet werden. Als Titansalz können beispielsweise Titanfluorid, Titansulfat, Titanacetat, Titannitrat und dergleichen angegeben werden. Titan-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Beispielsweise kann als Zirkoniumquelle Zirkoniumoxid oder Zirkoniumsalz verwendet werden. Beispiele für das Zirkoniumsalz umfassen Zirkoniumfluorid, Zirkoniumsulfat, Zirkoniumacetat und Zirkoniumnitrat. Zirkonium-Alkoxid kann auch verwendet werden.
  • Für die Galliumquelle, die Borquelle, die Aluminiumquelle, die Indiumquelle, die Fluorquelle und die Magnesiumquelle kann eines von ähnlichen Materialien wie das additive Element X2 verwendet werden.
  • <Schritt S71>
  • Als Nächstes werden das Verbundoxid 99 und die Quelle des additiven Elements X3 in einem Schritt S71 in 5 und 6 gemischt. Dieses Mischen kann auf ähnliche Weise wie dasjenige des Schrittes S51 durchgeführt werden.
  • <Schritt S72>
  • Als Nächstes wird eine Mischung des Verbundoxides 99 und der Quelle des additiven Elements X3 in einem Schritt S72 in 5 und 6 erwärmt.
  • Die Erwärmung des Schrittes S72 wird bevorzugt bei der Temperatur von höher als oder gleich 700 °C und niedriger als oder gleich 1050°C, bevorzugter höher als oder gleich 750 °C und niedriger als oder gleich 850°C, durchgeführt. Die Erwärmungszeit kann beispielsweise länger als oder gleich 1 Stunde und kürzer als oder gleich 100 Stunden sein und ist vorzugsweise länger als oder gleich 2 Stunden und kürzer als oder gleich 10 Stunden. Die Erwärmung des Schrittes S72 wird vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur und/oder für eine kürzere Zeit als diejenigen des Schrittes S54 durchgeführt.
  • Für die Beschreibung des Schrittes S54 kann auf die Erwärmungsatmosphäre, die Temperaturerhöhungsrate, die Temperaturabsenkungszeit und andere Bedingungen verwiesen werden.
  • <Schritt S73>
  • Wie in einem Schritt S73 in 6 dargestellt, wird vorzugsweise ein Zerkleinerungsschritt nach der Erwärmung durchgeführt. Das Zerkleinern kann auf ähnliche Weise wie diejenigen des Schrittes S53 und des Schrittes S55 durchgeführt werden.
  • Durch den vorstehenden Prozess kann das Positivelektrodenaktivmaterial 100 ausgebildet werden.
  • Wie bei dem Herstellungsverfahren in 5 und 6 durchgeführt, wird das Verbundoxid 99 gebildet, die Quelle des additiven Elements X3 wird darin gemischt und die Mischung wird erwärmt, wodurch Konzentrationsprofile in der Tiefenrichtung der Elemente, die in dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 enthalten sind, in einigen Fällen variiert werden können. Beispielsweise kann die Konzentration des additiven Elements X3 in dem Oberflächenteil höher als in dem Innenteil des Positivelektrodenaktivmaterials 100 sein. Folglich kann die Wirkung des additiven Elements, das zur Stabilisierung des Oberflächenteils beiträgt, erhöht werden.
  • [Herstellungsverfahren 4]
  • Obwohl das additive Element in 1, 2, 3, 4, 5 und 6 in einem Schritt zugesetzt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Schritt zum Zusetzen beschränkt, und die Schritte in 1, 2, 3, 4, 5 und 6 können frei kombiniert werden. Zwei Schritte zum Zusetzen des additiven Elements und drei Schritte zum Zusetzen des additiven Elements werden anhand von 7 bzw. 8 beschrieben.
  • Bei dem Verfahren zum Herstellen, das in 7 dargestellt wird, wird zuerst das Verbundhydroxid 98, das das Übergangsmetall M und das additive Element X1 enthält, durch Schritte erhalten, die dem Schritt S11 bis Schritt S33 in 1 ähnlich sind. Dann wird die Quelle des additiven Elements X3 gemischt, und die Mischung wird durch Schritte erwärmt, die dem Schritt S41 bis Schritt S73 in 5 ähnlich sind, um das Positivelektrodenaktivmaterial 100 zu erhalten.
  • Bei dem Verfahren zum Herstellen, das in 8 dargestellt wird, wird das Verbundhydroxid 98, das das Übergangsmetall M und das additive Element X1 enthält, durch Schritte erhalten, die dem Schritt S11 bis Schritt S33 in 2 ähnlich sind. Dann wird die Quelle des additiven Elements X2 durch Schritte zugesetzt, die dem Schritt S41 bis Schritt S55 in 4 ähnlich sind, um das Verbundoxid 99, das das Übergangsmetall M, das additive Element X1 und die Quelle des additiven Elements X2 enthält, zu erhalten. Des Weiteren wird das Positivelektrodenaktivmaterial 100 durch Schritte erhalten, die dem Schritt S61 bis Schritt S73 in 6 ähnlich sind.
  • Obwohl nicht dargestellt, können die additiven Elemente durch die zwei Schritte zum Zusetzen der Quelle des additiven Elements X1 und der Quelle des additiven Elements X2 zugesetzt werden, oder die additiven Elemente können durch die zwei Schritte zum Zusetzen der Quelle des additiven Elements X2 und der Quelle des additiven Elements X3 zugesetzt werden. Alternativ kann das additive Element in einem Schritt außer den vorstehenden Schritten zugesetzt werden.
  • Wenn die Schritte zum Einführen einer Vielzahl von additiven Elementen auf solche Weise separat durchgeführt werden, können die Konzentrationsprofile der Elemente in der Tiefenrichtung in einigen Fällen variieren. Beispielsweise kann die Konzentration eines bestimmten additiven Elements in dem Oberflächenteil höher als in dem Innenteil des Positivelektrodenaktivmaterials 100 sein. Des Weiteren kann das Verhältnis der Anzahl von Atomen eines bestimmten additiven Elements zu der Anzahl von Atomen des Übergangsmetalls M in dem Oberflächenteil höher gemacht werden als in dem Innenteil.
  • Diese Ausführungsform kann in einer Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
  • (Ausführungsform 2)
  • Bei dieser Ausführungsform wird eine Kopräzipitations-Synthesevorrichtung, die für die Herstellung des bei der Ausführungsform 1 beschriebenen Positivelektrodenaktivmaterials verwendet werden kann, anhand von 9 und 10 beschrieben.
  • Eine Kopräzipitations-Synthesevorrichtung 170 in 9 beinhaltet ein Reaktionsgefäß 171, und das Reaktionsgefäß 171 beinhaltet einen Reaktionsbehälter. Ein trennbarer Kolben wird in dem unteren Teil des Reaktionsbehälters verwendet, und eine trennbare Abdeckung wird in dem oberen Teil des Reaktionsbehälters verwendet. Der trennbare Kolben kann ein zylindrischer oder runder Typ sein. Ein zylindrischer trennbarer Kolben weist einen flachen Boden auf. Die Atmosphäre des Reaktionsgefäßes 171 kann mit mindestens einem Einlass der trennbaren Abdeckung gesteuert werden. Beispielsweise ist die Atmosphäre vorzugsweise eine inerte Atmosphäre und enthält vorzugsweise z. B. Stickstoff. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Fließen von Stickstoff durchgeführt. Außerdem wird Stickstoff vorzugsweise in Wasser 192 in dem Reaktionsgefäß 171 geblasen (bzw. bubbled). Die Kopräzipitations-Synthesevorrichtung 170 kann mit einem Rückflusskühler 191, der mit mindestens einem Einlass der trennbaren Abdeckung verbunden ist, versehen sein, wie in 10 dargestellt, und durch diesen Rückflusskühler 191 wird das Atmosphärengas, wie z. B. Stickstoff, des Reaktionsgefäßes 171 abgelassen und kann Wasser zum Reaktionsgefäß 171 zurückkehren. In der Atmosphäre des Reaktionsgefäßes 171 ist es akzeptabel, dass die Menge eines Luftstroms, der zum Ablassen eines Gases, das durch eine pyrolytische Reaktion aufgrund einer Wärmebehandlung erzeugt wird, notwendig ist, aufrechterhalten wird.
  • Das Wasser 192 wird in das Reaktionsgefäß 171 gegeben, und dann werden eine Säurelösung und eine alkalische Lösung in das Reaktionsgefäß 171 getropft. Es sei angemerkt, dass das Wasser 192, das in das Reaktionsgefäß 171 gegeben wird, in einigen Fällen als gefüllte Flüssigkeit bezeichnet wird. Die gefüllte Flüssigkeit wird in einigen Fällen als Einstellungsflüssigkeit beschrieben und bezeichnet eine wässrige Lösung vor einer Reaktion, d. h. eine anfängliche wässrige Lösung.
  • Eine andere Struktur der Kopräzipitations-Synthesevorrichtung 170, die in 9 und 10 dargestellt wird, wird beschrieben. Die Kopräzipitations-Synthesevorrichtung 170 ist mit einem Rührabschnitt 172, einem Rührmotor 173, einem Thermometer 174, einem Tank 175, einem Rohr 176, einer Pumpe 177, einem Tank 180, einem Rohr 181, einer Pumpe 182, einem Tank 186, einem Rohr 187, einer Pumpe 188, einer Steuervorrichtung 190 und dergleichen versehen.
  • Der Rührabschnitt 172 kann das Wasser 192 in dem Reaktionsgefäß 171 rühren, und der Rührmotor 173 wird als Antriebskraftquelle zum Drehen des Rührabschnitts 172 bereitgestellt. Der Rührabschnitt 172 beinhaltet einen paddelförmigen Impeller (als Paddel-Impeller bezeichnet) und der Paddel-Impeller weist zwei bis sechs Flügel auf und jeder Flügel kann einen Gradienten von größer als oder gleich 40° und kleiner als oder gleich 70° aufweisen.
  • Das Thermometer 174 kann die Temperatur des Wassers 192 messen. Die Temperatur des Reaktionsgefäßes 171 kann durch eine Heizung, eine thermoelektrische Kühlvorrichtung und dergleichen gesteuert werden, so dass die Temperatur des Wassers 192 konstant gehalten werden kann. Beispiele für die thermoelektrische Kühlvorrichtung umfassen ein Peltier-Element. Ein pH-Meter (nicht dargestellt) wird in dem Reaktionsgefäß 171 platziert, um den pH-Wert des Wassers 192 zu messen.
  • Unterschiedliche Lösungen von Quellenmaterialien können in den Tanks angesammelt werden. Beispielsweise können die Quelle des Übergangsmetalls M oder eine Säurelösung und eine alkalische Lösung die entsprechenden Tanks füllen. Ein Tank, der mit Wasser, das als gefüllte Flüssigkeit dient, gefüllt wird, kann vorbereitet werden. Jeder Tank ist mit einer Pumpe versehen, und eine wässrige Lösung eines Quellenmaterials kann unter Verwendung der Pumpe durch ein Rohr in das Reaktionsgefäß 171 getropft werden. Die Tropfenmenge der wässrigen Lösung eines Quellenmaterials, d. h. die Menge der eingeleiteten Flüssigkeit, kann durch die Pumpe gesteuert werden. Außerdem wird ein Ventil anstelle der Pumpe an dem Rohr 176 angebracht, so dass die Tropfenmenge der wässrigen Lösung eines Quellenmaterials, d. h. die Menge der eingeleiteten Flüssigkeit, gesteuert werden kann.
  • Die Steuervorrichtung 190 ist elektrisch mit dem Rührmotor 173, dem Thermometer 174, der Pumpe 177, der Pumpe 182 und der Pumpe 188 verbunden, wodurch die Drehzahl des Rührabschnitts 172, die Temperatur des Wassers 192, die Tropfenmenge der wässrigen Lösungen von Quellenmaterialien und dergleichen gesteuert werden können.
  • Die Drehzahl des Rührabschnitts 172, insbesondere die Drehzahl des Paddel-Impellers, ist beispielsweise vorzugsweise höher als oder gleich 800 U/min und niedriger als oder gleich 1200 U/min. Das Rühren wird vorzugsweise durchgeführt, während die Temperatur des Wassers 192 bei höher als oder gleich 50 °C und niedriger als oder gleich 90 °C gehalten wird. Beim Rühren wird eine Säurelösung oder dergleichen vorzugsweise mit einer konstanten Rate in das Reaktionsgefäß 171 getropft. Selbstverständlich ist die Drehzahl des Paddel-Impellers nicht auf eine konstante Zahl beschränkt und kann angemessen eingestellt werden. Beispielsweise kann die Drehzahl abhängig von der Menge der Flüssigkeit des Reaktionsgefäßes 171 geändert werden. Außerdem kann die Tropfrate der Säurelösung oder dergleichen gesteuert werden. Die Tropfrate kann gesteuert werden, um den pH-Wert des Reaktionsgefäßes 171 konstant zu halten. Alternativ können die Tropfraten derart gesteuert werden, dass eine alkalische Lösung getropft wird, wenn der pH-Wert während des Tropfens der Säurelösung oder dergleichen von einem gewünschten Wert variiert. Der pH-Wert ist innerhalb des Bereichs von 9,0 bis 11,0, vorzugsweise 9,8 bis 10,3.
  • Durch den vorstehenden Prozess wird ein Reaktionsprodukt in dem Reaktionsgefäß 171 ausgefällt. Das Reaktionsprodukt enthält das Verbundhydroxid 98. Diese Reaktion kann als Kopräzipitation oder KoPräzipitation bezeichnet werden, und dieser Schritt wird in einigen Fällen als Kopräzipitationsschritt bezeichnet.
  • Diese Ausführungsform kann in einer Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
  • (Ausführungsform 3)
  • Bei dieser Ausführungsform wird das Positivelektrodenaktivmaterial 100 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 11, 12, 13A bis 13D sowie 14A und 14B beschrieben.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 beinhaltet ein Sekundärteilchen, in dem Primärteilchen aggregiert sind. Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 kann einen Zwischenraum darin aufweisen.
  • <Enthaltene Elemente>
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 enthält Lithium, das Übergangsmetall M, Sauerstoff und mindestens eines von Materialien, die als additives Element X verwendet werden können. In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet das additive Element X kollektiv das additive ElementX1, das additive Element X2 und das additive Element X3.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 kann als Verbundoxid angesehen werden, das durch LiMO2 dargestellt wird, dem das additive Element X zugesetzt wird. Es sei angemerkt, dass es akzeptabel ist, dass das Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kristallstruktur eines Lithium-Verbundoxids aufweist, das durch LiMO2 dargestellt wird, und die Zusammensetzung ist nicht streng auf Li:M:O = 1:1:2 beschränkt.
  • Für das Übergangsmetall M und das additive Element X, die in dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 enthalten sind, und einen bevorzugten Anteil davon kann auf die Beschreibung der Ausführungsform 1 verwiesen werden.
  • <Elementverteilung>
  • Das additive Element X in dem Positivelektrodenaktivmaterial 100 weist vorzugsweise einen Konzentrationsgradienten auf. Insbesondere wird das additive Element X3 nach der Bildung des Verbundoxides 99 zugesetzt; deshalb gibt es eine Tendenz, dass das additive Element X3 einen Konzentrationsgradienten aufweist. Beispielsweise beinhaltet das Positivelektrodenaktivmaterial 100 vorzugsweise einen Oberflächenteil und einen Innenteil, und die Konzentration des additiven Elements X3 in dem Oberflächenteil ist vorzugsweise höher als diejenige in dem Innenteil.
  • Im Unterschiede zu dem Innenteil eines Kristalls befindet sich eine Teilchenoberfläche in einem Zustand, in dem die Bindung abgeschnitten ist und während der Ladung Lithium von der Oberfläche aus extrahiert wird; daher gibt es eine Tendenz, dass die Lithiumkonzentration in der Oberfläche niedriger wird als diejenige in dem Innenteil. Deshalb gibt es eine Tendenz, dass der Oberflächenteil unstabil ist, und es ist wahrscheinlich, dass seine Kristallstruktur gebrochen wird. Daher ist das additive Element X oder eine Verbindung (z. B. ein Oxid des additiven Elements X), das/die chemisch und strukturell stabiler ist als ein Lithium-Verbundoxid, das durch LiMO2 dargestellt wird, in dem Oberflächenteil enthalten, wodurch eine Veränderung der Kristallstruktur effektiv unterdrückt werden kann. Außerdem erhöht eine hohe Konzentration des additiven Elements X3 in dem Oberflächenteil vermutlich die Korrosionsbeständigkeit gegen Flusssäure, die durch Zersetzung der Elektrolytlösung erzeugt wird.
  • Wenn das Oberflächenteil eine Verbindung nur aus dem additiven Element X und Sauerstoff enthält, könnte ein Lithiumeinlagerungspfad/Lithiumextraktionspfad gesperrt werden. Daher muss der Oberflächenteil mindestens das Übergangsmetall M enthalten und in dem Entladezustand auch Lithium enthalten, um den Pfad, durch den Lithium eingelagert und extrahiert wird, zu umfassen. Außerdem ist in dem Oberflächenteil die Konzentration des Übergangsmetalls M vorzugsweise höher als die Konzentration des additiven Elements X.
  • Wenn das additive Element X auf die vorstehende Weise verteilt wird, kann die Verschlechterung des Positivelektrodenaktivmaterials 100 auf Grund der Ladung und Entladung verringert werden. Das heißt, dass die Verschlechterung einer Sekundärbatterie verhindert werden kann. Außerdem kann die Sekundärbatterie in hohem Maße sicher sein.
  • Es sei angemerkt, dass das Übergangsmetall M, besonders Kobalt und Nickel, vorzugsweise in dem gesamten Positivelektrodenaktivmaterial 100 gleichmäßig aufgelöst wird.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial 100 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Komposit des Positivelektrodenaktivmaterials sein, das eine Beschichtungsschicht umfasst, die mindestens einen Teil des Positivelektrodenaktivmaterials 100 bedeckt. Beispielsweise kann mindestens eines von Glas, einem Oxid und LiM2PO4 (M2 ist eines oder mehrere von Fe, Ni, Co und Mn) und dergleichen für die Beschichtungsschicht verwendet werden.
  • Als Glas, das in der Beschichtungsschicht des Komposits des Positivelektrodenaktivmaterials enthalten ist, kann ein Material mit einem amorphen Abschnitt verwendet werden. Beispiele für das Material mit einem amorphen Abschnitt umfassen ein Material, das mindestens eines von SiO2, SiO, Al2O3, TiO2, Li4SiO4, Li3PO4, Li2S, SiS2, B2S3, GeS4, AgI, Ag2O, Li2O, P2O5, B2O3, V2O5 und dergleichen enthält; Li7P3S11; und Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0 < x < 2, 0 < y < 3). Das Material mit einem amorphen Abschnitt kann in dem Zustand, in dem die Gesamtheit amorph ist, oder in dem Zustand von kristallisiertem Glas, das teilweise kristallisiert ist (auch als Glaskeramik bezeichnet), verwendet werden. Das Glas weist vorzugsweise eine Lithiumionen-Leitfähigkeit auf. Aufweisen der Lithiumionen-Leitfähigkeit kann auch als Aufweisen einer Diffusionseigenschaft von Lithiumionen und einer Durchgangseigenschaft von Lithiumionen betrachtet werden. Der Schmelzpunkt des Glases ist bevorzugt 800 °C oder niedriger, bevorzugter 500 °C oder niedriger. Glas weist vorzugsweise eine Elektronenleitfähigkeit auf. Des Weiteren weist Glas vorzugsweise einen Erweichungspunkt von 800 °C oder niedriger auf, und beispielsweise kann Glas auf Li2O-B2O3-SiO2-Basis verwendet werden.
  • Beispiele für das Oxid, das in der Beschichtungsschicht des Komposits des Positivelektrodenaktivmaterials enthalten ist, umfassen Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid und Nioboxid. Beispiele für LiM2PO4 ((M2 ist eines oder mehrere von Fe, Ni, Co und Mn), das in der Beschichtungsschicht des Komposits des Positivelektrodenaktivmaterials enthalten ist, umfassen LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4 (a+b ≤ 1, 0 < a < 1 und 0 < b < 1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4 (c+d+e ≤ 1, 0 < c < 1, 0 < d< 1 und 0 < e < 1) und LiFefNigCohMniPO4 (f+g+h+i ≤ 1, 0 < f < 1, 0 < g < 1, 0 < h < 1 und 0 < i < 1).
  • Ein Teilchenbildungsprozess kann durchgeführt werden, um die Beschichtungsschicht des Komposits des Positivelektrodenaktivmaterials auszubilden. Beispiele für den Teilchenbildungsprozess umfassen einen Teilchenbildungsprozess unter Nutzung der mechanischen Energie, wie z. B. einen mechanochemischen Prozess, einen Mechanofusion-Prozess und einen Kugelmühle-Prozess; einen Teilchenbildungsprozess unter Nutzung einer Flüssigphasenreaktion, wie z. B. einen Kopräzipitationsprozess, einen hydrothermalen Prozess und einen Sol-Gel-Prozess; und einen Teilchenbildungsprozess unter Nutzung einer Gasphasenreaktion, wie z. B. einen Trommelsputterprozess, einen Atomlagenabscheidungs- (atomic layer deposition, ALD-) Prozess, einen Verdampfungsprozess und einen chemischen Gasphasenabscheidungs- (chemical vapor deposition, CVD-) Prozess. Als Teilchenbildungsprozess kann mindestens eines der vorstehenden Beispiele durchgeführt werden. Beispielsweise kann Picobond von Hosokawa Micron Ltd. für den Teilchenbildungsprozess unter Verwendung der mechanischen Energie verwendet werden. Eine Wärmebehandlung wird in dem Teilchenbildungsprozess vorzugsweise einmal oder mehrmals durchgeführt.
  • <Tendenz, dass das additive Element X eine Nickelstelle besetzt>
  • Nachstehend wird ein Berechnungsergebnis beschrieben, das betrifft, ob Bor, Magnesium, Aluminium, Calcium, Titan, Gallium, Yttrium, Zirkonium, Niob, Lanthan und Hafnium des additiven Elements X stabil in einer Nickelstelle eines Lithium-Verbundoxides mit einer geschichteten Steinsalzstruktur, das durch LiMO2 dargestellt wird, existieren kann. Ergebnisse von Kobalt und Mangan werden ebenfalls als Referenz gezeigt.
  • Bei dieser Ausführungsform wird LiMO2 in Bezug auf die Stabilisierungsenergie als Ganzes ausgewertet. LiMO2 enthält Nickel, Kobalt und Mangan als Übergangsmetall M, in dem der Anteil an Nickel der höchste ist.
  • 11 zeigt ein Modell, das für die Berechnung verwendet wird. Es wird eine Veränderung der Energie zu dem Zeitpunkt berechnet, zu dem Nickel in einer Ersatzstelle 110, die in der Mitte des Modells dargestellt wird, durch ein anderes Metallelement ersetzt wird. Ein Metallelement, das mehr Stabilisierungsenergie aufweist, kann als Element, das leicht die Nickelstelle besetzt, bezeichnet werden.
  • Die Berechnungsbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
  • [Tabelle 1]
    Software VASP
    Funktional GGA+U (DFT-D2)
    Pseudopotential PAW
    Cut-off-Energie (eV) 600
    Atomanzahl 48 Li-Atome, 35 Ni-Atome, 6 Co-Atome, 6 Mn-Atome, 96 O-Atome, 1 Dotierelement
    K-Punkte 1×1×1
    Berechnungsziel Optimierung von Gitter und Atomposition
  • 12 zeigt die Berechnungsergebnisse. LS in 12 bedeutet einen niedrigen Spin. Die Energie ist dann, wenn Nickel beispielsweise durch eines von Bor, Aluminium, Titan, Gallium, Yttrium, Zirkonium, Niob, Lanthan und Hafnium ersetzt wird, stabiler als wenn Nickel nicht ersetzt wird oder Nickel durch Kobalt oder Mangan ersetzt wird.
  • <Wirkung zum Unterdrücken von Veränderung einer Oberflächenstruktur durch das additive Element X>
  • Als Nächstes wird ein Berechnungsergebnis einer Unterdrückung einer Veränderung einer Oberflächenstruktur in dem Fall, in dem Gallium, Aluminium, Magnesium und Calcium als additives Element X verwendet werden, beschrieben.
  • Es wird davon ausgegangen, dass es eine Tendenz gibt, dass in LiMO2 mit einem hohen Anteil an Nickel eine Kationenmischung, bei der Nickel eine Lithiumstelle besetzt, aufgrund der wiederholten Ladung und Entladung auftritt, und dass sich die Oberflächenstruktur daher zu Nickeloxid (NiO) verändert. Nickeloxid ist gegenüber einer Batteriereaktion inert. Deshalb ist es wichtig, die Veränderung der Oberflächenstruktur von LiMO2 zu NiO zu unterdrücken, um die Verschlechterung zu unterdrücken.
  • Bei dieser Ausführungsform wird die Berechnung von einem Anfangsmodell gestartet, das ein Zustand vor der Bewegung von Nickel zur Lithiumstelle (vor dem Ersatz) ist. Ein LiNiO2-Modell, in dem LiMO2 eine große Menge an Nickel aufweist, ist der Anfangszustand. Der Anfangszustand wird in 13A dargestellt, in der alle oktaedrische Stellen 108 von Lithium und Nickel besetzt werden.
  • Anschließend an den Anfangszustand ist eine Struktur, bei der sich Nickel zu einer tetraedrischen Stelle 104 in der Lithiumschicht bewegt hat, ein Zwischenzustand. Der Zwischenzustand wird in 13B dargestellt.
  • Eine Struktur, bei der die oktaedrische Stelle 108 von dem Nickel besetzt wird, ist ein Endzustand. Der Endzustand wird in 13C dargestellt.
  • Es sei angemerkt, dass die tetraedrische Stelle 104 vier ionisch gebundene Sauerstoffatome enthält und die oktaedrische Stelle 108 sechs ionisch gebundene Sauerstoffatome enthält.
  • Bei dieser Ausführungsform wird ausgewertet, wie es schwierig ist, die Veränderung der Struktur von dem Anfangszustand zum Zwischenzustand zu verursachen, wenn eine Nickelstelle durch das additive Element X ersetzt. 13D stellt ein Beispiel dar, in dem eine Nickelstelle, die durch die gestrichelte Linie dargestellt wird, durch Gallium ersetzt wird.
  • Die Berechnungsbedingungen sind in Tabelle 2 gezeigt. 14A und 14B stellen Berechnungsergebnisse des Anfangszustands bzw. des Zwischenzustands in dem Fall dar, in dem das additive Element X Gallium ist.
  • [Tabelle 2]
    Software VASP
    Funktional GGA+U (DFT-D2)
    Pseudopotential PAW
    Cut-off-Energie (eV) 600
    U-Potential Ni 5,26
    Atomanzahl 1 Li-Atom, 47 Ni-Atome, 96 O-Atome, 1 Dotierelement
    K-Punkte 1×1×1
    Berechnungsziel Optimierung von Gitter und Atomposition
  • In dem Anfangszustand in 14A und dem Zwischenzustand in 14B wird keine große Verzerrung um Gallium beobachtet, das die Nickelstelle besetzt, was zeigt, dass Gallium stabil die Nickelstelle besetzen kann.
  • Tabelle 3 zeigt Vergleichsergebnisse der Energiedifferenz zwischen dem Anfangszustand und dem Zwischenzustand mit dem additiven Element X oder ohne additives Element X.
  • [Tabelle 3]
    Ni (nicht ersetzt) Ca Ga Al Mg
    Bildungsenergie [eV] von Tetraeder 1,20 1,65 1,88 1,91 1,92
  • Wie in Tabelle 3 beobachtet, ist es herausgefunden worden, dass der Ersatz zwischen Nickel und Lithium in dem Fall, in dem das additive Element X, wie z. B. Calcium, Gallium, Aluminium und Magnesium, enthalten ist, im Vergleich zu dem Fall, in dem Nickel nicht ersetzt wird, kaum auftritt. Diese Wirkung ist in dem Fall, in dem Gallium, Aluminium und Magnesium verwendet werden, deutlicher.
  • Die vorstehenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kationenmischung unterdrückt wird, wenn Gallium, Aluminium oder Magnesium als additives Element X enthalten ist, was die Möglichkeit zeigt, dass die Verschlechterung des Positivelektrodenaktivmaterials 100 unterdrückt wird und die Kapazitätsretentionsrate verbessert wird.
  • Diese Ausführungsform kann in einer Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
  • (Ausführungsform 4)
  • Bei dieser Ausführungsform werden Beispiele für Formen von einigen Typen von Sekundärbatterien beschrieben, die ein Positivelektrodenaktivmaterial beinhalten, das durch das bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Herstellungsverfahren ausgebildet wird.
  • [Knopfzellen-Sekundärbatterie]
  • Ein Beispiel für eine Knopfzellen-Sekundärbatterie wird beschrieben. 15A, 15B und 15C sind eine perspektivische Explosionsdarstellung, eine Außenansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Knopfzellen- (einschichtigen flachen) Sekundärbatterie. Knopfzellen-Sekundärbatterien werden hauptsächlich in kleinen elektronischen Geräten verwendet. In dieser Beschreibung und dergleichen umfassen Münzzellen-Batterien Knopfzellen-Batterien.
  • Zum leichteren Verständnis ist 15A eine schematische Ansicht, die die Überlappung (eine vertikale Beziehung und eine Positionsbeziehung) zwischen Komponenten zeigt. Daher stimmen 15A und 15B nicht vollständig miteinander überein.
  • In 15A sind eine Positivelektrode 304, ein Separator 310, eine Negativelektrode 307, ein Abstandshalter 322 und eine Unterlegscheibe 312 überlagert. Sie sind mit einer Negativelektrodendose 302 und einer Positivelektrodendose 301 abgedichtet. Es sei angemerkt, dass eine Dichtung zur Abdichtung in 15A nicht dargestellt wird. Der Abstandshalter 322 und die Unterlegscheibe 312 werden bei der Verbindung der Positivelektrodendose 301 und der Negativelektrodendose 302 unter Druck verwendet, um die Innenseite zu schützen oder um die Position der Komponenten innerhalb der Dosen zu befestigen. Für den Abstandshalter 322 und die Unterlegscheibe 312 wird Edelstahl oder ein Isoliermaterial verwendet.
  • Die Positivelektrode 304 ist eine Schichtanordnung, in der eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 306 über einem Positivelektrodenstromkollektor 305 ausgebildet ist.
  • Um einen Kurzschluss zwischen der Positivelektrode und der Negativelektrode zu verhindern, werden der Separator 310 und ein ringförmiger Isolator 313 derart bereitgestellt, dass sie die Seitenfläche und die obere Oberfläche der Positivelektrode 304 bedecken. Der Separator 310 weist eine größere ebene Flächenausdehnung als diejenige der Positivelektrode 304 auf.
  • 15B ist eine perspektivische Ansicht einer fertiggestellten Knopfzellen-Sekundärbatterie.
  • Bei einer Knopfzellen-Sekundärbatterie 300 sind eine Positivelektrodendose 301, die auch als Positivelektrodenanschluss dient, und eine Negativelektrodendose 302, die auch als Negativelektrodenanschluss dient, durch eine Dichtung 303, die aus Polypropylen oder dergleichen besteht, voneinander isoliert und abgedichtet. Eine Positivelektrode 304 beinhaltet einen Positivelektrodenstromkollektor 305 und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 306, die in Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 305 bereitgestellt ist. Eine Negativelektrode 307 beinhaltet einen Negativelektrodenstromkollektor 308 und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 309, die in Kontakt mit dem Negativelektrodenstromkollektor 308 bereitgestellt ist. Die Negativelektrode 307 ist nicht auf diejenige mit einer mehrschichtigen Struktur beschränkt, und Lithiummetallfolie oder Lithium-Aluminium-Legierungsfolie kann verwendet werden.
  • Es sei angemerkt, dass nur eine Oberfläche von jeder der Positivelektrode 304 und der Negativelektrode 307, die für die Knopfzellen-Sekundärbatterie 300 verwendet werden, mit einer Aktivmaterialschicht versehen ist.
  • Für die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 kann ein Metall mit Korrosionsbeständigkeit gegenüber einem Elektrolyt, wie z. B. Nickel, Aluminium oder Titan, eine Legierung eines solchen Metalls oder eine Legierung eines solchen Metalls und eines weiteren Metalls (z. B. Edelstahl) verwendet werden. Die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 sind vorzugsweise mit Nickel, Aluminium oder dergleichen beschichtet, um beispielsweise eine Korrosion auf Grund des Elektrolyts zu verhindern. Die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 sind elektrisch mit der Positivelektrode 304 bzw. der Negativelektrode 307 verbunden.
  • Die Negativelektrode 307, die Positivelektrode 304 und der Separator 310 werden in die Elektrolytlösung eingetaucht. Dann werden, wie in 15C dargestellt, die Positivelektrode 304, der Separator 310, die Negativelektrode 307 und die Negativelektrodendose 302 in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet, wobei die Positivelektrodendose 301 unten positioniert wird, und die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 werden durch den Druck verbunden, wobei die Dichtung 303 dazwischen liegt. Auf diese Weise wird die Knopfzellen-Sekundärbatterie 300 hergestellt.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann die Knopfzellen-Sekundärbatterie 300 eine hohe Kapazität, eine hohe Lade- und Entladekapazität und eine ausgezeichnete Zyklusleistung aufweisen. Außerdem kann in dem Fall, in dem eine Sekundärbatterie, die eine Festelektrolytschicht beinhaltet, zwischen der Negativelektrode 307 und der Positivelektrode 304 bereitgestellt wird, der Separator 310 unnötig sein.
  • [Zylindrische Sekundärbatterie]
  • Ein Beispiel für eine zylindrische Sekundärbatterie wird anhand von 16A beschrieben. Eine zylindrische Sekundärbatterie 616 beinhaltet, wie in 16A dargestellt, eine Positivelektrodenkappe (Batteriedeckel) 601 an der obersten Oberfläche und eine Batteriedose (Außendose) 602 an der Seitenfläche und der nach unten weisenden Oberfläche. Die Positivelektrodenkappe 601 und die Batteriedose (Außendose) 602 sind durch eine Dichtung (Isolierdichtung) 610 voneinander isoliert.
  • 16B ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts der zylindrischen Sekundärbatterie. Die in 16B dargestellte zylindrische Sekundärbatterie beinhaltet die Positivelektrodenkappe (Batteriedeckel) 601 an der obersten Oberfläche und die Batteriedose (Außendose) 602 an der Seitenfläche und der nach unten weisenden Oberfläche. Die Positivelektrodenkappe 601 und die Batteriedose (Außendose) 602 sind durch die Dichtung (Isolierdichtung) 610 voneinander isoliert.
  • Innerhalb der Batteriedose 602, die eine hohle zylindrische Form aufweist, ist ein Batterieelement bereitgestellt, bei dem eine streifenförmige Positivelektrode 604 und eine streifenförmige Negativelektrode 606 gewickelt sind, wobei ein streifenförmiger Separator 605 dazwischen liegt. Obwohl nicht dargestellt, ist das Batterieelement um eine zentrale Achse gewickelt. Ein Ende der Batteriedose 602 ist geschlossen, und ihr anderes Ende ist geöffnet. Für die Batteriedose 602 kann ein Metall mit Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Elektrolytlösung wie z. B. Nickel, Aluminium oder Titan, eine Legierung eines derartigen Metalls oder eine Legierung aus einem derartigen Metall und einem weiteren Metall (z. B. Edelstahl) verwendet werden. Die Batteriedose 602 ist vorzugsweise mit Nickel, Aluminium oder dergleichen beschichtet, um eine Korrosion auf Grund der Elektrolytlösung zu verhindern. Innerhalb der Batteriedose 602 ist das Batterieelement, bei dem die Positivelektrode, die Negativelektrode und der Separator gewickelt sind, zwischen einem Paar von Isolierplatten 608 und 609 bereitgestellt, die einander zugewandt sind. Ferner ist die Innenseite der Batteriedose 602, die mit dem Batterieelement versehen ist, mit einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung (nicht dargestellt) gefüllt. Als nichtwässrige Elektrolytlösung kann eine Elektrolytlösung, die derjenigen der Knopfzellen-Sekundärbatterie ähnlich ist, verwendet werden.
  • Da die Positivelektrode und die Negativelektrode der zylindrischen Speicherbatterie gewickelt sind, sind vorzugsweise Aktivmaterialien an beiden Seiten der Stromkollektoren ausgebildet. Obwohl 16A bis 16D jeweils die Sekundärbatterie 616 darstellen, in der die Höhe des Zylinders größer ist als der Durchmesser des Zylinders, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Bei einer Sekundärbatterie kann der Durchmesser des Zylinders größer sein als die Höhe des Zylinders. Eine solche Struktur kann beispielsweise die Größe einer Sekundärbatterie verringern.
  • Das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 wird in der Positivelektrode 604 verwendet, wodurch die zylindrische Sekundärbatterie 616 eine hohe Kapazität, eine hohe Lade- und Entladekapazität und eine ausgezeichnete Zyklusleistung aufweisen kann.
  • Ein Positivelektrodenanschluss (Positivelektroden-Stromsammelleitung) 603 ist mit der Positivelektrode 604 verbunden, und ein Negativelektrodenanschluss (Negativelektroden-Stromsammelleitung) 607 ist mit der Negativelektrode 606 verbunden. Sowohl der Positivelektrodenanschluss 603 als auch der Negativelektrodenanschluss 607 können unter Verwendung eines Metallmaterials, wie z. B. Aluminium, ausgebildet werden. Der Positivelektroden-Anschluss 603 und der Negativelektrodenanschluss 607 sind an einem Sicherheitsventil-Mechanismus 613 bzw. am Boden der Batteriedose 602 widerstandsgeschweißt. Der Sicherheitsventil-Mechanismus 613 ist über ein positives Temperaturkoeffizienten- (positive temperature coefficient, PTC-) Element 611 mit der Positivelektrodenkappe 601 elektrisch verbunden. Der Sicherheitsventil-Mechanismus 613 trennt die elektrische Verbindung zwischen der Positivelektrodenkappe 601 und der Positivelektrode 604, wenn der Innendruck der Batterie einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Das PTC-Element 611, bei dem es sich um einen wärmeempfindlichen Widerstand handelt, dessen Widerstand sich mit dem Temperaturanstieg erhöht, schränkt die Strommenge durch Erhöhung des Widerstandes ein, um eine abnormale Wärmeerzeugung zu verhindern. Eine auf Bariumtitanat (BaTiO3) basierende Halbleiterkeramik oder dergleichen kann für das PTC-Element verwendet werden.
  • 16C stellt ein Beispiel für ein Energiespeichersystem 615 dar. Das Energiespeichersystem 615 beinhaltet eine Vielzahl von Sekundärbatterien 616. Die Positivelektroden der Sekundärbatterien sind in Kontakt mit den Leitern 624, die durch einen Isolator 625 isoliert sind, und elektrisch damit verbunden. Der Leiter 624 ist mit einer Steuerschaltung 620 über eine Leitung 623 elektrisch verbunden. Die Negativelektroden der Sekundärbatterien sind mit der Steuerschaltung 620 über eine Leitung 626 elektrisch verbunden. Als Steuerschaltung 620 kann beispielsweise eine Schutzschaltung zur Verhinderung der Überladung oder Überentladung verwendet werden.
  • 16D stellt ein Beispiel für das Energiespeichersystem 615 dar. Das Energiespeichersystem 615 beinhaltet eine Vielzahl von Sekundärbatterien 616, und die Vielzahl von Sekundärbatterien 616 ist zwischen einer leitfähigen Platte 628 und einer leitfähigen Platte 614 angeordnet. Die Vielzahl von Sekundärbatterien 616 ist mit der leitfähigen Platte 628 und der leitfähigen Platte 614 über eine Leitung 627 elektrisch verbunden. Die Vielzahl von Sekundärbatterien 616 kann zueinander parallel geschaltet oder in Reihe geschaltet sein oder kann in Reihe geschaltet sein, nachdem sie zueinander parallel geschaltet worden sind. Mit dem Energiespeichersystem 615, das die Vielzahl von Sekundärbatterien 616 beinhaltet, kann ein großer elektrischer Strom entnommen werden.
  • Die Vielzahl von Sekundärbatterien 616 kann in Reihe geschaltet werden, nachdem sie zueinander parallel geschaltet worden ist.
  • Eine Temperatursteuervorrichtung kann zwischen der Vielzahl von Sekundärbatterien 616 bereitgestellt sein. Wenn die Sekundärbatterien 616 überwärmt werden, können sie mit der Temperatursteuervorrichtung gekühlt werden, und wenn wohingegen die Sekundärbatterien 616 zu stark gekühlt werden, können sie mit der Temperatursteuervorrichtung erwärmt werden. Somit ist es weniger wahrscheinlich, dass die Leistung des Energiespeichersystems 615 durch die Außenlufttemperatur beeinflusst wird.
  • In 16D ist das Energiespeichersystem 615 über eine Leitung 621 und eine Leitung 622 elektrisch mit der Steuerschaltung 620 verbunden. Die Leitung 621 ist über die leitfähige Platte 628 elektrisch mit den Positivelektroden der Vielzahl von Sekundärbatterien 616 verbunden. Die Leitung 622 ist über die leitfähige Platte 614 elektrisch mit den Negativelektroden der Vielzahl von Sekundärbatterien 616 verbunden.
  • [Weitere Strukturbeispiele einer Sekundärbatterie]
  • Strukturbeispiele von Sekundärbatterien werden anhand von 17A bis 17C und 18A bis 18C beschrieben.
  • Eine in 17A dargestellte Sekundärbatterie 913 umfasst ein gewickeltes Teil 950, das mit einem Anschluss 951 und einem Anschluss 952 in einem Gehäuse 930 bereitgestellt ist. Das gewickelte Teil 950 wird in eine Elektrolytlösung innerhalb des Gehäuses 930 eingetaucht. Der Anschluss 952 ist in Kontakt mit dem Gehäuse 930. Durch Verwendung eines Isolators oder dergleichen wird der Kontakt zwischen dem Anschluss 951 und dem Gehäuse 930 verhindert. Es sei angemerkt, dass 17A der Einfachheit halber das Gehäuse 930, das in zwei Stücke geteilt ist, darstellt; bei der tatsächlichen Struktur ist jedoch das gewickelte Teil 950 mit dem Gehäuse 930 bedeckt und die Anschlüsse 951 und 952 erstrecken sich außerhalb des Gehäuses 930. Für das Gehäuse 930 kann ein Metallmaterial (z. B. Aluminium) oder ein Harzmaterial verwendet werden.
  • Es sei angemerkt, dass, wie in 17B gezeigt, das Gehäuse 930 in 17A unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien ausgebildet werden kann. Bei der Sekundärbatterie 913 in 17B sind beispielsweise ein Gehäuse 930a und ein Gehäuse 930b aneinander befestigt, und das gewickelte Teil 950 ist in einem Bereich, der von dem Gehäuse 930a und dem Gehäuse 930b umschlossen ist, angeordnet.
  • Für das Gehäuse 930a kann ein isolierendes Material, wie z. B. ein organisches Harz, verwendet werden. Wenn im Besonderen ein Material, wie z. B. ein organisches Harz, für die Seite, auf der eine Antenne ausgebildet ist, verwendet wird, kann verhindert werden, dass ein elektrisches Feld von der Sekundärbatterie 913 blockiert wird. Wenn ein elektrisches Feld von dem Gehäuse 930a nur unwesentlich blockiert wird, kann eine Antenne innerhalb des Gehäuses 930a angeordnet sein. Für das Gehäuse 930b kann beispielsweise ein Metallmaterial verwendet werden.
  • 17C stellt die Struktur des gewickelten Teils 950 dar. Das gewickelte Teil 950 beinhaltet eine Negativelektrode 931, eine Positivelektrode 932 und Separatoren 933. Das gewickelte Teil 950 wird durch Aufwickeln einer Folie einer Schichtanordnung erhalten, in der sich die Negativelektrode 931 und die Positivelektrode 932 überlappen, wobei der Separator 933 dazwischen liegt. Außerdem kann eine Vielzahl von Schichtanordnungen, die jeweils die Negativelektrode 931, die Positivelektrode 932 und die Separatoren 933 beinhalten, überlagert werden.
  • Wie in 18A bis 18C dargestellt, kann die Sekundärbatterie 913 ein gewickeltes Teil 950a beinhalten. Das in 18A dargestellte gewickelte Teil 950a beinhaltet die Negativelektrode 931, die Positivelektrode 932 und die Separatoren 933. Die Negativelektrode 931 beinhaltet eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 931a. Die Positivelektrode 932 beinhaltet eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 932a.
  • Das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 wird in der Positivelektrode 932 verwendet, wodurch die Sekundärbatterie 913 eine hohe Kapazität, eine hohe Lade- und Entladekapazität und eine ausgezeichnete Zyklusleistung aufweisen kann.
  • Der Separator 933 weist eine größere Breite als die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 931a und die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 932a auf und ist derart gewickelt, dass er sich mit der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 931a und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 932a überlappt. Im Hinblick der Sicherheit ist die Breite der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 931a vorzugsweise größer als diejenige der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 932a. Das gewickelte Teil 950a mit einer solchen Form wird auf Grund seines hohen Sicherheitsgrads und seiner hohen Produktivität bevorzugt.
  • Wie in 18B dargestellt, ist die Negativelektrode 931 mit dem Anschluss 951 elektrisch verbunden. Der Anschluss 951 ist mit einem Anschluss 911a elektrisch verbunden. Die Positivelektrode 932 ist mit dem Anschluss 952 elektrisch verbunden. Der Anschluss 952 ist mit einem Anschluss 911b elektrisch verbunden.
  • Wie in 18C dargestellt, werden das gewickelte Teil 950a und eine Elektrolytlösung mit dem Gehäuse 930 bedeckt, wodurch die Sekundärbatterie 913 erhalten wird. Das Gehäuse 930 wird vorzugsweise mit einem Sicherheitsventil, einem Überstromschutzelement und dergleichen bereitgestellt. Ein Sicherheitsventil ist ein Ventil, das durch einen vorbestimmten Innendruck des Gehäuses 930 ausgelöst wird, um die Explosion der Batterie zu verhindern.
  • Wie in 18B dargestellt, kann die Sekundärbatterie 913 eine Vielzahl von gewickelten Teilen 950a beinhalten. Die Verwendung der Vielzahl von gewickelten Teilen 950a ermöglicht, dass die Sekundärbatterie 913 eine höhere Lade- und Entladekapazität aufweist. Für die weiteren Komponenten der Sekundärbatterie 913 in 18A und 18B kann auf die Beschreibung der Sekundärbatterie 913 in 17A bis 17C verwiesen werden.
  • <Laminierte Sekundärbatterie>
  • Als Nächstes werden Beispiele für das Aussehen einer laminierten Sekundärbatterie in 19A und 19B gezeigt. 19A und 19B stellen jeweils eine Positivelektrode 503, eine Negativelektrode 506, einen Separator 507, ein Außenteil 509, eine Positivelektrodenanschlusselektrode 510 und eine Negativelektrodenanschlusselektrode 511 dar.
  • 20A stellt Außenansichten der Positivelektrode 503 und der Negativelektrode 506 dar. Die Positivelektrode 503 beinhaltet einen Positivelektrodenstromkollektor 501, und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 502 ist an einer Oberfläche des Positivelektrodenstromkollektors 501 ausgebildet. Die Positivelektrode 503 umfasst auch einen Bereich, in dem ein Teil des Positivelektrodenstromkollektors 501 freiliegt (nachstehend als Tab-Bereich (tab region) bezeichnet). Die Negativelektrode 506 beinhaltet einen Negativelektrodenstromkollektor 504, und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 505 ist an einer Oberfläche des Negativelektrodenstromkollektors 504 ausgebildet. Die Negativelektrode 506 umfasst auch einen Bereich, in dem der Negativelektrodenstromkollektor 504 teilweise freiliegt, d. h. einen Tab-Bereich. Die Flächen und die Formen der Tab-Bereiche in der Positivelektrode und der Negativelektrode sind nicht auf diejenigen in dem in 20A dargestellten Beispiel beschränkt.
  • <Herstellungsverfahren der laminierten Sekundärbatterie>
  • Ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren der laminierten Sekundärbatterie mit dem Aussehen, das in 19A dargestellt wird, wird hier anhand von 20B und 20C beschrieben.
  • Zuerst werden die Negativelektrode 506, der Separator 507 und die Positivelektrode 503 übereinander angeordnet. 20B stellt die Schichtanordnung dar, die die Negativelektrode 506, den Separator 507 und die Positivelektrode 503 umfasst. Die Sekundärbatterie in diesem Beispiel beinhaltet fünf Negativelektroden und vier Positivelektroden. Die Komponente in dieser Phase kann auch als Schichtanordnung bezeichnet werden, die die Negativelektroden, die Separatoren und die Positivelektroden beinhaltet. Die Tab-Bereiche der Positivelektroden 503 werden dann miteinander verbunden, und die Positivelektrodenanschlusselektrode 510 wird an dem Tab-Bereich der auf der äußersten Oberfläche liegenden Positivelektrode befestigt. Das Verbinden kann beispielsweise durch Ultraschallschweißen durchgeführt werden. Auf ähnliche Weise werden die Tab-Bereiche der Negativelektroden 506 miteinander verbunden, und die Negativelektrodenanschlusselektrode 511 wird an dem Tab-Bereich der auf der äußersten Oberfläche liegenden Negativelektrode befestigt.
  • Dann werden die Negativelektroden 506, die Separatoren 507 und die Positivelektroden 503 über dem Außenteil 509 angeordnet.
  • Das Außenteil 509 wird als Nächstes entlang einer gestrichelten Linie zugeklappt, wie in 20C dargestellt. Danach werden die Außenkanten des Außenteils 509 miteinander verbunden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Thermokompression durchgeführt werden. Dabei bleibt ein Teil (oder eine Seite) des Außenteils 509 unverbunden (um einen Einlass bereitzustellen), so dass die Elektrolytlösung 508 später eingeleitet werden kann.
  • Als Nächstes wird die Elektrolytlösung 508 (nicht dargestellt) durch den Einlass des Außenteils 509 in das Außenteil 509 eingeleitet. Die Elektrolytlösung 508 wird vorzugsweise in einer Atmosphäre mit reduziertem Druck oder in einer Inertatmosphäre eingeleitet. Schließlich wird der Einlass durch Verbinden abgedichtet. Auf diese Weise kann die laminierte Sekundärbatterie 500 hergestellt werden.
  • Das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 wird in den Positivelektroden 503 verwendet, wodurch die Sekundärbatterie 500 eine hohe Kapazität, eine hohe Lade- und Entladekapazität und eine ausgezeichnete Zyklusleistung aufweisen kann.
  • [Beispiele für Batteriepack]
  • Beispiele für ein Sekundärbatteriepack einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur drahtlosen Ladung unter Verwendung einer Antenne geeignet ist, werden anhand von 21A bis 21C beschrieben.
  • 21A stellt das Aussehen eines Sekundärbatteriepacks 531 dar, das eine rechteckige feste Form mit einer kleinen Dicke (auch als flache Plattenform mit einer bestimmten Dicke bezeichnet) aufweist. 21B stellt die Struktur der Sekundärbatteriepack 531 dar. Die Sekundärbatteriepack 531 beinhaltet eine Leiterplatte 540 und eine Sekundärbatterie 513. Ein Etikett 529 ist an der Sekundärbatterie 513 angebracht. Die Leiterplatte 540 wird durch ein Dichtungsmittel 515 befestigt. Die Sekundärbatteriepack 531 beinhaltet auch eine Antenne 517.
  • In Bezug auf die Innenstruktur der Sekundärbatterie 513 kann die Sekundärbatterie 513 ein gewickeltes Teil oder eine Schichtanordnung beinhalten.
  • Bei dem Sekundärbatteriepack 531 wird, wie in 21B dargestellt, beispielsweise eine Steuerschaltung 590 über der Leiterplatte 540 bereitgestellt. Die Leiterplatte 540 ist elektrisch mit einem Anschluss 514 verbunden. Außerdem ist die Leiterplatte 540 elektrisch mit der Antenne 517 und einem Positivelektrodenanschluss und einem Negativelektrodenanschluss 551 und 552 der Sekundärbatterie 513 verbunden.
  • Alternativ können, wie in 21C dargestellt, ein Schaltungssystem 590a, das über der Leiterplatte 540 bereitgestellt ist, und ein Schaltungssystem 590b, das mit der Leiterplatte 540 über den Anschluss 514 elektrisch verbunden ist, enthalten sein.
  • Es sei angemerkt, dass die Form der Antenne 517 nicht auf die Form einer Spule beschränkt ist und beispielsweise eine lineare Form oder eine Plattenform sein kann. Darüber hinaus kann eine planare Antenne, eine Aperturantenne, eine Wanderwellenantenne (traveling-wave antenna), eine EH-Antenne, eine magnetische Feld-Antenne (magnetic-field antenna), eine dielektrische Antenne oder dergleichen verwendet werden. Alternativ kann die Antenne 517 ein flacher Leiter sein. Der flache Leiter kann als ein Leiter für elektrische Feldkopplung dienen. Das heißt, dass die Antenne 517 als einer von zwei Leitern eines Kondensators dienen kann. Elektrische Energie kann daher nicht nur durch ein elektromagnetisches Feld oder ein magnetisches Feld, sondern auch durch ein elektrisches Feld übertragen und empfangen werden.
  • Das Sekundärbatteriepack 531 beinhaltet eine Schicht 519 zwischen der Antenne 517 und der Sekundärbatterie 513. Die Schicht 519 weist beispielsweise eine Funktion auf, ein elektromagnetisches Feld von der Sekundärbatterie 513 zu blockieren. Als Schicht 519 kann beispielsweise ein magnetisches Material verwendet werden.
  • [Positivelektrode]
  • Die Positivelektrode beinhaltet eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht und einen Positivelektrodenstromkollektor. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht enthält ein Positivelektrodenaktivmaterial, und sie kann ein leitendes Material und ein Bindemittel enthalten. Als Positivelektrodenaktivmaterial wird das Positivelektrodenaktivmaterial, das durch eines der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Herstellungsverfahren ausgebildet wird, verwendet.
  • Das bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Positivelektrodenaktivmaterial und ein anderes Positivelektrodenaktivmaterial können gemischt verwendet werden.
  • Weitere Beispiele für das Positivelektrodenaktivmaterial umfassen ein Verbundoxid mit einer Olivin-Kristallstruktur, ein Verbundoxid mit einer geschichteten Steinsalzkristallstruktur und ein Verbundoxid mit einer Spinellkristallstruktur. Beispielsweise kann eine Verbindung, wie z. B. LiFePO4, LiFeO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5 oder MnO2, verwendet werden.
  • Als weiteres Positivelektrodenaktivmaterial wird vorzugsweise Lithiumnickeloxid (LiNiO2 oder LiNi1-xMxO2 (0 < x < 1) (M = Co, Al oder dergleichen)) mit einem lithiumhaltigen Material, das eine Spinellkristallstruktur aufweist und Mangan enthält, wie z. B. LiMn2O4, gemischt. Diese Zusammensetzung kann die Eigenschaften der Sekundärbatterie verbessern.
  • Ein weiteres Beispiel für das Positivelektrodenaktivmaterial ist ein Lithium-Mangan-Verbundoxid, das durch eine Zusammensetzungsformel LiaMnbMcOd dargestellt werden kann. Hier ist das Element M bevorzugt Silizium, Phosphor oder ein Metallelement, das sich von Lithium und Mangan unterscheidet, und bevorzugter Nickel. In dem Fall, in dem die gesamten Teilchen eines Lithium-Mangan-Verbundoxides gemessen werden, wird vorzugsweise zu dem Zeitpunkt der Entladung das Folgende erfüllt: 0 < a/(b+c) < 2; c > 0; und 0,26 ≤ (b+c)/d < 0,5. Es sei angemerkt, dass die Anteile von Metallen, Silizium, Phosphor und anderen Elementen in den gesamten Teilchen eines Lithium-Mangan-Verbundoxides beispielsweise mit einem Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) gemessen werden können. Der Anteil an Sauerstoff in den gesamten Teilchen eines Lithium-Mangan-Verbundoxides kann beispielsweise durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) gemessen werden. Alternativ kann der Anteil an Sauerstoff durch ICP-MS gemessen werden, das mit einer Fusions-Gasanalyse und einer Valenzbewertung einer Röntgenabsorptions-Feinstruktur- (X-ray absorption fine structure, XAFS-) Analyse kombiniert wird. Es sei angemerkt, dass das Lithium-Mangan-Verbundoxid ein Oxid ist, das mindestens Lithium und Mangan enthält, und mindestens eines enthalten kann, das aus Chrom, Kobalt, Aluminium, Nickel, Eisen, Magnesium, Molybdän, Zink, Indium, Gallium, Kupfer, Titan, Niob, Silizium, Phosphor und dergleichen ausgewählt wird.
  • <leitendes Material>
  • Ein leitendes Material wird auch als Leitfähigkeit verleihendes Mittel und leitfähiges Additiv bezeichnet, und ein Kohlenstoffmaterial wird als leitendes Material verwendet. Ein leitfähiges Additiv wird zwischen einer Vielzahl von Aktivmaterialien angebracht, wodurch die Vielzahl von Aktivmaterialien miteinander elektrisch verbunden wird und die Leitfähigkeit erhöht wird. Es sei angemerkt, dass der Begriff „anbringen“ nicht nur einen Zustand, in dem ein Aktivmaterial und ein leitfähiges Additiv physikalisch in engem Kontakt miteinander sind, bezeichnet und beispielsweise die folgenden Konzepte umfasst: der Fall, in dem eine kovalente Bindung auftritt, der Fall, in dem eine Bindung mit der Van der Waals-Kraft auftritt, der Fall, in dem ein leitfähiges Additiv einen Teil der Oberfläche eines Aktivmaterials bedeckt, der Fall, in dem ein leitfähiges Additiv in der Oberflächenrauheit eines Aktivmaterials eingebettet wird, und der Fall, in dem ein Aktivmaterial und ein leitendes Material miteinander elektrisch verbunden werden, ohne miteinander in Kontakt zu sein.
  • Typische Beispiele für das Kohlenstoffmaterial, das als leitendes Material verwendet wird, umfassen Kohlenschwarz (z. B. Furnaceruß, Acetylenruß und Graphit).
  • Insbesondere wird Graphen oder eine Graphen-Verbindung vorzugsweise als leitendes Material verwendet.
  • Eine Graphen-Verbindung in dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet mehrschichtiges Graphen, Multi-Graphen, Graphenoxid, mehrschichtiges Graphenoxid, Multi-Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, reduziertes mehrschichtiges Graphenoxid, reduziertes Multi-Graphenoxid, Graphen-Quantenpunkte und dergleichen. Eine Graphen-Verbindung enthält Kohlenstoff, weist eine plattenartige Form, eine blattartige Form oder dergleichen auf und weist eine zweidimensionale Struktur auf, die von sechsgliedrigen Ringen von Kohlenstoffatomen ausgebildet wird. Die zweidimensionale Struktur, die von dem sechsgliedrigen Ring, der aus Kohlenstoffatomen besteht, gebildet wird, kann als Kohlenstoffblatt bezeichnet werden. Eine Graphen-Verbindung kann eine funktionelle Gruppe umfassen. Die Graphen-Verbindung ist vorzugsweise gebogen. Eine Graphen-Verbindung kann wie Kohlenstoffnanoröhre gerundet sein.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen enthält Graphenoxid Kohlenstoff und Sauerstoff, weist eine blattartige Form auf und umfasst eine funktionelle Gruppe, insbesondere eine Epoxidgruppe, eine Carboxygruppe oder eine Hydroxylgruppe.
  • Reduziertes Graphenoxid enthält in dieser Beschreibung und dergleichen Kohlenstoff und Sauerstoff, weist eine blattartige Form auf und weist eine zweidimensionale Struktur auf, die von einem sechsgliedrigen Ring, der aus Kohlenstoffatomen besteht, gebildet wird. Eine Graphen-Verbindung kann auch als Kohlenstoffplatte bezeichnet werden. Das reduzierte Graphenoxid funktioniert von selbst und kann eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Das reduzierte Graphenoxid umfasst vorzugsweise einen Abschnitt, in dem die Kohlenstoffkonzentration höher als 80 Atom-% ist und die Sauerstoffkonzentration höher als oder gleich 2 Atom-% und niedriger als oder gleich 15 Atom-% ist. Mit einer derartigen Kohlenstoffkonzentration und einer derartigen Sauerstoffkonzentration kann das reduzierte Graphenoxid selbst dann, wenn die Menge gering ist, als leitendes Material mit hoher Leitfähigkeit funktionieren. Außerdem ist das Intensitätsverhältnis G/D von einem G-Band zu einem D-Band des Raman-Spektrums des reduzierten Graphenoxides vorzugsweise 1 oder mehr. Das reduzierte Graphenoxid mit einem derartigen Intensitätsverhältnis kann selbst dann, wenn die Menge gering ist, als leitendes Material mit hoher Leitfähigkeit funktionieren.
  • Das Graphen und die Graphen-Verbindung können ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, d. h. eine hohe Leitfähigkeit, sowie ausgezeichnete physikalische Eigenschaften, d. h. eine hohe Flexibilität und eine hohe mechanische Festigkeit, aufweisen. Das Graphen und die Graphen-Verbindung weisen eine blattartige Form auf. Das Graphen und die Graphen-Verbindung weisen in einigen Fällen eine gekrümmte Oberfläche auf, wodurch ein niederohmiger Oberflächenkontakt erzielt wird. Des Weiteren weisen das Graphen und die Graphen-Verbindung in einigen Fällen selbst mit geringer Dicke eine sehr hohe Leitfähigkeit auf, wobei in diesem Fall ein Leitungspfad mit einer kleinen Menge des Graphens und der Graphen-Verbindung effizient in einer Aktivmaterialschicht ausgebildet werden kann. Somit kann die Verwendung des Graphens oder der Graphen-Verbindung als leitendes Material die Fläche erhöhen, in der das Aktivmaterial und das leitende Material in Kontakt miteinander sind. Das Graphen oder die Graphen-Verbindung bedeckt vorzugsweise 80 % oder mehr der Fläche des Aktivmaterials. Es sei angemerkt, dass das Graphen oder die Graphen-Verbindung vorzugsweise mindestens an einem Teil eines Aktivmaterialteilchens haftet. Das Graphen oder eine Graphen-Verbindung überlagert vorzugsweise mindestens einen Teil eines Aktivmaterialteilchens. Die Form des Graphens oder der Graphen-Verbindung stimmt vorzugsweise mindestens mit einem Teil der Form des Aktivmaterialteilchens überein. Die Form eines Aktivmaterialteilchens bedeutet beispielsweise eine Unebenheit eines einzigen Aktivmaterialteilchens oder eine Unebenheit, die von einer Vielzahl von Aktivmaterialteilchen gebildet wird. Das Graphen oder die Graphen-Verbindung umschließt vorzugsweise mindestens einen Teil eines Aktivmaterialteilchens. Das Graphen oder die Graphen-Verbindung kann ein Loch aufweisen.
  • In dem Fall, in dem Aktivmaterialteilchen mit einem kleinen Durchmesser (z. B. 1 µm oder kleiner) verwendet werden, ist die spezifische Flächenausdehnung der Aktivmaterialteilchen groß, und daher werden mehr Leitungspfade für die Aktivmaterialteilchen benötigt. In einem derartigen Fall wird es insbesondere bevorzugt, dass Graphen oder eine Graphen-Verbindung, das/die selbst mit einer geringen Menge effizient einen Leitungspfad bilden kann, verwendet wird.
  • Es ist besonders effektiv, eine Graphen-Verbindung, die die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist, als leitendes Material einer Sekundärbatterie, bei der eine schnelle Ladung und Entladung erforderlich ist, zu verwenden. Für eine Sekundärbatterie für ein zwei- oder vierrädriges Fahrzeug, eine Sekundärbatterie für eine Drohne oder dergleichen sind beispielsweise in einigen Fällen schnelle Lade- und Entladeeigenschaften erforderlich. Für ein mobiles elektronisches Gerät oder dergleichen sind in einigen Fällen schnelle Ladeeigenschaften erforderlich. Für ein mobiles elektronisches Gerät oder dergleichen sind in einigen Fällen schnelle Ladeeigenschaften erforderlich. Eine schnelle Ladung und Entladung kann auch als Ladung und Entladung bei hoher Rate, z. B. bei 1 C, 2 C oder 5 C oder mehr, bezeichnet werden.
  • Ein Material, das bei der Ausbildung von Graphen oder der Graphen-Verbindung verwendet wird, kann mit Graphen oder der Graphen-Verbindung gemischt werden, um für eine Aktivmaterialschicht 200 verwendet zu werden. Beispielsweise können Teilchen, die bei der Ausbildung von Graphen oder der Graphen-Verbindung als Katalysator verwendet werden, mit Graphen oder der Graphen-Verbindung gemischt werden. Als Beispiel für den Katalysator, der bei der Ausbildung von Graphen oder der Graphen-Verbindung verwendet wird, können Teilchen, die ein beliebiges von Siliziumoxid (SiO2 oder SiOx (x < 2)), Aluminiumoxid, Eisen, Nickel, Ruthenium, Iridium, Platin, Kupfer, Germanium und dergleichen enthalten, angegeben werden. Der mittlere Durchmesser (D50) der Teilchen ist bevorzugt kleiner als oder gleich 1 µm, bevorzugter kleiner als oder gleich 100 nm.
  • <Bindemittel>
  • Als Bindemittel wird vorzugsweise zum Beispiel ein Gummimaterial, wie z. B. Styrol-Butadien-Kautschuk (styrene-butadiene rubber, SBR), Styrol-Isopren-Styrol-Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Butadien-Kautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer, verwendet. Alternativ kann Fluorkautschuk als Bindemittel verwendet werden.
  • Als Bindemittel werden vorzugsweise zum Beispiel wasserlösliche Polymere verwendet. Als wasserlösliche Polymere kann beispielsweise ein Polysaccharid verwendet werden. Beispiele für das Polysaccharid umfassen Cellulosederivate, wie z. B. Carboxymethylcellulose (CMC), Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose und regenerierte Cellulose, Stärke und dergleichen verwendet werden. Bevorzugter werden derartige wasserlösliche Polymere in Kombination mit einem der vorstehenden Gummimaterialien verwendet.
  • Alternativ wird als Bindemittel vorzugsweise ein Material, wie z. B. Polystyrol, Poly(methylacrylat), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Natriumpolyacrylat, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid, Polyimid, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN), Ethylen-Propylen-Dien-Polymer, Polyvinylacetat oder Nitrocellulose, verwendet.
  • Mindestens zwei der vorstehenden Materialien können in Kombination für das Bindemittel verwendet werden.
  • Beispielsweise können ein Material mit einer signifikanten Viskositätsmodifizierungswirkung und ein weiteres Material in Kombination verwendet werden. Beispielsweise weist ein Gummimaterial oder dergleichen eine hohe Adhäsion und eine hohe Elastizität auf, kann jedoch bei der Viskositätsmodifizierung Schwierigkeiten beim Mischen in einem Lösungsmittel aufweisen. In einem derartigen Fall wird zum Beispiel ein Gummimaterial oder dergleichen vorzugsweise mit einem Material gemischt, das eine signifikante Viskositätsmodifizierungswirkung aufweist. Als derartiges Material mit einer signifikanten Viskositätsmodifizierungswirkung wird vorzugsweise zum Beispiel ein wasserlösliches Polymer verwendet. Beispiele für das wasserlösliche Polymer mit einer signifikanten Viskositätsmodifizierungswirkung umfassen die vorstehend genannten Polysaccharide, wie z. B. ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose (CMC), Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose und regenerierte Cellulose, und eine Stärke.
  • Es sei angemerkt, dass ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose, eine höhere Löslichkeit erzielt, wenn es in ein Salz, wie z. B. ein Natriumsalz oder ein Ammoniumsalz von Carboxymethylcellulose, umgewandelt wird, und daher leicht eine Wirkung als Viskositätsmodifizierungsmittel zeigt. Eine hohe Löslichkeit kann ebenfalls beim Ausbilden eines Schlamms für eine Elektrode die Dispergierbarkeit eines Aktivmaterials und weiterer Komponenten erhöhen. In dieser Beschreibung umfassen Cellulose und ein Cellulosederivat, welche als Bindemittel einer Elektrode verwendet werden, Salze dieser.
  • Ein wasserlösliches Polymer stabilisiert die Viskosität, indem es im Wasser aufgelöst wird, und ermöglicht eine stabile Verteilung des Aktivmaterials und eines anderen Materials, das als Bindemittel kombiniert wird, wie z. B. Styrol-Butadien-Kautschuk, in einer wässrigen Lösung. Ferner wird erwartet, dass ein wasserlösliches Polymer leicht und stabil an eine Aktivmaterialoberfläche adsorbiert wird, da es eine funktionelle Gruppe aufweist. Viele Cellulosederivate, wie z. B. Carboxymethylcellulose, weisen eine funktionelle Gruppe auf, wie z. B. eine Hydroxylgruppe oder eine Carboxylgruppe. Aufgrund funktioneller Gruppen wird erwartet, dass Polymere miteinander wechselwirken und eine große Fläche einer Aktivmaterialoberfläche bedecken.
  • In dem Fall, in dem das Bindemittel, das die Aktivmaterialoberfläche bedeckt oder in Kontakt mit der Aktivmaterialoberfläche ist, einen Film bildet, wird erwartet, dass der Film auch als Passivierungsfilm dient, um die Zersetzung der Elektrolytlösung zu unterdrücken. Hier bezeichnet ein Passivierungsfilm einen Film ohne elektrische Leitfähigkeit oder einen Film mit einer sehr niedrigen elektrischen Leitfähigkeit, und der Passivierungsfilm kann beispielsweise in dem Fall, in dem der Passivierungsfilm an der Aktivmaterialoberfläche ausgebildet wird, die Zersetzung einer Elektrolytlösung auf einem Potential verhindern, auf dem eine Batteriereaktion auftritt. Vorzugsweise kann der Passivierungsfilm Lithiumionen leiten, während er die elektrische Leitfähigkeit unterdrückt.
  • <Positivelektrodenstromkollektor>
  • Der Positivelektrodenstromkollektor kann unter Verwendung eines Materials, das eine hohe Leitfähigkeit aufweist, ausgebildet werden, wie z. B. eines Metalls, wie Edelstahl, Gold, Platin, Aluminium oder Titan, oder einer Legierung davon. Es wird bevorzugt, dass sich ein Material, das für den Positivelektrodenstromkollektor verwendet wird, nicht auf dem Potential der Positivelektrode auflöst. Es ist auch möglich, eine Aluminiumlegierung zu verwenden, der ein Element zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit, wie z. B. Silizium, Titan, Neodym, Scandium oder Molybdän, zugesetzt ist. Ein Metallelement, das durch Reagieren mit Silizium Silizid bildet, kann verwendet werden. Beispiele für das Metallelement, das durch Reagieren mit Silizium Silizid bildet, umfassen Zirkonium, Titan, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Kobalt und Nickel. Der Positivelektrodenstromkollektor kann nach Bedarf eine folienartige Form, eine plattenartige Form, eine blattartige Form, eine netzartige Form, eine Stanzmetallform, eine Streckmetallform oder dergleichen aufweisen. Der Positivelektrodenstromkollektor weist vorzugsweise eine Dicke von größer als oder gleich 5 µm und kleiner als oder gleich 30 µm auf.
  • [Negativelektrode]
  • Die Negativelektrode beinhaltet eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht und einen Negativelektrodenstromkollektor. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht kann ein leitendes Material und ein Bindemittel enthalten.
  • Als Negativelektrodenaktivmaterial kann beispielsweise ein auf einer Legierung basierendes Material, ein auf Kohlenstoff basierendes Material oder eine Mischung davon verwendet werden.
  • Als Negativelektrodenaktivmaterial kann ein Element, das Lade- und Entladereaktionen durch Legierungs- und Entlegierungsreaktionen mit Lithium ermöglicht, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Material, das mindestens eines von Silizium, Zinn, Gallium, Aluminium, Germanium, Blei, Antimon, Bismut, Silber, Zink, Cadmium, Indium und dergleichen enthält, verwendet werden. Derartige Elemente weisen eine höhere Kapazität auf als Kohlenstoff. Im Besonderen weist Silizium eine hohe theoretische Kapazität von 4200 mAh/g auf. Aus diesem Grund wird Silizium vorzugsweise als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet. Alternativ kann eine Verbindung, die eines der vorstehenden Elemente enthält, verwendet werden. Beispiele für die Verbindung umfassen SiO, Mg2Si, Mg2Ge, SnO, SnO2, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb und SbSn. Dabei können ein Element, das Lade- und Entladereaktionen durch Legierungs- und Entlegierungsreaktionen mit Lithium ermöglicht, eine Verbindung, die das Element enthält, und dergleichen als auf einer Legierung basierendes Material bezeichnet werden.
  • In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet SiO beispielsweise Siliziummonoxid. SiO kann alternativ durch SiOx dargestellt werden. Hier weist x vorzugsweise 1 oder einen Annäherungswert von 1 auf. Zum Beispiel ist x vorzugsweise mehr als oder gleich 0,2 und weniger als oder gleich 1,5, bevorzugt mehr als oder gleich 0,3 und weniger als oder gleich 1,2.
  • Als auf Kohlenstoff basierendes Material kann Graphit, graphitierter Kohlenstoff (weicher Kohlenstoff), nicht graphitierter Kohlenstoff (harter Kohlenstoff), eine Kohlenstoffnanoröhre, Graphen, Kohlenschwarz oder dergleichen verwendet werden.
  • Beispiele für Graphit umfassen künstlichen Graphit und natürlichen Graphit. Beispiele für künstlichen Graphit umfassen meso-Kohlenstoff-Mikrokügelchen (mesocarbon microbeads, MCMB), auf Koks basierenden künstlichen Graphit (coke-based artificial graphite) und auf Pech basierenden künstlichen Graphit (pitch-based artificial graphite). Als künstlicher Graphit kann sphärischer Graphit mit einer sphärischen Form verwendet werden. Beispielsweise werden MCMB vorzugsweise verwendet, da sie in einigen Fällen eine sphärische Form aufweisen. Außerdem werden MCMB in einigen Fällen vorzugsweise verwendet werden, da sie relativ leicht eine kleine Flächenausdehnung aufweisen können. Beispiele für natürlichen Graphit umfassen Lamellengraphit und sphärischen natürlichen Graphit.
  • Graphit weist ein niedriges Potential, das im Wesentlichen gleich demjenigen eines Lithiummetalls ist, (höher als oder gleich 0,05 V und niedriger als oder gleich 0,3 V gegen Li/Li+) auf, wenn Lithiumionen in den Graphit eingeführt werden (während eine Lithium-Graphit-Einlagerungsverbindung (intercalation compound) erzeugt wird). Aus diesem Grund kann eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, bei der Graphit verwendet wird, eine hohe Betriebsspannung aufweisen. Zusätzlich wird Graphit beispielsweise hinsichtlich seiner Vorteile, d. h. seiner relativ hohen Kapazität pro Volumeneinheit, seiner relativ geringen Volumenausdehnung, seiner niedrigen Kosten und seines höheren Niveaus der Sicherheit als dasjenige eines Lithiummetalls, bevorzugt.
  • Als Negativelektrodenaktivmaterial kann ein Oxid, wie z. B. Titandioxid (TiO2), Lithiumtitanat (Li4Ti5O12), eine Lithium-Graphit-Einlagerungsverbindung (LixC6), Niobpentoxid (Nb2O5), Wolframoxid (WO2) oder Molybdänoxid (MoO2), verwendet werden.
  • Alternativ kann als Negativelektrodenaktivmaterial Li3-xMxN (M ist Co, Ni oder Cu) mit einer Li3N-Strukur, welches ein Nitrid ist, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, verwendet werden. Zum Beispiel wird Li2,6Co0,4N3 aufgrund seiner hohen Lade- und Entladekapazität (900 mAh/g und 1890 mAh/cm3) bevorzugt.
  • Ein Nitrid, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, wird vorzugsweise verwendet, wobei in diesem Fall Lithiumionen in dem Negativelektrodenaktivmaterial enthalten sind und deswegen das Negativelektrodenaktivmaterial in Kombination mit einem Positivelektrodenaktivmaterial, das keine Lithiumionen enthält, wie z. B. V2O5 oder Cr3O3, verwendet werden kann. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem ein Material, das Lithiumionen enthält, als Positivelektrodenaktivmaterial verwendet wird, das Nitrid, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden kann, indem die in dem Positivelektrodenaktivmaterial enthaltenen Lithiumionen im Voraus extrahiert werden.
  • Alternativ kann ein Material, das eine Konversionsreaktion bewirkt, als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Beispielsweise kann ein Übergangsmetalloxid, das keine Legierung mit Lithium bildet, wie z. B. Kobaltoxid (CoO), Nickeloxid (NiO) und Eisenoxid (FeO), für das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Weitere Beispiele für das Material, das eine Konversionsreaktion bewirkt, umfassen Oxide, wie z. B. Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2 und Cr2O3, Sulfide, wie z. B. CoS0,89, NiS und CuS, Nitride, wie z. B. Zn3N2, Cu3N und Ge3N4, Phosphide, wie z. B. NiP2, FeP2 und CoP3, und Fluoride, wie z. B. FeF3 und BiF3.
  • Für das leitende Material und das Bindemittel, die in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht enthalten sein können, können Materialien verwendet werden, die denjenigen des leitenden Materials und des Bindemittels ähnlich sind, die in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht enthalten sein können.
  • Für den Negativelektrodenstromkollektor kann Kupfer oder dergleichen zusätzlich zu einem Material verwendet werden, das demjenigen für den Positivelektrodenstromkollektor ähnlich ist. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise ein Material, das nicht mit Ladungsträgerionen von Lithium oder dergleichen legiert wird, für den Negativelektrodenstromkollektor verwendet wird.
  • [Elektrolytlösung]
  • Als ein Modus des Elektrolyts kann eine Elektrolytlösung, die ein Lösungsmittel und einen in dem Lösungsmittel aufgelösten Elektrolyt enthält, verwendet werden. Als Lösungsmittel der Elektrolytlösung wird vorzugsweise ein aprotisches organisches Lösungsmittel verwendet. Zum Beispiel kann eines von Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat, Chlorethylencarbonat, Vinylencarbonat, γ-Butyroiacton, γ-Vaieroiacton, Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformat, Methylacetat, Ethylacetat, Methylpropionat, Ethylpropionat, Propylpropionat, Methylbutyrat, 1,3-Dioxan, 1,4-Dioxan, Dimethoxyethan (DME), Dimethylsulfoxid, Diethylether, Methyldiglyme, Acetonitril, Benzonitril, Tetrahydrofuran, Sulfolan und Sulton verwendet werden, oder zwei oder mehr von diesen Lösungsmitteln können in einer geeigneten Kombination in einem geeigneten Verhältnis verwendet werden.
  • Alternativ kann die Verwendung einer oder mehrerer Arten von ionischen Flüssigkeiten (bei Raumtemperatur geschmolzenen Salzen), die Eigenschaften von Nicht-Entflammbarkeit und Nicht-Flüchtigkeit aufweisen, als Lösungsmittel der Elektrolytlösung verhindern, dass eine Sekundärbatterie explodiert und Feuer fängt, selbst wenn die Sekundärbatterie innen kurzgeschlossen wird oder die Innentemperatur wegen eines Überladens oder dergleichen ansteigt. Eine ionische Flüssigkeit enthält ein Kation und ein Anion, insbesondere ein organisches Kation und ein Anion. Beispiele für das organische Kation, das für die Elektrolytlösung verwendet wird, umfassen aliphatische Oniumkationen, wie z. B. ein quaternäres Ammoniumkation, ein tertiäres Sulfoniumkation und ein quaternäres Phosphoniumkation, und aromatische Kationen, wie z. B. ein Imidazoliumkation und ein Pyridiniumkation. Beispiele für das Anion, das für die Elektrolytlösung verwendet wird, umfassen ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion, ein Perfluoralkylsulfonatanion, ein Tetrafluorboratanion, ein Perfluoralkylboratanion, ein Hexafluorphosphatanion und ein Perfluoralkylphosphatanion.
  • Als Elektrolyt, der in dem vorstehend beschriebenen Lösungsmittel aufgelöst wird, kann eines von Lithiumsalzen, wie z. B. LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, Lil, Li2SO4, Li2B10Cl10 Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2)(CF3SO2), LiN(C2F5SO2)2 und Lithium-Bis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2, LiBOB) verwendet werden, oder zwei oder mehr dieser Lithiumsalze können in geeigneter Kombination in einem geeigneten Verhältnis verwendet werden.
  • Die Elektrolytlösung, die für die Energiespeichervorrichtung verwendet wird, ist vorzugsweise eine hoch gereinigte Elektrolytlösung mit nur einer geringen Menge an Staubpartikeln und anderen Elementen als die Bestandselemente der Elektrolytlösung (nachstehend auch einfach als Verunreinigungen bezeichnet). Insbesondere ist das Gewichtsverhältnis von Verunreinigungen zu der Elektrolytlösung bevorzugt weniger als oder gleich 1 %, bevorzugter weniger als oder gleich 0,1 %, noch bevorzugter weniger als oder gleich 0,01 %.
  • Ferner kann ein Additivmittel, wie z. B. Vinylencarbonat, Propansulton (PS), tert-Butylbenzol (TBB), Fluorethylencarbonat (FEC), Lithium-Bis(oxalat)borat (LiBOB) oder eine Dinitrilverbindung, wie Succinonitril oder Adiponitril, der Elektrolytlösung zugesetzt werden. Die Konzentration eines solchen Additivmittels in der Lösung, in der ein Elektrolyt aufgelöst ist, ist beispielsweise höher als oder gleich 0,1 Gew.-% und niedriger als oder gleich 5 Gew.-%.
  • Alternativ kann ein Polymer-Gel-Elektrolyt verwendet werden, der erhalten wird, indem ein Polymer mit einer Elektrolytlösung gequollen wird.
  • Wenn ein Polymer-Gel-Elektrolyt verwendet wird, wird die Sicherheit gegen eine Flüssigkeitsleckage und dergleichen verbessert. Darüber hinaus kann die Sekundärbatterie dünner und leichter sein.
  • Als Polymer, das einer Gelierung unterzogen wird, kann ein Silikongel, ein Acrylgel, ein Acrylnitrilgel, ein Gel auf Polyethylenoxidbasis, ein Gel auf Polypropylenoxidbasis, ein Polymergel auf Fluorbasis oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Polymer mit einer Polyalkylenoxid-Struktur, wie z. B. Polyethylenoxid (PEO), PVDF, Polyacrylnitril oder ein Copolymer, das eines von ihnen enthält, verwendet werden. Beispielsweise kann PVDF-HFP, das ein Copolymer von PVDF und Hexafluorpropylen (HFP) ist, verwendet werden. Das gebildete Polymer kann porös sein.
  • [Separator]
  • Der Separator kann beispielsweise unter Verwendung von einer Cellulose enthaltenden Faser, wie z. B. Papier, Vliesstoff, Glasfasern, Keramik oder Kunstfasern, welche Nylon (Polyamid), Vinylon (auf Polyvinylalkohol basierende Faser), Polyester, Acryl, Polyolefin oder Polyurethan enthalten, ausgebildet werden.
  • Der Separator kann eine mehrschichtige Struktur aufweisen. Zum Beispiel kann ein organischer Materialfilm aus Polypropylen, Polyethylen oder dergleichen mit einem Material auf Keramikbasis, einem Material auf Fluorbasis, einem Material auf Polyamidbasis, einer Mischung davon oder dergleichen beschichtet werden. Beispiele für das Material auf Keramikbasis umfassen Aluminiumoxidteilchen und Siliziumoxidteilchen. Obwohl ein Material in einem Glaszustand als Keramikmaterial verwendet werden kann, weist das Material im Unterschied zu dem Glas, das für eine Elektrode verwendet wird, vorzugsweise eine niedrige Elektronenleitfähigkeit auf. Beispiele für das Material auf Fluorbasis umfassen PVDF und Polytetrafluorethylen. Beispiele für das Material auf Polyamidbasis umfassen Nylon und Aramid (Aramid auf Meta-Basis und Aramid auf Para-Basis).
  • Wenn der Separator mit dem Material auf Keramikbasis beschichtet wird, wird die Oxidationsbeständigkeit verbessert; daher kann eine Verschlechterung des Separators beim Laden und Entladen bei einer hohen Spannung verhindert werden, und somit kann die Zuverlässigkeit der Sekundärbatterie verbessert werden. Wenn der Separator mit dem Material auf Fluorbasis beschichtet wird, kommt der Separator leicht in engen Kontakt mit einer Elektrode, was zu hohen Ausgabeeigenschaften führt. Wenn der Separator mit dem Material auf Polyamidbasis, insbesondere Aramid, beschichtet wird, wird die Sicherheit der Sekundärbatterie verbessert, da die Wärmebeständigkeit verbessert wird.
  • Zum Beispiel können beide Oberflächen eines Polypropylenfilms mit einem Mischmaterial aus Aluminiumoxid und Aramid beschichtet werden. Alternativ kann eine Oberfläche eines Polypropylenfilms, die in Kontakt mit der Positivelektrode ist, mit einem Mischmaterial aus Aluminiumoxid und Aramid beschichtet werden, und eine Oberfläche des Polypropylenfilms, die in Kontakt mit der Negativelektrode ist, kann mit dem Material auf Fluorbasis beschichtet werden.
  • Die Inhalte bei dieser Ausführungsform können frei mit einem beliebigen der Inhalten bei den anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
  • (Ausführungsform 5)
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine Gesamtfestkörperbatterie unter Verwendung des bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltenen Positivelektrodenaktivmaterials 100 hergestellt wird.
  • Wie in 22A dargestellt, beinhaltet eine Sekundärbatterie 400 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Positivelektrode 410, eine Festelektrolytschicht 420 und eine Negativelektrode 430.
  • Die Positivelektrode 410 beinhaltet einen Positivelektrodenstromkollektor 413 und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 414. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 414 enthält ein Positivelektrodenaktivmaterial 411 und einen Festelektrolyten 421. Das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 wird als Positivelektrodenaktivmaterial 411 verwendet. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 414 kann auch ein leitendes Material und ein Bindemittel enthalten.
  • Die Festelektrolytschicht 420 enthält den Festelektrolyten 421. Die Festelektrolytschicht 420 ist zwischen der Positivelektrode 410 und der Negativelektrode 430 positioniert und ist ein Bereich, der weder das Positivelektrodenaktivmaterial 411 noch ein Negativelektrodenaktivmaterial 431 enthält.
  • Die Negativelektrode 430 beinhaltet einen Negativelektrodenstromkollektor 433 und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 434. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 434 enthält das Negativelektrodenaktivmaterial 431 und den Festelektrolyten 421. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 434 kann auch ein leitendes Material und ein Bindemittel enthalten. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem Metalllithium als Negativelektrodenaktivmaterial 431 verwendet wird, Metalllithium nicht zu Teilchen verarbeitet werden muss; daher kann die Negativelektrode 430, die den Festelektrolyten 421 nicht beinhaltet, ausgebildet werden, wie in 22B dargestellt. Die Verwendung von Metalllithium für die Negativelektrode 430 wird bevorzugt, wobei in diesem Fall die Energiedichte der Sekundärbatterie 400 erhöht werden kann.
  • Als Festelektrolyt 421, der in der Festelektrolytschicht 420 enthalten ist, kann ein auf Sulfid basierender Festelektrolyt, ein auf Oxid basierender Festelektrolyt oder ein auf Halogenid basierender Festelektrolyt verwendet werden.
  • Beispiele für den auf Sulfid basierenden Festelektrolyten umfassen ein auf Thio-LISICON basierendes Material (z. B. Li10G2P2S12 und Li3,25Ge0,25P0,75S4), ein Sulfidglas (z. B. 70Li2S·30P2S5, 30Li2S·26B2S3·44Lil, 63Li2S·36SiS2·1Li3PO4, 57Li2S·38SiS2·5Li4SiO4 und 50Li2S·50GeS2) und ein auf Sulfid basierendes kristallisiertes Glas (z. B. L17P3S11 und Li3,25P0,95S4). Der auf Sulfid basierende Festelektrolyt weist Vorteile auf, wie z. B. eine hohe Leitfähigkeit, Synthese bei niedriger Temperatur und eine Leichtigkeit der Aufrechterhaltung eines Leitungspfades nach der Ladung und Entladung wegen seiner relativen Weichheit.
  • Beispiele für den auf Oxid basierenden Festelektrolyten umfassen ein Material mit einer Perowskit-Kristallstruktur (z. B. La2/3-xLi3xTiO3), ein Material mit einer NASICON-Kristallstruktur (z. B. Li1-yAlyTi2-y(PO4)3), ein Material mit einer Granat-Kristallstruktur (z. B. Li7La3Zr2O12), ein Material mit einer LISICON-Kristallstruktur (z. B. Li14ZnGe4O16), LLZO (Li7La3Zr2O12), ein Oxidglas (z. B. Li3PO4-Li4SiO4 und 50Li4SiO4·50Li3BO3) und ein auf Oxid basierendes kristallisiertes Glas (z. B. Li1,07Al0,69Ti1,46(PO4)3 und Li1,5Al0,5Ge1,5(PO4)3). Der auf Oxid basierende Festelektrolyt weist einen Vorteil, nämlich eine Stabilität an der Luft, auf.
  • Beispiele für den auf Halogenid basierenden Festelektrolyten umfassen LiAlCl4, Li3InBr6, LiF, LiCI, LiBr und Lil. Außerdem kann auch ein Verbundmaterial, in dem Poren aus porösem Aluminiumoxid oder porösem Siliziumdioxid mit diesem auf Halogenid basierenden Festelektrolyten gefüllt sind, als Festelektrolyt verwendet werden.
  • Alternativ können unterschiedliche Festelektrolyten gemischt verwendet werden.
  • Insbesondere wird Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (0 < x < 1) mit einer NASICON-Kristallstruktur (nachstehend LATP) bevorzugt, da LATP Aluminium und Titan enthält, die jeweils das Element sind, das das Positivelektrodenaktivmaterial, das in der Sekundärbatterie 400 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, enthalten kann; daher wird ein Synergieeffekt der Verbesserung der Zyklusleistung erwartet. Außerdem wird die höhere Produktivität aufgrund der Verringerung der Anzahl von Schritten erwartet. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung und dergleichen ein Material mit ein NASICON-Kristallstruktur eine Verbindung bezeichnet, die durch M2(XO4)3 (M: Übergangsmetall; X: S, P, As, Mo, W oder dergleichen) dargestellt wird und eine Struktur aufweist, bei der MO6-Oktaeder und XO4-Tetraeder, welche Kanten gemeinsam haben, dreidimensional angeordnet sind.
  • <Außenteil und Form der Sekundärbatterie>
  • Ein Außenteil der Sekundärbatterie 400 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Materialien verwenden, verschiedene Formen aufweisen und vorzugsweise eine Funktion zum Anlegen des Drucks an die Positivelektrode, die Festelektrolytschicht und die Negativelektrode aufweisen.
  • 23A bis 23C stellen ein Beispiel für eine Zelle zur Auswertung von Materialien einer Gesamtfestkörperbatterie dar.
  • 23A ist eine schematische Querschnittsansicht der Auswertungszelle. Die Auswertungszelle umfasst eine untere Komponente 761, eine obere Komponente 762 und eine Befestigungsschraube/Flügelmutter 764 zur Befestigung dieser Komponenten. Durch Drehen einer Druckschraube 763 wird eine Elektrodenplatte 753 gepresst, um ein Auswertungsmaterial zu befestigen. Ein Isolator 766 ist zwischen der unteren Komponente 761 und der oberen Komponente 762 bereitgestellt, welche aus einem Edelstahlmaterial bestehen. Ein O-Ring 765 zur hermetischen Abdichtung ist zwischen der oberen Komponente 762 und der Druckschraube 763 bereitgestellt.
  • Das Auswertungsmaterial ist auf einer Elektrodenplatte 751 platziert, von einem Isolierrohr 752 umschlossen und durch die Elektrodenplatte 753 von oben gepresst. 23B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Auswertungsmaterials und seiner Umgebung.
  • Eine Schichtanordnung aus einer Positivelektrode 750a, einer Festelektrolytschicht 750b und einer Negativelektrode 750c wird als Beispiel für das Auswertungsmaterial dargestellt, und ihr Querschnitt wird in 23C gezeigt. Es sei angemerkt, dass die gleichen Abschnitte in 23A bis 23C durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
  • Die Elektrodenplatte 751 und die untere Komponente 761, die elektrisch mit der Positivelektrode 750a verbunden sind, entsprechen einem Positivelektrodenanschluss. Die Elektrodenplatte 753 und die obere Komponente 762, die elektrisch mit der Negativelektrode 750c verbunden sind, entsprechen einem Negativelektrodenanschluss. Der elektrische Widerstand oder dergleichen kann gemessen werden, während der Druck durch die Elektrodenplatte 751 und die Elektrodenplatte 753 an das Auswertungsmaterial angelegt wird.
  • Das Außenteil der Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Gehäuse mit ausgezeichneter Luftdichtheit. Beispielsweise kann ein Keramik-Gehäuse oder ein Harz-Gehäuse verwendet werden. Das Außenteil wird vorzugsweise in einer geschlossenen Atmosphäre, in der die Außenluft blockiert wird, beispielsweise in einem Handschuhkasten, abgedichtet.
  • 24A ist eine perspektivische Ansicht einer Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Außenteil und eine Form aufweist, welche sich von denjenigen in 23A bis 23C unterscheiden. Die Sekundärbatterie in 24A beinhaltet externe Elektroden 771 und 772 und ist mit einem Außenteil, das eine Vielzahl von Gehäusekomponenten umfasst, abgedichtet.
  • 24B stellt ein Beispiel für einen Querschnitt entlang der Strichpunktlinie in 24A dar. Eine Schichtanordnung, die die Positivelektrode 750a, die Festelektrolytschicht 750b und die Negativelektrode 750c umfasst, ist von einem Gehäusebestandteil 770a, der eine Elektrodenschicht 773a auf einer ebenen Platte umfasst, einem rahmenförmigen Gehäusebestandteil 770b und einem Gehäusebestandteil 770c, der eine Elektrodenschicht 773b auf einer ebenen Platte umfasst, umschlossen und abgedichtet. Für die Gehäusebestandteile 770a, 770b und 770c können Isoliermaterialien, wie z. B. ein Harzmaterial oder Keramik, verwendet werden.
  • Die externe Elektrode 771 ist über die Elektrodenschicht 773a elektrisch mit der Positivelektrode 750a verbunden und dient als Positivelektrodenanschluss. Die externe Elektrode 772 ist über die Elektrodenschicht 773b elektrisch mit der Negativelektrode 750c verbunden und dient als Negativelektrodenanschluss.
  • Durch Verwendung des bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltenen Positivelektrodenaktivmaterials 100 wird eine Gesamtfestkörpersekundärbatterie mit einer hohen Energiedichte und vorteilhaften Ausgabeeigenschaften erzielt.
  • Die Inhalte bei dieser Ausführungsform können mit einem beliebigen der Inhalten bei den anderen Ausführungsformen angemessen kombiniert werden.
  • (Ausführungsform 6)
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel für eine Sekundärbatterie beschrieben, die sich von der in 16D dargestellten zylindrischen Sekundärbatterie unterscheidet. Ein Anwendungsbeispiel der Sekundärbatterie in einem Elektrofahrzeug (electric vehicle, EV) wird anhand von 25C beschrieben.
  • Das Elektrofahrzeug wird mit ersten Batterien 1301a und 1301b als Hauptsekundärbatterien zum Betrieb und einer zweiten Batterie 1311, die einem Inverter 1312 zum Starten eines Motors 1304 elektrische Energie zuführt, bereitgestellt. Die zweite Batterie 1311 wird auch als Starthilfebatterie oder Starterbatterie bezeichnet. Die zweite Batterie 1311 braucht insbesondere eine hohe Ausgabe und muss nicht notwendigerweise eine hohe Kapazität aufweisen, und die Kapazität der zweiten Batterie 1311 ist niedriger als diejenige der ersten Batterien 1301 a und 1301 b.
  • Die Innenstruktur der ersten Batterie 1301a kann die gewickelte Struktur, die in 17A oder 18C dargestellt wird, oder die mehrschichtige Struktur sein, die in 19A oder 19B dargestellt wird. Alternativ kann die erste Batterie 1301a die Gesamtfestkörperbatterie bei der Ausführungsform 4 sein. Unter Verwendung der Gesamtfestkörperbatterie bei der Ausführungsform 4 als erste Batterie 1301a werden eine hohe Kapazität, ein hoher Sicherheitsgrad und eine Verringerung der Größe und des Gewichts erzielt.
  • Obwohl diese Ausführungsform ein Beispiel zeigt, in dem die zwei ersten Batterien 1301a und 1301b zueinander parallel geschaltet sind, können drei oder mehr Batterien zueinander parallel geschaltet werden. In dem Fall, in dem die erste Batterie 1301a ausreichende elektrische Energie speichern kann, kann die erste Batterie 1301b weggelassen werden. Durch Bildung eines Batteriepacks, das eine Vielzahl von Sekundärbatterien beinhaltet, kann eine große elektrische Energie extrahiert werden. Die Vielzahl von Sekundärbatterien kann zueinander parallel, in Reihe oder in Reihe geschaltet sein, nachdem sie zueinander parallel geschaltet worden sind. Eine Vielzahl von Sekundärbatterien kann kollektiv als zusammengesetzte Batterie bezeichnet werden.
  • Eine im Fahrzeug eingebaute Sekundärbatterie beinhaltet einen Servicestecker oder einen Leistungsschalter, der eine Hochspannung ohne Verwendung eines Werkzeugs abschalten kann, um elektrische Energie aus einer Vielzahl von Sekundärbatterien abzuschalten. Die erste Batterie 1301a wird mit einem solchen Servicestecker oder einem Leistungsschalter bereitgestellt.
  • Die elektrische Energie aus den ersten Batterien 1301a und 1301b wird hauptsächlich zum Drehen des Motors 1304 verwendet und wird auch im Fahrzeug eingebauten Teilen für 42 V (wie z. B. einer elektrischen Servolenkung 1307, einer Heizung 1308 und einer Heckscheibenheizung 1309) über eine DC-DC-Schaltung 1306 zugeführt. In dem Fall, in dem es einen Heckmotor 1317 für die Hinterräder gibt, wird ebenfalls die erste Batterie 1301a zum Drehen des Heckmotors 1317 verwendet.
  • Die zweite Batterie 1311 führt im Fahrzeug eingebauten Teilen für 14 V (wie z. B. einem Audio 1313, elektrischen Fensterhebern 1314 und Lampen 1315) über eine DC-DC-Schaltung 1310 elektrische Energie zu.
  • Die erste Batterie 1301a wird anhand von 25A beschrieben.
  • 25A stellt ein Beispiel dar, in dem neun rechteckige Sekundärbatterien 1300 ein Batteriepack 1415 bilden. Die neun rechteckigen Sekundärbatterien 1300 sind in Reihe geschaltet; eine Elektrode jeder Batterie wird durch einen Befestigungsabschnitt 1413 befestigt, der von einem Isolator gebildet wird, und die andere Elektrode jeder Batterie wird durch einen Befestigungsabschnitt 1414 befestigt, der aus einem Isolator besteht. Obwohl diese Ausführungsform das Beispiel zeigt, in dem die Sekundärbatterien durch die Befestigungsabschnitte 1413 und 1414 befestigt sind, können sie in einer Batteriebehälterbox (auch als Gehäuse bezeichnet) gelagert werden. Da es angenommen wird, dass dem Fahrzeug eine Vibration oder ein Ruck von der Außenseite (z. B. eine Straßenoberfläche) gegeben wird, wird die Vielzahl von Sekundärbatterien vorzugsweise durch die Befestigungsabschnitte 1413 und 1414, eine Batteriebehälterbox oder dergleichen befestigt. Des Weiteren ist die eine Elektrode jeder Batterie mit einem Steuerschaltungsabschnitt 1320 über eine Leitung 1421 elektrisch verbunden. Die andere Elektrode jeder Batterie ist mit dem Steuerschaltungsabschnitt 1320 über eine Leitung 1422 elektrisch verbunden.
  • Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 kann eine Speicherschaltung beinhalten, die einen Transistor beinhaltet, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird. Eine Ladungssteuerschaltung oder ein Batteriesteuersystem, welche/welches eine Speicherschaltung beinhaltet, die einen Transistor beinhaltet, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, kann als Batteriebediensystem oder Batterie-Oxidhalbleiter (battery operating system bzw. battery oxide semiconductor, BTOS) bezeichnet werden.
  • Ein Metalloxid, das als Oxidhalbleiter dient, wird vorzugsweise verwendet. Als Oxid wird beispielsweise ein Metalloxid, wie z. B. ein In-M-Zn-Oxid (das Element M ist eines oder mehrere von Aluminium, Gallium, Yttrium, Kupfer, Vanadium, Beryllium, Bor, Titan, Eisen, Nickel, Germanium, Zirkonium, Molybdän, Lanthan, Cer, Neodym, Hafnium, Tantal, Wolfram, Magnesium und dergleichen) verwendet. Insbesondere ist das In-M-Zn-Oxid, das als Oxid verwendet werden kann, vorzugsweise ein kristalliner Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystal oxide semiconductor, CAAC-OS) oder ein wolkenartig ausgerichteter Verbundoxidhalbleiter (cloudaligned composite oxide semiconductor, CAC-OS). Ein In-Ga-Oxid oder ein In-Zn-Oxid kann alternativ als Oxid verwendet werden. Alternativ kann ein In-Ga-Oxid oder ein In-Zn-Oxid als Oxid verwendet werden. Der CAAC-OS ist ein Oxidhalbleiter, der eine Vielzahl von Kristallbereichen aufweist, die jeweils eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einer bestimmten Richtung aufweisen. Es sei angemerkt, dass die bestimmte Richtung die Filmdickenrichtung eines CAAC-OS-Films, die Normalrichtung der Oberfläche, über der der CAAC-OS-Film ausgebildet wird, oder die Normalrichtung der Oberfläche des CAAC-OS-Films bezeichnet. Der Kristallbereich bezeichnet einen Bereich mit einer periodischen Atomanordnung. Wenn eine Atomanordnung als Gitteranordnung angesehen wird, bezeichnet der Kristallbereich auch einen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung. Der CAAC-OS umfasst einen Bereich, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen in Richtung der a-b-Ebene verbunden ist, und der Bereich weist in einigen Fällen eine Verzerrung auf. Es sei angemerkt, dass eine Verzerrung einen Abschnitt bezeichnet, in dem sich die Richtung einer Gitteranordnung zwischen einem Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung und einem anderen Bereich mit einer gleichmäßigen Gitteranordnung in einem Bereich verändert, in dem eine Vielzahl von Kristallbereichen verbunden ist. Das heißt, dass der CAAC-OS ein Oxidhalbleiter ist, der eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweist und keine deutliche Ausrichtung in Richtung der a-b-Ebene aufweist. Der CAC-OS weist außerdem beispielsweise eine Zusammensetzung auf, in der sich die in einem Metalloxid enthaltenen Elemente ungleichmäßig verteilen. Materialien, die ungleichmäßig verteilte Elemente enthalten, weisen jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, vorzugsweise größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm oder eine ähnliche Größe auf. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung eines Metalloxides ein Zustand, in dem eines oder mehrere Typen von Metallelementen ungleichmäßig verteilt sind und Bereiche, die das Metallelement (die Metallelemente) enthalten, gemischt sind, als Mosaikmuster oder Patch-Muster bezeichnet wird. Die Bereiche weisen jeweils eine Größe von größer als oder gleich 0,5 nm und kleiner als oder gleich 10 nm, vorzugsweise größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 3 nm, oder eine ähnliche Größe auf.
  • Außerdem weist der CAC-OS eine Zusammensetzung auf, bei der Materialien in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich derart geteilt sind, dass ein Mosaikmuster gebildet wird, und die ersten Bereiche in dem Film verteilt sind. Diese Zusammensetzung wird nachstehend auch als wolkenartige Zusammensetzung bezeichnet. Diese Zusammensetzung wird nachstehend auch als wolkenartige Zusammensetzung bezeichnet. Das heißt, dass der CAC-OS ein Verbundmetalloxid mit einer Zusammensetzung ist, bei der die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche gemischt sind.
  • Hier werden die Atomverhältnisse von In, Ga und Zn zu dem Metallelementen, die in dem CAC-OS in einem In-Ga-Zn-Oxid enthalten sind, als [In], [Ga] bzw. [Zn] bezeichnet. Der erste Bereich in dem CAC-OS in dem In-Ga-Zn-Oxid weist beispielsweise [In] von höher als dasjenige in der Zusammensetzung des CAC-OS-Films auf. Außerdem weist der zweite Bereich des CAC-OS in dem In-Ga-Zn-Oxid [Ga] von höher als dasjenige in der Zusammensetzung des CAC-OS-Films auf. Alternativ weist beispielsweise der erste Bereich höheres [In] und niedrigeres [Ga] auf als der zweite Bereich. Außerdem weist der zweite Bereich höheres [Ga] und niedrigeres [In] auf als der erste Bereich.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen Bereich, der Indiumoxid, Indiumzinkoxid oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Außerdem handelt es sich bei dem zweiten Bereich um einen Bereich, der Galliumoxid, Galliumzinkoxid oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Das heißt, dass der erste Bereich auch als Bereich, der In als Hauptkomponente enthält, bezeichnet werden kann. Außerdem kann der zweite Bereich auch als Bereich, der Ga als Hauptkomponente enthält, bezeichnet werden.
  • Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen keine eindeutige Grenze zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich beobachtet wird.
  • Beispielsweise weist gemäß EDX-Mapping, das durch eine energiedispersive Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX) erhalten wurde, der CAC-OS in dem In-Ga-Zn-Oxid eine Zusammensetzung auf, bei der der Bereich, der In als seine Hauptkomponente enthält (der erste Bereich), und der Bereich, der Ga als seine Hauptkomponente enthält (der zweite Bereich), ungleichmäßig verteilt und gemischt sind.
  • In dem Fall, in dem der CAC-OS für einen Transistor verwendet wird, komplementieren die Leitfähigkeit, die von dem ersten Bereich stammt, und die isolierende Eigenschaft, die von dem zweiten Bereich stammt, miteinander, wodurch dem CAC-OS eine Schaltfunktion (Ein-/Ausschaltfunktion) verliehen werden kann. Das heißt, dass der CAC-OS eine leitende Funktion in einem Teil des Materials aufweist und eine isolierende Funktion in einem anderen Teil des Materials aufweist; in seiner Gesamtheit weist der CAC-OS eine Funktion eines Halbleiters auf. Eine Trennung der leitenden Funktion und der isolierenden Funktion kann jede Funktion maximieren. Dementsprechend kann dann, wenn der CAC-OS für einen Transistor verwendet wird, ein hoher Durchlassstrom (Ion), eine hohe Feldeffektbeweglichkeit (µ) und eine ausgezeichnete Umschaltung erzielt werden.
  • Ein Oxidhalbleiter kann verschiedene Strukturen aufweisen, die verschiedene unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Zwei oder mehr von einem amorphen Oxidhalbleiter, einem polykristallinen Oxidhalbleiter, einem a-ähnlichen OS, dem CAC-OS, einem nc-OS und dem CAAC-OS können in einem Oxidhalbleiter einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sein.
  • Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 verwendet vorzugsweise einen Transistor, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, da der Transistor, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, in einer Umgebung mit hoher Temperatur verwendet werden kann. Der Einfachheit des Prozesses halber kann der Steuerschaltungsabschnitt 1320 unter Verwendung von Transistoren des gleichen Leitfähigkeitstyps ausgebildet werden. Ein Transistor, bei dem ein Oxidhalbleiter in seiner Halbleiterschicht verwendet wird, weist einen Arbeitstemperaturbereich der Umgebung von -40 °C bis 150 °C auf, der als derjenige eines einkristallinen Si-Transistors breiter ist, und zeigt daher eine kleinere Änderung der Eigenschaften als der einkristalline Si-Transistor, wenn die Sekundärbatterie erwärmt wird. Der Sperrstrom des Transistors, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, ist selbst bei 150 °C niedriger als oder gleich der unteren Messgrenze. Im Gegensatz dazu hängt der Sperrstrom des einkristallinen Si-Transistors in hohem Maße von der Temperatur ab. Beispielsweise erhöht sich bei 150 °C der Sperrstrom des einkristallinen Si-Transistors und kein ausreichend hohes Strom-On/Off-Verhältnis kann erhalten werden. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 kann den Sicherheitsgrad verbessern. Wenn der Steuerschaltungsabschnitt 1320 in Kombination mit einer Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, verwendet wird, kann eine Synergie bei der Sicherheit erzielt werden kann.
  • Der Steuerschaltungsabschnitt 1320, der eine Speicherschaltung verwendet, die einen Transistor beinhaltet, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, kann auch als automatische Steuervorrichtung für die Sekundärbatterie dienen, um Ursachen der Instabilität, wie z. B. einen Mikrokurzschluss, zu beseitigen. Beispiele für Funktionen zur Beseitigung der Ursachen der Instabilität umfassen Verhinderung des Überladens, Verhinderung des Überstroms, Steuerung des Überhitzens während Ladung, Aufrechterhaltung des Zellenausgleichs einer zusammengesetzten Batterie, Verhinderung des Überentladens, einen Batterieindikator, automatische Steuerung der Ladespannung und Strommenge gemäß Temperatur, Steuerung der Menge an Ladestrom gemäß dem Grad der Verschlechterung, Erkennung abnormalen Verhaltens für einen Mikrokurzschluss und Anomalievorhersage hinsichtlich eines Mikrokurzschlusses. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 weist mindestens eine von diesen Funktionen auf. Des Weiteren kann die Größe der automatischen Steuervorrichtung für die Sekundärbatterie sehr klein sein.
  • Ein Mikrokurzschluss bezeichnet einen winzigen Kurzschluss, der in einer Sekundärbatterie entsteht. Ein Mikrokurzschluss bezeichnet keinen Zustand, in dem die Positivelektrode und die Negativelektrode einer Sekundärbatterie kurzgeschlossen sind, so dass die Ladung und Entladung unmöglich werden, sondern ein Phänomen, bei dem ein geringer Kurzschlussstrom durch einen winzigen Kurzschlussabschnitt fließt. Da eine große Spannungsänderung verursacht wird, selbst wenn ein Mikrokurzschluss in einer relativ kurzen Zeit in einer winzigen Fläche auftritt, könnte der abnormale Spannungswert die Inferenz nachteilig beeinflussen, die anschließend zu der Abschätzung des Lade- und Entladezustands und dergleichen der Sekundärbatterie durchgeführt wird.
  • Eine der vermuteten Ursachen eines Mikrokurzschlusses ist wie folgt. Eine ungleichmäßige Verteilung eines Positivelektrodenaktivmaterials auf Grund der mehrmaligen Ladungen und Entladungen verursacht eine lokale Stromkonzentration in einem Teil der Positivelektrode und einem Teil der Negativelektrode; daher wird eine Fehlfunktion eines Teils eines Separators verursacht. Eine weitere vermutete Ursache ist Erzeugung eines Nebenproduktes durch eine Nebenreaktion.
  • Man kann sagen, dass der Steuerschaltungsabschnitt 1320 nicht nur einen Mikrokurzschluss, sondern auch eine Anschlussspannung der Sekundärbatterie erfasst und den Lade- und Entladezustand der Sekundärbatterie steuert. Beispielsweise kann, um das Überladen zu verhindern, der Steuerschaltungsabschnitt 1320 einen Ausgabetransistor einer Ladeschaltung und einen Unterbrechungsschalter im Wesentlichen gleichzeitig abschalten.
  • 25B stellt ein Beispiel für ein Blockschema des in 25A dargestellten Batteriepacks 1415 dar.
  • Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 beinhaltet einen Schalterabschnitt 1324, der mindestens einen Schalter zur Verhinderung des Überladens und einen Schalter zur Verhinderung des Überentladens beinhaltet, eine Steuerschaltung 1322 zur Steuerung des Schalterabschnitts 1324 und einen Abschnitt zur Messung der Spannung der ersten Batterie 1301a. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 wird derart eingestellt, dass er die obere Grenzspannung und die untere Grenzspannung der verwendeten Sekundärbatterie aufweist und die obere Grenze gegenüber Strom von der Außenseite, die obere Grenze gegenüber Ausgangsstrom in die Außenseite und dergleichen festlegt. Der Bereich von der unteren Grenzspannung zu der oberen Grenzspannung der Sekundärbatterie liegt innerhalb des empfohlenen Spannungsbereichs. Wenn eine Spannung außerhalb des Bereichs liegt, arbeitet der Schalterabschnitt 1324 und dient er als Schutzschaltung. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 kann auch als Schutzschaltung bezeichnet werden, da er den Schalterabschnitt 1324 steuert, um das Überentladen und Überladen zu verhindern. Wenn beispielsweise die Steuerschaltung 1322 eine Spannung erfasst, die wahrscheinlich das Überladen verursacht, wird Strom unterbrochen, indem der Schalter in dem Schalterabschnitt 1324 ausgeschaltet wird. Des Weiteren kann eine Funktion zum Unterbrechen von Strom gemäß einem Temperaturanstieg bereitgestellt werden, indem ein PTC-Element im Lade- und Entladepfad bereitgestellt wird. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 beinhaltet einen externen Anschluss 1325 (+IN) und einen externen Anschluss 1326 (-IN).
  • Der Schalterabschnitt 1324 kann durch Kombination eines n-Kanal-Transistors und eines p-Kanal-Transistors ausgebildet werden. Der Schalterabschnitt 1324 ist nicht darauf beschränkt, einen Schalter mit einem Si-Transistor zu beinhalten, bei dem einkristallines Silizium verwendet wird; der Schalterabschnitt 1324 kann unter Verwendung eines Leistungstransistors, der Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), Galliumarsenid (GaAs), Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), Indiumphosphid (InP), Siliziumcarbid (SiC), Zinkselenid (ZnSe), Galliumnitrid (GaN), Galliumoxid (GaOx, in dem x eine reelle Zahl von größer als 0 ist) oder dergleichen ausgebildet werden. Ein Speicherelement, bei dem ein OS-Transistor verwendet wird, kann frei angeordnet werden, indem es beispielsweise über einer Schaltung, in der ein Si-Transistor verwendet wird, angeordnet wird; daher kann die Integration einfach sein. Des Weiteren kann ein OS-Transistor mit einer Fertigungseinrichtung, die derjenigen für einen Si-Transistor ähnlich ist, hergestellt werden und daher kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Das heißt, dass der Steuerschaltungsabschnitt 1320, bei dem OS-Transistoren verwendet werden, über dem Schalterabschnitt 1324 angeordnet werden kann, so dass sie in einen Chip integriert werden können. Da die Fläche, die von dem Steuerschaltungsabschnitt 1320 eingenommen wird, verringert werden kann, ist die Verringerung der Größe möglich.
  • Die ersten Batterien 1301a und 1301b führen hauptsächlich im Fahrzeug eingebauten Teilen für 42 V (Hochspannungssystem) elektrische Energie zu und die zweite Batterie 1311 führt im Fahrzeug eingebauten Teilen für 14 V (Niederspannungssystem) elektrische Energie zu.
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem Lithiumionen-Sekundärbatterien sowohl als erste Batterie 1301a wie auch als zweite Batterie 1311 verwendet werden. Als zweite Batterie 1311 kann eine Blei-Speicherbatterie, eine Gesamtfestkörperbatterie oder ein elektrischer Doppelschichtkondensator verwendet werden. Beispielsweise kann die Gesamtfestkörperbatterie bei der Ausführungsform 4 verwendet werden. Unter Verwendung der Gesamtfestkörperbatterie bei der Ausführungsform 4 als zweite Batterie 1311 wird eine hohe Kapazität, ein hoher Sicherheitsgrad und eine Verringerung der Größe und des Gewichts erzielt.
  • Regenerative Energie, die durch Rotation von Reifen 1316 erzeugt wird, wird über ein Getriebe 1305 auf den Motor 1304 übertragen und in die zweite Batterie 1311 über eine Motorsteuerung 1303, eine Batteriesteuerung 1302 und der Steuerschaltungsabschnitt 1321 gespeichert. Alternativ wird die regenerative Energie über die Batteriesteuerung 1302 und den Steuerschaltungsabschnitt 1320 in der ersten Batterie 1301a gespeichert. Alternativ wird die regenerative Energie über die Batteriesteuerung 1302 und den Steuerschaltungsabschnitt 1320 in der ersten Batterie 1301b gespeichert. Zur effizienten Ladung mit regenerativer Energie sind die ersten Batterien 1301a und 1301b vorzugsweise zur Schnellladung geeignet.
  • Die Batteriesteuerung 1302 kann die Ladespannung, den Ladestrom und dergleichen der ersten Batterien 1301a und 1301b einstellen. Die Batteriesteuerung 1302 kann Ladebedingungen gemäß Ladeeigenschaften einer verwendeten Sekundärbatterie einstellen, so dass die Schnellladung durchgeführt werden kann.
  • Obwohl nicht dargestellt, wird dann, wenn das Elektrofahrzeug mit einem externen Ladegerät verbunden wird, ein Stecker des Ladegeräts oder ein Verbindungskabel des Ladegeräts mit der Batteriesteuerung 1302 elektrisch verbunden. Elektrische Energie, die von dem externen Ladegerät zugeführt wird, wird über die Batteriesteuerung 1302 in den ersten Batterien 1301a und 1301b gespeichert. Einige Ladegeräte werden mit einer Steuerschaltung bereitgestellt, wobei die Funktion der Batteriesteuerung 1302 nicht verwendet wird; um Überladen zu verhindern, werden die ersten Batterien 1301a und 1301b vorzugsweise über den Steuerschaltungsabschnitt 1320 geladen. Außerdem wird ein Stecker des Ladegeräts oder ein Verbindungskabel des Ladegeräts in einigen Fällen mit einer Steuerschaltung bereitgestellt. Der Steuerschaltungsabschnitt 1320 wird auch als elektronisches Steuergerät (electronic control unit, ECU) bezeichnet. Die ECU ist mit einer Controller Area Network (CAN) verbunden, das in dem Elektrofahrzeug bereitgestellt ist. Das CAN ist eine Art serieller Kommunikationsstandard, der als im Fahrzeug eingebautes LAN verwendet wird. Das ECU umfasst einen Mikrocomputer. Außerdem verwendet die ECU ein CPU oder ein GPU.
  • Externe Ladegeräte, die an Ladestationen und dergleichen installiert sind, weisen beispielsweise eine 100 V-Steckdose, eine 200 V-Steckdose oder eine dreiphasige 200V-Steckdose (50 kW) auf. Des Weiteren kann die Ladung mit elektrischer Energie, die von einem externen Ladeeinrichtung durch ein kontaktloses Energieversorgungsverfahren oder dergleichen zugeführt wird, durchgeführt werden.
  • Zur Schnellladung werden Sekundärbatterien gewünscht, die einer Ladung mit hoher Spannung standhalten können, um die Ladung in kurzer Zeit durchzuführen.
  • Die vorstehend beschriebene Sekundärbatterie bei dieser Ausführungsform verwendet das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100. Außerdem ist es möglich, eine Sekundärbatterie zu erzielen, bei der Graphen als leitendes Material verwendet wird, die Elektrodenschicht dick ausgebildet wird, um eine Verringerung der Kapazität selbst bei der Erhöhung der Lademenge zu unterdrücken, und die elektrischen Eigenschaften in Synergie mit der Aufrechterhaltung hoher Kapazität deutlich verbessert werden. Diese Sekundärbatterie wird besonders in einem Fahrzeug effektiv verwendet und kann ein Fahrzeug erzielen, das eine große Reichweite, insbesondere eine Fahrstrecke pro Ladung von 500 km oder größer, aufweist, ohne den Anteil des Gewichts der Sekundärbatterien zu dem Gewicht des gesamten Fahrzeuges zu erhöhen.
  • Insbesondere kann in der Sekundärbatterie bei dieser Ausführungsform die Verwendung des bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Positivelektrodenaktivmaterials 100 die Betriebsspannung erhöhen, und die Erhöhung der Ladespannung kann die verfügbare Kapazität erhöhen. Außerdem kann durch Verwendung des bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Positivelektrodenaktivmaterials 100 in der Positivelektrode eine Sekundärbatterie im Fahrzeug mit ausgezeichneter Zyklusleistung bereitgestellt werden.
  • Als Nächstes werden Beispiele beschrieben, in denen die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Fahrzeug, typischerweise an einem Transportfahrzeug, montiert wird.
  • Indem die Sekundärbatterie, die in einer von 16D, 18C und 25A dargestellt wird, an Fahrzeugen montiert wird, können mit sauberer Energie betriebene Fahrzeuge der nächsten Generation, wie z. B. Hybridfahrzeuge (hybrid vehicle, HV), Elektrofahrzeuge (electric vehicle, EV) und Plug-in-HybridFahrzeuge (plug-in hybrid vehicle, PHV), erzielt werden. Die Sekundärbatterie kann auch an Transportfahrzeugen, wie z. B. landwirtschaftlichen Maschinen, Motorfahrrädern einschließlich Fahrrädern mit Motorunterstützung, Motorrädern, Elektrorollstühlen, Elektrokarren, Booten und Schiffen, U-Booten, Flugzeugen, wie z. B. Starrflügelflugzeugen und Drehflügelflugzeugen, Raketen, künstlichen Satelliten, Raumsonden, Planetensonden und Raumschiffen, montiert werden. Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Kapazität aufweisen. Daher ist die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verringerung der Größe und des Gewichts geeignet und wird in Transportfahrzeugen geeignet verwendet.
  • 26A bis 26D stellen Beispiele für Transportfahrzeuge als Beispiel für Fahrzeuge dar, bei denen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Automobil 2001, das in 26A dargestellt wird, ist ein Elektrofahrzeug, das mit der Energie eines Elektromotors läuft. Alternativ ist das Automobil 2001 ein Hybrid-Elektrofahrzeug, das in angemessener Weise mit einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor betrieben werden kann. In dem Fall, in dem die Sekundärbatterie an dem Fahrzeug montiert wird, wird die Sekundärbatterie, die bei der Ausführungsform 3 beispielhaft gezeigt worden ist, in einer Position oder einigen Positionen bereitgestellt. Das Automobil 2001, das in 26A dargestellt wird, beinhaltet ein Batteriepack 2200, und das Batteriepack beinhaltet ein Sekundärbatteriemodul, bei dem eine Vielzahl von Sekundärbatterien miteinander verbunden ist. Außerdem beinhaltet das Batteriepack vorzugsweise eine Ladungssteuervorrichtung, die mit dem Sekundärbatteriemodul elektrisch verbunden ist.
  • Das Automobil 2001 kann geladen werden, wenn die Sekundärbatterie in dem Automobil 2001 mit elektrischer Energie über externes Ladeeinrichtung durch ein Plug-in-System, ein kontaktloses Stromversorgungssystem oder dergleichen versorgt wird. Bei der Ladung kann ein gegebenes Verfahren, wie z. B. CHAdeMO (eingetragenes Warenzeichen) oder Combined Charging System bzw. kombiniertes Ladeverfahren, als Ladeverfahren, der Standard eines Verbindungselements und dergleichen nach Bedarf zum Einsatz kommen. Bei einer Ladeeinrichtung kann es sich um eine Ladestation, die in einer Handelseinrichtung bereitgestellt ist, oder eine Haushaltsstromquelle handeln. Zum Beispiel kann mittels eines Plug-in-Systems die Energiespeichervorrichtung, die an dem Automobil 2001 montiert ist, geladen werden, indem sie mit elektrischer Energie von außen versorgt wird. Das Laden kann durchgeführt werden, indem ein Wechselstrom (AC electric power) durch einen Wandler, wie z. B. einen AC-DC-Wandler, in einen Gleichstrom (DC electric power) umgewandelt wird.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann das Fahrzeug ein Energieempfangsgerät beinhalten, so dass es mit elektrischer Energie von einem oberirdischen Energieübertragungsgerät auf kontaktlose Weise versorgt wird. Im Falle des kontaktlosen Energieversorgungssystems kann das Laden nicht nur beim Halten, sondern auch beim Fahren des Fahrzeugs durchgeführt werden, indem ein Energieübertragungsgerät in eine Straße oder eine Außenwand eingebaut wird. Des Weiteren kann das kontaktlose Stromversorgungssystem benutzt werden, um elektrische Energie zwischen zwei Fahrzeugen zuzuführen und zu empfangen. Darüber hinaus kann eine Solarzelle an der Außenseite des Fahrzeugs bereitgestellt sein, um beim Halten und Fahren die Sekundärbatterie zu laden. Für eine derartige kontaktlose Stromversorgung kann ein elektromagnetisches Induktionsverfahren oder ein magnetisches Resonanzverfahren verwendet werden.
  • 26B stellt einen großen Transporter 2002 mit einem Motor, der mit Elektrizität gesteuert wird, als Beispiel für ein Transportfahrzeug dar. Ein Sekundärbatteriemodul des Transporters 2002 beinhaltet beispielsweise eine Zelleneinheit von vier Sekundärbatterien mit einer nominalen Spannung von 3,0 V oder höher und 5,0 V oder niedriger, und 48 Zellen sind derart in Reihe geschaltet, dass sie eine maximale Spannung von 170 V aufweisen. Ein Batteriepack 2201 weist die gleiche Funktion wie diejenige in 26A auf, mit Ausnahme z. B. der Anzahl von Sekundärbatterien, die das Sekundärbatteriemodul bilden; daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • 26C stellt beispielhaft ein großes Fahrzeug zum Transport 2003 mit einem Motor dar, der mit Elektrizität gesteuert wird. Ein Sekundärbatteriemodul des Fahrzeugs zum Transport 2003 weist 100 oder mehr in Reihe geschaltete Sekundärbatterien mit einer nominalen Spannung von 3,0 V oder höher und 5,0 V oder niedriger auf, und die maximale Spannung ist 600 V. Unter Verwendung der Positivelektrode, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, kann eine Sekundärbatterie mit vorteilhaften Rateneigenschaften und vorteilhafter Lade- und Entladezyklusleistung hergestellt werden, was zu höherer Leistung und einer längeren Lebensdauer des Fahrzeugs zum Transport 2003 beiträgt. Ein Batteriepack 2202 weist die gleiche Funktion als diejenige in 26A auf, mit Ausnahme z. B. der Anzahl von Sekundärbatterien, die das Sekundärbatteriemodul bilden; daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • 26D stellt beispielhaft ein Flugzeug 2004 mit einem Verbrennungsmotor dar. Das in 26D dargestellte Flugzeug 2004 wird als eine Art von Transportfahrzeugen angesehen, da es Räder zu dem Abflug und der Landung beinhaltet, und beinhaltet ein Batteriepack 2203, das eine Ladungssteuervorrichtung und ein Sekundärbatteriemodul beinhaltet, das durch Verbinden einer Vielzahl von Sekundärbatterien gebildet ist.
  • Das Sekundärbatteriemodul des Flugzeugs 2004 weist beispielsweise acht in Reihe geschaltete 4 V-Sekundärbatterien auf und weist eine maximale Spannung von 32 V auf. Das Batteriepack 2203 weist die gleiche Funktion wie diejenige in 26A auf, mit Ausnahme z. B. der Anzahl von Sekundärbatterien, die das Sekundärbatteriemodul bilden; daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • Die Inhalte bei dieser Ausführungsform können mit einem beliebigen der Inhalten bei den anderen Ausführungsformen angemessen kombiniert werden.
  • (Ausführungsform 7)
  • Bei dieser Ausführungsform werden Beispiele, in denen die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Gebäude montiert ist, anhand von 27A und 27B beschrieben.
  • Ein in 27A dargestelltes Haus beinhaltet eine Energiespeichervorrichtung 2612, die die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, und ein Solarpanel 2610. Die Energiespeichervorrichtung 2612 ist über eine Leitung 2611 oder dergleichen mit dem Solarpanel 2610 elektrisch verbunden. Die Energiespeichervorrichtung 2612 kann mit einer stationären Ladegerät 2604 elektrisch verbunden sein. Die Energiespeichervorrichtung 2612 kann mit elektrischer Energie, die durch das Solarpanel 2610 erzeugt wird geladen werden. Eine Sekundärbatterie, die in einem Fahrzeug 2603 enthalten ist, kann über das Ladegerät 2604 mit elektrischer Energie geladen werden, die in der Energiespeichervorrichtung 2612 gespeichert ist. Die Energiespeichervorrichtung 2612 wird vorzugsweise im Unterflurraum bereitgestellt, wobei der Raum über dem Fußboden effektiv verwendet werden kann. Alternativ kann die Energiespeichervorrichtung 2612 auf dem Fußboden bereitgestellt werden.
  • Elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 2612 gespeichert wird, kann auch anderen elektronischen Geräten in dem Haus zugeführt werden. Somit können die elektronischen Geräte unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 2612 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energieversorgung verwendet werden, selbst wenn keine elektrische Energie aus der gewerblichen Stromquelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
  • 27B stellt ein Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 27B dargestellt, wird eine Energiespeichervorrichtung 791 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Unterflurraum 796 einer Gebäude 799 bereitgestellt. Die Energiespeichervorrichtung 791 kann mit der bei der Ausführungsform 5 beschriebenen Steuerschaltung bereitgestellt werden, und die Verwendung einer Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, ermöglicht, dass die Energiespeichervorrichtung 791 eine lange Lebensdauer aufweist.
  • Die Energiespeichervorrichtung 791 wird mit einer Steuervorrichtung 790 bereitgestellt und die Steuervorrichtung 790 ist über Leitungen mit einer Verteilertafel 703, einer Energiespeichersteuerung (auch als Steuervorrichtung bezeichnet) 705, einem Indikator 706 und einem Router 709 elektrisch verbunden.
  • Elektrische Energie wird von einer Netzstromquelle 701 über einen Betriebskabel-Montageabschnitt 710 auf die Verteilertafel 703 übertragen. Außerdem wird elektrische Energie von der Energiespeichervorrichtung 791 und der Netzstromquelle 701 auf die Verteilertafel 703 übertragen, und die Verteilertafel 703 führt einer allgemeinen Last 707 und einer Energiespeicherlast 708 die übertragene elektrische Energie über Steckdosen (nicht dargestellt) zu.
  • Die allgemeine Last 707 ist beispielsweise ein elektrisches Gerät, wie z. B. ein Fernseher oder ein Personal-Computer. Die Energiespeicherlast 708 ist beispielsweise ein elektrisches Gerät, wie z. B. eine Mikrowelle, ein Kühlschlank oder eine Klimaanlage.
  • Die Energiespeichersteuerung 705 beinhaltet einen Messabschnitt 711, einen Vorhersageabschnitt 712 und einen Planungsabschnitt 713. Der Messabschnitt 711 weist eine Funktion zur Messung der Menge an elektrischer Energie auf, die von der allgemeinen Last 707 und der Energiespeicherlast 708 während eines Tages (z. B. von Mitternacht bis Mitternacht) verbraucht wird. Der Messabschnitt 711 kann auch eine Funktion zur Messung der Menge an elektrischer Energie der Energiespeichervorrichtung 791 und der Menge an elektrischer Energie aufweisen, die von der Netzstromquelle 701 zugeführt wird. Der Vorhersageabschnitt 712 weist eine Funktion zur Vorhersage der Nachfrage nach elektrischer Energie, die von der allgemeinen Last 707 und der Energiespeicherlast 708 während des nächsten Tages verbraucht wird, auf Basis der Menge an elektrischer Energie auf, die von der allgemeinen Last 707 und der Energiespeicherlast 708 während eines bestimmten Tages verbraucht wird. Der Planungsabschnitt 713 weist eine Funktion zur Erstellung eines Lade- und Entladeplans der Energiespeichervorrichtung 791 auf Basis der Nachfrage nach elektrischer Energie auf, die von dem Vorhersageabschnitt 712 vorhergesagt wird.
  • Der Indikator 706 kann die Menge an elektrischer Energie zeigen, die von der allgemeinen Last 707 und der Energiespeicherlast 708 verbraucht wird und durch den Messabschnitt 711 gemessen wird. Über den Router 709 kann ein elektrisches Gerät, wie z. B. ein Fernseher oder ein Personal-Computer, sie auch zeigen. Des Weiteren kann ein tragbares elektronisches Endgerät, wie z. B. ein Smartphone oder ein Tablet, sie auch über den Router 709 zeigen. Der Indikator 706, das elektrische Gerät und das tragbare elektronische Endgerät können auch beispielsweise die Nachfrage nach elektrischer Energie in Abhängigkeit von einem Zeitraum (oder pro Stunde) zeigen, die von dem Vorhersageabschnitt 712 vorhergesagt wird.
  • Die Inhalte bei dieser Ausführungsform können mit einem beliebigen der Inhalten bei den anderen Ausführungsformen angemessen kombiniert werden.
  • (Ausführungsform 8)
  • Diese Ausführungsform werden Beispiele beschrieben, in denen die Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Motorrad und einem Fahrrad montiert ist.
  • 28A stellt ein Beispiel für ein elektrisches Fahrrad dar, bei der die Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann für ein elektrisches Fahrrad 8700 in 28A verwendet werden. Die Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet beispielsweise eine Vielzahl von Speicherbatterien und eine Schutzschaltung.
  • Das elektrische Fahrrad 8700 wird mit einer Energiespeichervorrichtung 8702 bereitgestellt. Die Energiespeichervorrichtung 8702 kann einem Motor, der einen Fahrer unterstützt, elektrische Energie zuführen. Die Energiespeichervorrichtung 8702 ist tragbar und 28B zeigt den Zustand, in dem die Energiespeichervorrichtung 8702 von dem elektrischen Fahrrad entfernt ist. Die Energiespeichervorrichtung 8702 beinhaltet eine Vielzahl von Speicherbatterien 8701, die in der Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind, und kann auf einem Anzeigeabschnitt 8703 der verbleibende Batteriepegel und dergleichen anzeigen. Die Energiespeichervorrichtung 8702 beinhaltet eine Steuerschaltung 8704, die zur Ladungssteuerung oder Anomalie-Erkennung für die Sekundärbatterie, die bei der Ausführungsform 5 beispielhaft gezeigt wird, geeignet ist. Die Steuerschaltung 8704 ist mit einer Positivelektrode und einer Negativelektrode der Speicherbatterie 8701 elektrisch verbunden. Die Steuerschaltung 8704 kann die kleine Festkörper-Sekundärbatterie beinhalten, die in 24A und 24B dargestellt wird. Wenn die kleine in 24A und 24B dargestellte Festkörper-Sekundärbatterie in der Steuerschaltung 8704 bereitgestellt wird, kann elektrische Energie zugeführt werden, um Daten in einer Speicherschaltung, die in der Steuerschaltung 8704 enthalten ist, lange Zeit zu speichern. Wenn die Steuerschaltung 8704 in Kombination mit einer Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, verwendet wird, kann die Synergie bei der Sicherheit erzielt werden kann. Die Sekundärbatterie mit der Positivelektrode, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, und die Steuerschaltung 8704 können in hohem Maße zur Beseitigung von Unfällen auf Grund von Sekundärbatterien, wie z. B. Brände, beitragen.
  • 28C stellt ein Beispiel für ein Motorrad dar, bei dem die Energiespeichervorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein in 28C dargestelltes elektrisches Motorrad 8600 beinhaltet eine Energiespeichervorrichtung 8602, Seitenspiegel 8601 und Blinker 8603. Die Energiespeichervorrichtung 8602 kann den Blinkern 8603 elektrische Energie zuführen. Die Energiespeichervorrichtung 8602, die eine Vielzahl von Sekundärbatterien mit einer Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, kann eine hohe Kapazität aufweisen und zu einer Verringerung der Größe beitragen.
  • In dem in 28C dargestellten elektrischen Motorrad 8600 kann die Energiespeichervorrichtung 8602 in einer Lagereinheit bzw. Aufbewahrungseinheit (storage unit) unter dem Sitz 8604 untergebracht werden. Die Energiespeichervorrichtung 8602 kann in der Lagereinheit unter dem Sitz 8604 selbst mit einer kleinen Größe untergebracht werden.
  • Die Inhalte bei dieser Ausführungsform können mit einem beliebigen der Inhalten bei den anderen Ausführungsformen angemessen kombiniert werden.
  • (Ausführungsform 9)
  • Bei dieser Ausführungsform werden Beispiele für elektronische Geräte beschrieben, die jeweils die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten. Beispiele für das elektronische Gerät, die die Sekundärbatterie enthält, umfassen ein Fernsehgerät (auch als Fernseher oder Fernsehempfänger bezeichnet), einen Monitor eines Computers und dergleichen, eine Digitalkamera, eine digitale Videokamera, einen Digitalfotorahmen, ein Mobiltelefon (auch als Handy oder Mobiltelefongerät bezeichnet), eine tragbare Spielkonsole, ein tragbares Informationsendgerät, eine Audiowiedergabevorrichtung und einen großen Spielautomaten, wie z. B. einen Pachinko-Automaten. Beispiele für das tragbare Informationsendgerät umfassen einen Laptop-Personal-Computer, einen Tablet-Computer, ein E-Buch-Lesegerät und ein Mobiltelefon.
  • 29A stellt ein Beispiel für ein Mobiltelefon dar. Ein Mobiltelefon 2100 beinhaltet einen Anzeigeabschnitt 2102, der in einem Gehäuse 2101 eingebaut ist, einen Bedienknopf 2103, einen externen Verbindungsanschluss 2104, einen Lautsprecher 2105, ein Mikrofon 2106 und dergleichen. Das Mobiltelefon 2100 beinhaltet eine Sekundärbatterie 2107. Die Verwendung der Sekundärbatterie 2107, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, erzielt eine hohe Kapazität und eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Das Mobiltelefon 2100 kann verschiedene Applikationen ausführen, beispielsweise das Durchführen von Mobiltelefongesprächen, das Verschicken und Empfangen von E-Mails, das Anzeigen und Bearbeiten von Texten, das Wiedergeben von Musik, Internet-Kommunikation und das Ausführen von Computerspielen.
  • Mit dem Bedienknopf 2103 können verschiedene Funktionen ausgeführt werden, wie z. B. Zeiteinstellung, Ein-/Ausschalten des Stroms, Ein-/Ausschalten der drahtlosen Kommunikation, Aktivieren und Deaktivieren eines Ruhemodus sowie Aktivieren und Deaktivieren eines Stromsparmodus. Beispielsweise können die Funktionen des Bedienknopfs 2103 frei durch ein Betriebssystem, das in dem Mobiltelefon 2100 eingebaut ist, eingestellt werden.
  • Das Mobiltelefon 2100 kann die Nahfeldkommunikation ausführen, die auf einem Kommunikationsstandard basiert. Zum Beispiel kann eine gegenseitige Kommunikation mit einem Headset, das für die drahtlose Kommunikation geeignet ist, durchgeführt werden und daher ist Freisprech-Telefonate möglich.
  • Das Mobiltelefon 2100 beinhaltet ferner einen externen Verbindungsanschluss 2104, und Daten können über einen Anschluss direkt an ein weiteres Informationsendgerät gesendet und von ihm empfangen werden. Ein Laden über den externen Verbindungsanschluss 2104 ist auch möglich. Es sei angemerkt, dass der Ladevorgang ohne den externen Verbindungsanschluss 2104 durch drahtlose Stromzufuhr durchgeführt werden kann.
  • Das Mobiltelefon 2100 beinhaltet vorzugsweise einen Sensor. Als Sensor wird vorzugsweise zum Beispiel ein Sensor für den menschlichen Körper, wie z. B. ein Fingerabdrucksensor, ein Impulssensor oder ein Temperatursensor, ein Berührungssensor, ein druckempfindlicher Sensor oder ein Beschleunigungssensor montiert.
  • 29B stellt ein unbemanntes Flugzeug 2300 mit einer Vielzahl von Rotoren 2302 dar. Das unbemannte Flugzeug 2300 wird auch als Drohne bezeichnet. Das unbemannte Flugzeug 2300 beinhaltet eine Festkörperbatterie 2301 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Kamera 2303 und eine Antenne (nicht dargestellt). Das unbemannte Flugzeug 2300 kann mit der Antenne ferngesteuert werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte und einen hohen Sicherheitsgrad auf und kann daher in Sicherheit lange Zeit über einen langen Zeitraum verwendet werden und ist zur Sekundärbatterie, die in dem unbemannten Flugzeug 2300 enthalten ist, geeignet.
  • 29C stellt ein Beispiel für einen Roboter dar. Ein in 29C dargestellter Roboter 6400 beinhaltet eine Sekundärbatterie 6409, einen Beleuchtungsstärkesensor 6401, ein Mikrofon 6402, eine obere Kamera 6403, einen Lautsprecher 6404, einen Anzeigeabschnitt 6405, eine niedrigere Kamera 6406, einen Hindernissensor 6407, einen Bewegungsmechanismus 6408, eine arithmetische Vorrichtung und dergleichen.
  • Das Mikrofon 6402 weist eine Funktion auf, eine Sprechstimme des Benutzers, ein Umgebungsgeräusch und dergleichen zu erfassen. Der Lautsprecher 6404 weist eine Funktion auf, einen Ton auszugeben. Der Roboter 6400 kann das Mikrofon 6402 und den Lautsprecher 6404 verwenden, um mit dem Benutzer zu kommunizieren.
  • Der Anzeigeabschnitt 6405 weist eine Funktion zum Anzeigen verschiedener Arten von Informationen auf. Der Roboter 6400 kann auf dem Anzeigeabschnitt 6405 Informationen anzeigen, die von dem Benutzer gewünscht werden. Der Anzeigeabschnitt 6405 kann mit einem Touchscreen bereitgestellt werden. Außerdem kann der Anzeigeabschnitt 6405 ein abnehmbares Informationsendgerät sein, wobei eine Ladung und eine Datenkommunikation durchgeführt werden können, wenn der Anzeigeabschnitt 6405 auf die Zuhause-Position (Home-Position) des Roboters 6400 eingestellt wird.
  • Die obere Kamera 6403 und die untere Kamera 6406 weisen jeweils eine Funktion zum Aufnehmen von Bildern der Umgebung des Roboters 6400 auf. Der Hindernissensor 6407 kann ein Hindernis in der Richtung erfassen, in die sich der Roboter 6400 mit dem Bewegungsmechanismus 6408 vorwärtsbewegt. Der Roboter 6400 kann sich sicher bewegen, indem er mit der oberen Kamera 6403, der unteren Kamera 6406 und dem Hindernissensor 6407 die Umgebung erkennt.
  • Der Roboter 6400 beinhaltet ferner in seinem inneren Bereich die Sekundärbatterie 6409 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Halbleitervorrichtung oder eine elektronische Komponente. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte und einen hohen Sicherheitsgrad auf und kann daher in Sicherheit lange Zeit über einen langen Zeitraum verwendet werden und ist zur Sekundärbatterie 6409, die in dem Roboter 6400 enthalten ist, geeignet.
  • 29D stellt ein Beispiel für einen Reinigungsroboter dar. Ein Reinigungsroboter 6300 beinhaltet einen Anzeigeabschnitt 6302, der auf der Oberseite eines Gehäuses 6301 angeordnet ist, eine Vielzahl von Kameras 6303, die auf der Seitenfläche des Gehäuses 6301 angeordnet sind, eine Bürste 6304, Bedienknöpfe 6305, eine Sekundärbatterie 6306, verschiedene Sensoren und dergleichen. Obwohl nicht dargestellt, ist der Reinigungsroboter 6300 mit einem Reifen, einer Einlassöffnung und dergleichen bereitgestellt. Der Reinigungsroboter 6300 ist selbstfahrend, erfasst Staub 6310 und saugt durch die Einlassöffnung, die auf der Unterseite bereitgestellt ist, den Staub auf.
  • Beispielsweise kann der Reinigungsroboter 6300 bestimmen, ob ein Hindernis, wie z. B. eine Wand, ein Möbelstück oder eine Stufe, vorhanden ist, indem durch die Kameras 6303 aufgenommene Bilder analysiert werden. In dem Fall, in dem der Reinigungsroboter 6300 einen Gegenstand, der sich in der Bürste 6304 verfangen könnte (z. B. einen Draht), durch Bildanalyse erfasst, kann die Umdrehung der Bürste 6304 angehalten werden. Der Reinigungsroboter 6300 beinhaltet ferner in seinem inneren Bereich die Sekundärbatterie 6306 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Halbleitervorrichtung oder eine elektronische Komponente. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte und einen hohen Sicherheitsgrad auf und kann daher in Sicherheit lange Zeit über einen langen Zeitraum verwendet werden und wird als Sekundärbatterie 6306, die in dem Reinigungsroboter 6300 enthalten ist, bevorzugt.
  • 30A stellt Beispiele für tragbare Vorrichtungen dar. Eine Sekundärbatterie wird als Stromquelle einer tragbaren Vorrichtung verwendet. Um eine verbesserte Spritzfestigkeit, Wasserfestigkeit oder Staubfestigkeit im täglichen Gebrauch oder in der Außenanwendung von dem Benutzer aufzuweisen, wird eine tragbare Vorrichtung gewünscht, die zur drahtlosen Ladung ebenso wie zur drahtgebundenen Ladung, bei der ein Verbindungselement freigelegt ist, geeignet ist.
  • Beispielsweise kann die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer in 30A dargestellten brillenartigen Vorrichtung 4000 bereitgestellt werden. Die brillenartige Vorrichtung 4000 enthält einen Rahmen 4000a und einen Anzeigeabschnitt 4000b. Die Sekundärbatterie wird in einem Bügel des Rahmens 4000a mit einer gekrümmten Form bereitgestellt, wodurch die brillenartige Vorrichtung 4000 leicht sein kann, eine ausgeglichene Gewichtsverteilung aufweisen kann und kontinuierlich für lange Zeit verwendet werden kann. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer Headset-Vorrichtung 4001 bereitgestellt werden. Die Headset-Vorrichtung 4001 beinhaltet mindestens einen Mikrofonteil 4001a, einen flexiblen Bügel 4001b und einen Ohrhörerabschnitt 4001c. Die Sekundärbatterie kann in dem flexiblen Bügel 4001b oder dem Ohrhörerabschnitt 4001c bereitgestellt werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer Vorrichtung 4002 bereitgestellt werden, die direkt an einem Körper befestigt werden kann. Eine Sekundärbatterie 4002b kann in einem dünnen Gehäuse 4002a der Vorrichtung 4002 bereitgestellt werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer Vorrichtung 4003 bereitgestellt werden, die an der Kleidung befestigt werden kann. Eine Sekundärbatterie 4003b kann in einem dünnen Gehäuse 4003a der Vorrichtung 4003 bereitgestellt werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer gürtelartigen Vorrichtung 4006 bereitgestellt werden. Die gürtelartige Vorrichtung 4006 beinhaltet einen Gürtelabschnitt 4006a und einen drahtlosen Energieeinspeisungs- und Empfangsabschnitt 4006b, und die Sekundärbatterie kann in dem inneren Bereich des Gürtelabschnitts 4006a bereitgestellt werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Die Sekundärbatterie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer armbanduhrartigen Vorrichtung 4005 bereitgestellt werden. Die armbanduhrartige Vorrichtung 4005 beinhaltet einen Anzeigeabschnitt 4005a und einen Gürtelabschnitt 4005b, und die Sekundärbatterie kann in dem Anzeigeabschnitt 4005a oder dem Gürtelabschnitt 4005b bereitgestellt werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf und erzielt eine Struktur, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe des Gehäuses berücksichtigt wird.
  • Der Anzeigeabschnitt 4005a kann verschiedene Arten von Informationen, wie z. B. die Zeit und Empfangsinformationen einer E-Mail und eines eingehenden Anrufs, anzeigen.
  • Die armbanduhrartige Vorrichtung 4005 ist eine tragbare Vorrichtung, die direkt um einen Arm gewickelt wird; daher kann ein Sensor, der den Puls, den Blutdruck oder dergleichen des Benutzers misst, dort eingebaut werden. Daten über die Aktivitätsmenge und den Gesundheitszustand des Benutzers können gespeichert werden, um zur Gesunderhaltung genutzt zu werden.
  • 30B ist eine perspektivische Ansicht der armbanduhrartigen Vorrichtung 4005, die von einem Arm abgenommen wird.
  • 30C ist eine Seitenansicht der armbanduhrartigen Vorrichtung 4005. 30C stellt einen Zustand dar, in dem die Sekundärbatterie 913 in dem inneren Bereich eingebaut ist. Die Sekundärbatterie 913 ist die bei der Ausführungsform 3 beschriebene Sekundärbatterie. Die Sekundärbatterie 913 ist derart bereitgestellt, dass sie sich mit dem Anzeigeabschnitt 4005a überlappt, kann eine hohe Dichte und eine hohe Kapazität aufweisen und ist klein und leichtgewichtig.
  • Da die Sekundärbatterie in der armbanduhrartigen Vorrichtung 4005 klein und leichtgewichtig sein soll, ermöglicht die Verwendung des bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltenen Positivelektrodenaktivmaterials 100 in der Positivelektrode, dass die Sekundärbatterie 913 eine hohe Energiedichte und eine kleine Größe aufweist.
  • 30D stellt ein Beispiel für drahtlose Ohrhörer dar. Hier werden die drahtlosen Ohrhörer dargestellt, die ein Paar von Hauptkörpern 4100a und 4100b umfassen; jedoch ist ein Paar von Hauptkörpern nicht immer nötig.
  • Jeder der Hauptkörper 4100a und 4100b beinhaltet eine Treibereinheit 4101, eine Antenne 4102 und eine Sekundärbatterie 4103. Jeder der Hauptkörper 4100a und 4100b kann auch einen Anzeigeabschnitt 4104 beinhalten. Außerdem beinhaltet jeder der Hauptkörper 4100a und 4100b vorzugsweise ein Substrat, in dem eine Schaltung, wie z. B. eine drahtlose IC, bereitgestellt ist, einen Anschluss zur Ladung und dergleichen. Jeder der Hauptkörper 4100a und 4100b kann auch ein Mikrofon beinhalten.
  • Ein Etui 4110 beinhaltet eine Sekundärbatterie 4111. Außerdem beinhaltet das Etui 4110 vorzugsweise ein Substrat, in dem eine Schaltung, wie z. B. eine drahtlose IC oder eine Ladungssteuerung-IC bereitgestellt wird, und einen Anschluss zur Ladung. Das Etui 4110 kann auch einen Anzeigeabschnitt, einen Knopf und dergleichen beinhalten.
  • Die Hauptkörper 4100a und 4100b können drahtlos mit einem anderen elektronischen Gerät, wie z. B. einem Smartphone, kommunizieren. Daher können Tondaten und dergleichen, die von einem anderen elektronischen Gerät übertragen werden, durch die Hauptkörper 4100a und 4100b wiedergegeben werden. Wenn die Hauptkörper 4100a und 4100b ein Mikrofon beinhalten, wird Ton, der von dem Mikrofon aufgenommen wird, auf ein weiteres elektronisches Gerät übertragen, und Tondaten, die durch Verarbeitung mit dem elektronischen Gerät erhalten werden, können auf die Hauptkörper 4100a und 4100b übertragen werden und durch diesen wiedergegeben werden. Somit können die drahtlosen Ohrhörer beispielsweise als Übersetzer verwendet werden.
  • Die Sekundärbatterie 4103, die in dem Hauptkörper 4100a enthalten ist, kann durch die Sekundärbatterie 4111 geladen werden, die in dem Etui 4110 enthalten ist. Als Sekundärbatterie 4111 und Sekundärbatterie 4103 kann beispielsweise die Knopfzellen-Sekundärbatterie oder die zylindrische Sekundärbatterie der vorstehenden Ausführungsform verwendet werden. Eine Sekundärbatterie, die eine Positivelektrode beinhaltet, bei der das bei der vorstehenden Ausführungsform erhaltene Positivelektrodenaktivmaterial 100 verwendet wird, weist eine hohe Energiedichte auf; daher kann die Verwendung der Sekundärbatterie als Sekundärbatterie 4111 und Sekundärbatterie 4103 eine Struktur erzielen, bei der eine Platzersparnis auf Grund einer Verringerung der Größe der drahtlosen Ohrhörer berücksichtigt wird.
  • Diese Ausführungsform kann je nach Bedarf mit einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
  • [Beispiel]
  • In diesem Beispiel wurde ein Positivelektrodenaktivmaterial einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet, und seine Eigenschaften wurden analysiert.
  • Zuerst wird ein Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials anhand von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 beschrieben.
  • <Probe 1>
  • Als Nickelquelle wurden ein Nickel(II)-sulfat als Nickelquelle, ein Kobalt(II)-sulfat als Kobaltquelle und ein Mangan(II)-sulfat als Manganquelle verwendet, wobei sie in dem Molverhältnis von Ni:Co:Mn = 8:1:1 gewogen wurden und in Wasser aufgelöst wurden, um eine 2M Lösung zu erhalten. Der Lösung wurde 0,075M Glycin als Chelatbildner zugesetzt, um eine Säurelösung zu erhalten.
  • Eine 5M Natriumhydroxidlösung wurde als alkalische Lösung verwendet.
  • Als gefüllte Flüssigkeit wurde eine 0,075M wässrige Glycinlösung verwendet. Stickstoff wurde bei der Stickstoffdurchflussrate von 1 l/min in der gefüllten Flüssigkeit geblasen (bzw. bubbled).
  • Während die gefüllte Flüssigkeit bei 1000 U/min gerührt wurde, wurde die Säurelösung dazu getropft. Die Tropfenmenge wurde von 0,40 ml/min auf 0,93 ml/min erhöht. Die alkalische Lösung wurde angemessen getropft, um den pH-Wert der gefüllten Flüssigkeit bei 10,3 aufrechtzuerhalten. Die Temperatur der gefüllten Flüssigkeit wurde bei 70 °C gehalten. OptiMax von Mettler-Toledo K. K. wurde für die Kopräzipitationsreaktion verwendet.
  • Ein Präzipitat, das in der Kopräzipitationsreaktion erzeugt wurde, wurde mit reinem Wasser und Aceton filtriert und getrocknet, um ein Verbundhydroxid zu erhalten.
  • Ein Lithiumhydroxidmonohydrat wurde als Lithiumquelle verwendet und mit dem vorstehend erhaltenen Verbundhydroxid gemischt. Das Mischverhältnis von Lithium zur Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan war in dem Molverhältnis 1,01, wenn die Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan 1 war.
  • Die Mischung wurde in einer Sauerstoffatmosphäre unter Verwendung eines Schmelztiegels aus Aluminiumoxid bei 500 °C 10 Stunden lang in einem Muffelofen erwärmt. Die Durchflussrate von Sauerstoff war 5 l/min. Die Temperatur wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und ein Zerkleinern wurde durchgeführt, um ein Verbundoxid zu erhalten.
  • Das Verbundoxid, das auf die vorstehend beschriebene Weise erhalten wurde, wurde in ähnlicher Weise bei 800 °C 10 Stunden lang erwärmt. Ein Vergleichsbeispiel wurde auf diese Weise hergestellt, ohne dabei ein additives Element zu verwenden, und diese Probe war Probe 1.
  • <Probe 2>
  • Gallium wurde einer Probe 2 in dem Schritt S12 zugesetzt. Insbesondere wurde Gallium(III)-sulfat als Galliumquelle verwendet; Nickel, Kobalt, Mangan und Gallium wurden in dem Molverhältnis von Ni:Co:Mn:Ga = 80:10:9:1 gewogen und wurden in Wasser aufgelöst, um eine 2M Lösung zu erhalten. Glycin wurde der Lösung zugesetzt, um eine Säurelösung zu erhalten. Die Mischmenge der Säurelösung wurde von 0,20 ml/min auf 0,47 ml/min erhöht. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 1 durchgeführt. Mit anderen Worten: Die Lithiumquelle wurde zugesetzt, die Mischung wurde bei 500 °C 10 Stunden lang erwärmt und ferner bei 800 °C 10 Stunden lang erwärmt.
  • <Probe 3>
  • In einer Probe 3 wurde das gleiche Verbundhydroxid wie das Verbundhydroxid, das in der Probe 1 verwendet wurde, verwendet, und Gallium wurde in dem Schritt S41 zugesetzt. Insbesondere wurde ein Galliumoxyhydroxid als Galliumquelle verwendet, und die Galliumquelle und die Lithiumquelle wurden mit dem Verbundhydroxid gemischt, das auf ähnliche Weise wie dasjenige in der Probe 1 erhalten wurde. Das Mischverhältnis von Gallium zur Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan war in dem Molverhältnis 0,01, wenn die Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan 1 war. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 1 durchgeführt. Mit anderen Worten: Die Lithiumquelle und die Galliumquelle wurden zugesetzt, die Mischung wurde bei 500 °C 10 Stunden lang erwärmt und ferner bei 800 °C 10 Stunden lang erwärmt.
  • <Probe 4>
  • In einer Probe 4 wurde das gleiche Verbundhydroxid wie das Verbundhydroxid, das in der Probe 1 verwendet wurde, verwendet, und Gallium wurde in dem Schritt S61 zugesetzt. Insbesondere wurde ein Galliumoxyhydroxid als Galliumquelle verwendet, und die Galliumquelle wurde mit dem Verbundhydroxid gemischt, das auf ähnliche Weise wie dasjenige in der Probe 1 erhalten wurde. Das Mischverhältnis von Gallium zur Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan war in dem Molverhältnis 0,01, wenn die Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan 1 war. Insbesondere wurde die Lithiumquelle zugesetzt, die Mischung wurde bei 500 °C 10 Stunden lang erwärmt und dann bei 800 °C 10 Stunden lang erwärmt. Des Weiteren wurde die Galliumquelle zugesetzt und die Mischung wurde ferner bei 800 °C 2 Stunden lang erwärmt. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 1 durchgeführt.
  • <Probe 11>
  • Eine Probe 11 wurde auf ähnliche Weise wie Probe 1 hergestellt.
  • <Probe 12>
  • In einer Probe 12 wurde Aluminium in dem Schritt S12 zugesetzt. Insbesondere wurde Aluminiumsulfat als Aluminiumquelle verwendet, und Nickel, Kobalt, Mangan und Aluminium wurden in dem Molverhältnis von Ni:Co:Mn:Al = 79:10:10:1 gewogen und wurden in Wasser aufgelöst, um eine 2M Lösung zu erhalten. Glycin wurde zugesetzt, um eine Säurelösung zu erhalten. Die Tropfenmenge der Säurelösung war 0,8 I/min. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 2 durchgeführt.
  • <Probe 13>
  • In einer Probe 13 wurde das gleiche Verbundhydroxid wie das Verbundhydroxid, das in der Probe 11 verwendet wurde, verwendet, und Aluminium wurde in dem Schritt S41 zugesetzt. Insbesondere wurde ein Aluminiumhydroxid als Aluminiumquelle verwendet, und die Aluminiumquelle und die Lithiumquelle wurden mit dem Verbundhydroxid gemischt, das auf ähnliche Weise wie Probe 1 erhalten wurde. Das Mischverhältnis von Aluminium zur Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan war in dem Molverhältnis 0,01, wenn die Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan 1 war. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 3 durchgeführt.
  • <Probe 14>
  • In einer Probe 14 wurde das gleiche Verbundhydroxid wie das Verbundhydroxid, das in der Probe 11 verwendet wurde, verwendet, und Aluminium wurde in dem Schritt S61 zugesetzt. Insbesondere wurde ein Aluminiumhydroxid als Aluminiumquelle verwendet, und die Aluminiumquelle wurde mit dem Verbundhydroxid gemischt, das auf ähnliche Weise wie Probe 1 erhalten wurde. Das Mischverhältnis von Aluminium zur Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan war in dem Molverhältnis 0,01, wenn die Gesamtheit von Nickel, Kobalt und Mangan 1 war. Die anderen Schritte wurden auf ähnliche Weise wie Probe 4 durchgeführt.
  • Die Bedingungen zum Herstellen der Proben 1 bis 4 und der Proben 11 bis 14 werden in Tabelle 4 gezeigt.
  • [Tabelle 4]
    Additives Element Zeitpunkt des Zusatzes Entladekapazität (max.) (mAh/g)
    Probe 1 N/A - 219,5
    Probe 2 Ga S12 214,5
    Probe 3 Ga S42 213,9
    Probe 4 Ga S61 210,5
    Probe11 N/A - 214,0
    Probe 12 AI S12 216,5
    Probe 13 AI S42 218,9
    Probe 14 AI S61 217,2
  • <SEM>
  • 31A, 31B, 32A und 32B zeigen SEM-Bilder der Proben 1, 2, 3 bzw. 4. Die Positivelektrodenaktivmaterialien waren die Sekundärteilchen.
  • <Zykluseigenschaften>
  • Halbzellen wurden unter Verwendung der vorstehend erhaltenen Positivelektrodenaktivmaterialien auf die folgende Weise zusammengesetzt.
  • Acetylenruß (AB) wurde als leitendes Material vorbereitet, und Polyvinylidenfluorid (PVDF) wurde als Bindemittel vorbereitet. Dann wurden das Positivelektrodenaktivmaterial, AB und PVDF in einem Gewichtsverhältnis von dem Positivelektrodenaktivmaterial:AB:PVDF = 95:3:2 gemischt, um einen Schlamm vorzubereiten, und der Schlamm wurde auf einen Aluminiumstromkollektor aufgetragen. Als Lösungsmittel des Schlamms wurde N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) verwendet.
  • Nachdem der Schlamm auf den Stromkollektor aufgetragen worden war, wurde das Lösungsmittel verdampft, gefolgt von einer Pressung. Durch die vorstehenden Schritte wurde die Positivelektrode erhalten. Bei der Positivelektrode war das Beladungsniveau des Aktivmaterials ungefähr 7 mg/cm2.
  • Als Elektrolytlösung wurde eine Mischung aus Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) in einem Volumenverhältnis von EC:DEC = 3:7, der 2 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) als Additivmittel zugesetzt wurden, verwendet. Als Elektrolyt, der in der Elektrolytlösung enthalten ist, wurde 1 mol/l Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) verwendet. Als Separator wurde Polypropylen verwendet.
  • Als Gegenelektrode wurde ein Lithiummetall vorbereitet. Somit wurden Knopfzellen-Halbzellen hergestellt, die die vorstehenden Positivelektroden und dergleichen beinhalten. Ihre Lade- und Entladezyklusleistung wurde gemessen.
  • Eine Ladung wurde mit konstantem Strom (constant current, CC) und konstanter Spannung (constant voltage, CV) (100 mA/g, 4,5 V, Abschaltung bei 10 mA/g) durchgeführt, und eine Entladung wurde mit konstantem Strom (CC) (100 mA/g, Abschaltung bei 2,7 V) durchgeführt. Eine zehnminütige Pause wurde zwischen der Ladung und der Entladung gemacht. Die Messtemperatur jeder Zelle war 45 °C.
  • 33A und 33B zeigen Entladekapazitäten bzw. Retentionsraten der Entladekapazität der Proben 1 bis 4. 34A und 34B zeigen Entladekapazitäten bzw. Retentionsraten der Entladekapazität der Proben 11 bis 14. Die maximale Entladekapazität wird auch in Tabelle 4 gezeigt.
  • Wie in 33A, 33B, 34A und 34B gezeigt, wiesen Proben 2 bis 4 und Proben 12 bis 14 selbst bei der relativ hohen Messtemperatur von 45 °C eine ausgezeichnete Zyklusleistung auf. Insbesondere weist die Probe, in der das additive Element in dem Schritt S61 gemischt wurde, die ausgezeichnetste Retentionsrate der Entladekapazität auf. Die Retentionsraten der Entladekapazität nach den 50 Zyklen war 94,6 % in der Probe 4 und 94,0 % in der Probe 14.
  • Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2021-017119 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 5. Februar 2021, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2021017119 [0411]

Claims (22)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt und Mangan enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und einer alkalischen Lösung; Bilden einer Mischung durch Mischen des Verbundhydroxides, einer Lithiumquelle und einer Quelle eines ersten additiven Elements; und Erwärmen der Mischung, um ein Verbundoxid zu bilden, wobei die Quelle des ersten additiven Elements ein erstes additives Element umfasst, und wobei das erste additive Element mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor ist.
  2. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 1, wobei das erste additive Element Gallium ist, wobei die Quelle des ersten additiven Elements Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium ist.
  3. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Erwärmen der Mischung bei einer Temperatur von höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 700 °C durchgeführt wird.
  4. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 3, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Erwärmen des Verbundoxides, wobei der Schritt zum Erwärmen des Verbundoxides bei einer Temperatur von höher als 700 °C und niedriger als oder gleich 1050 °C durchgeführt wird.
  5. Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial umfasst, das durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wird.
  6. Fahrzeug, das umfasst: die Sekundärbatterie nach Anspruch 5; und mindestens einen/eine von einem Motor, einer Bremse und einer Steuerschaltung.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt und Mangan enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und einer alkalischen Lösung; Bilden einer ersten Mischung durch Mischen des Verbundhydroxides und einer Lithiumquelle; Erwärmen der ersten Mischung, um ein Verbundoxid zu bilden; Bilden einer zweiten Mischung durch Mischen des Verbundoxides und einer Quelle eines ersten additiven Elements; und Erwärmen der zweiten Mischung, wobei die Quelle des ersten additiven Elements ein erstes additives Element umfasst, und wobei das erste additive Element mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 7, wobei der Schritt zum Erwärmen der zweiten Mischung bei einer Temperatur von höher als 750 °C und niedriger als oder gleich 850 °C durchgeführt wird.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 7, wobei der Schritt zum Erwärmen der ersten Mischung bei einer Temperatur von höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 700 °C durchgeführt wird und dann bei einer Temperatur von höher als 700 °C und niedriger als oder gleich 1050 °C durchgeführt wird.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 7, wobei das erste additive Element Gallium ist, und wobei eine Verbindung, die das erste additive Element enthält, Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium ist.
  11. Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial umfasst, das durch das Verfahren nach Anspruch 7 hergestellt wird.
  12. Fahrzeug, das umfasst: die Sekundärbatterie nach Anspruch 11; und mindestens einen/eine von einem Motor, einer Bremse und einer Steuerschaltung.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt, Mangan und ein erstes additives Element enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt, Mangan und das erste additive Element enthält, und einer alkalischen Lösung; Bilden einer Mischung durch Mischen des Verbundhydroxides und einer Lithiumquelle; Erwärmen der Mischung, um ein Verbundoxid zu bilden; und Erwärmen des Verbundoxides, wobei das erste additive Element mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor ist.
  14. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Erwärmen der Mischung bei einer Temperatur von höher als oder gleich 400 °C und niedriger als oder gleich 700 °C durchgeführt wird, und wobei der Schritt zum Erwärmen des Verbundoxides bei einer Temperatur von höher als 700 °C und niedriger als oder gleich 1050 °C durchgeführt wird.
  15. Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial umfasst, das durch das Verfahren nach Anspruch 13 hergestellt wird.
  16. Fahrzeug, das umfasst: die Sekundärbatterie nach Anspruch 15; und mindestens einen/eine von einem Motor, einer Bremse und einer Steuerschaltung.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Verbundhydroxides, das Nickel, Kobalt, Mangan und ein erstes additives Element enthält, durch eine Reaktion zwischen einer wässrigen Lösung, die Nickel, Kobalt, Mangan und das erste additive Element enthält, und einer alkalischen Lösung; Bilden einer ersten Mischung durch Mischen des Verbundhydroxides und einer Lithiumquelle; Erwärmen der ersten Mischung, um ein Verbundoxid zu bilden; Bilden einer zweiten Mischung durch Mischen des Verbundoxides und einer Quelle eines zweiten additiven Elements; und Erwärmen der zweiten Mischung, wobei das erste additive Element mindestens eines von Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor ist, wobei die Quelle des zweiten additiven Elements ein zweites additives Element umfasst, und wobei das zweite additive Element mindestens eines von Calcium, Gallium, Bor, Aluminium, Indium, Magnesium und Fluor ist.
  18. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Erwärmen der zweiten Mischung bei einer Temperatur von höher als 750 °C und niedriger als oder gleich 850 °C durchgeführt wird.
  19. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 17, wobei das erste additive Element Gallium ist, wobei eine Quelle eines ersten additiven Elements Galliumhydroxid, Galliumoxyhydroxid oder ein organisches Säuresalz von Gallium ist, wobei das zweite additive Element Calcium ist, und wobei die Quelle des zweiten additiven Elements Calciumcarbonat oder Calciumfluorid ist.
  20. Verfahren zum Herstellen eines Positivelektrodenaktivmaterials nach Anspruch 17, wobei das erste additive Element Aluminium ist, und wobei das zweite additive Element Calcium ist.
  21. Sekundärbatterie, die das Positivelektrodenaktivmaterial umfasst, das durch das Verfahren nach Anspruch 17 hergestellt wird.
  22. Fahrzeug, das umfasst: die Sekundärbatterie nach Anspruch 21; und mindestens einen/eine von einem Motor, einer Bremse und einer Steuerschaltung.
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