JP2009512986A - リチウムイオン電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、概して、リチウムイオン電池に関するものである。さらに具体的に言うと、本発明は、急速な再充電、より長い電池寿命、及び、本質的な安全操業を提供するリチウムイオン電池に関するものである。電池態様に関しては、本発明は、以下の要素を備えた電池を提供するものである。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を持つナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を持つナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備えた電池である。上記電池の充電率は、少なくとも１０Ｃである。

Description

発明の詳細な説明
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、概して、リチウムイオン電池に関するものである。さらに具体的に言うと、本発明は、急速な再充電、より長い電池寿命、及び、本質的な安全操業を提供するリチウムイオン電池に関するものである。
〔背景技術〕
リチウムイオン電池の改良は、長年、研究課題とされてきた。リチウムイオン電池の改良研究に関係する最近の報告の例として、以下の５つの特許文献がある。
米国特許第7,115,339号は、リチウムイオン二次電池について述べている。当該リチウムイオン二次電池は、陽極、陰極、陽極と陰極との間に置かれたセパレータ、及び、非水溶媒にリチウム塩を溶かして作製した電解質を含む。セパレータは、塩基性の固体粒子を含有する多孔質膜層と、合成接合剤とを有している。多孔質膜層は、陽極と陰極の内、少なくとも一つの極の、少なくとも一つの表面に接着されている。合成接合剤は、一次接合剤と二次接合剤とを含んでおり、一次接合剤はポリエーテルスルホンを含んでおり、二次接合剤は、ポリビニルピロリドンを含んでいる。
米国特許第7,101,642号は、電池に永久的な損傷をもたらすことなく、極めて低電圧で放電することができるよう作られたリチウムイオン電池について報告している。上記特許文献で述べられた上記電池の一つは、LiNixCoi-x-yMyO2（Mは、Mn、Al、Mg、B、Ti、または、Li）を含有する第一活性剤を有している。上記電池は、さらに、炭素を含有する第二活性剤を有している。上記電池電解質は、電池の陰極と反応し、固体電解質界面層（solid electrolyte interface layer）を形成する。
米国特許第7,087,349号は、有機電解液を有するリチウム電池に関するものである。上記電解液は、リチウム金属に吸収される能力を有するエチレンオキシド鎖を有する高分子吸収剤を含有している。さらに、上記電解液は、リチウムと反応してリチウム合金、リチウム塩、及び、有機溶媒を産生する能力を有する物質を含有している。上記特許文献によると、有機電解液はリチウム金属を安定化し、リチウムイオン性の導電率を増加する効果を有する。
米国特許第7,060,390号では、複数個のリチウムナノ粒子をドープした遷移合金酸化物(transition metal alloy oxides)を含有する陰極を有するリチウムイオン電池について述べられている。上記合金酸化物は、分子式LixCoyNizO2で表される。上記電池の陽極は、少なくとも一つのカーボン・ナノチューブ配列、電解質、及び、陽極と陰極とを隔離する膜を有している。陽極内のカーボン・ナノチューブは、複数個の多重カーボン・ナノチューブを有している。
米国特許第7,026,074号は、安全性が改良されたリチウム電池について報告している。上記電池は、電池電解質溶液に、一つ、又は、それ以上の添加剤を使用している。上記電解質溶液において、有機溶媒中にリチウム塩が溶解している。添加物の例として、２重量％のリン酸トリフェニル、１重量％のジフェニルモノブチルフォスフェート、及び、２重量％のビニルエチレンカーボネート添加物を含む。リチウム塩は一般的にはLiPF6であり、電解質溶媒は、通常、EC/DECである。
リチウムイオン電池に関して研究されているにもかかわらず、未だ、再充電、電池寿命、及び、安全性に関する性能を強化したリチウムイオン電池が必要とされている。上記性能を強化したリチウムイオン電池を提供することが本発明の目的である。
〔発明の概要〕
本発明は、概して、リチウムイオン電池に関するものである。さらに具体的に言うと、本発明は、急速な再充電、より長い電池寿命、及び、本質的な安全操業を提供するリチウムイオン電池に関するものである。
電池態様に関しては、本発明は、以下の要素を備えた電池を提供するものである。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備えた電池である。上記電池の充電率は、少なくとも１０Ｃである。
〔発明の詳細な説明〕
本発明の電池は、特に、電池電極において、ナノマテリアルを含む。上記本電池は、高速で再充電される電池（例えば、数分）、電気自動車やハイブリッド電気自動車のための電池、及び、電動工具のための電池のような、ある種の市場区分の製品を可能にする実用的な充電率を提供するものである。本発明において使用されるナノマテリアルは、より確かな安全性とより長い寿命とを提供するという特殊な化学的性質を示す。上記性質は、従来技術以上の極めて高い価値をもたらすものである。
電極の結晶サイズを小さくすると、電気化学的な充電及び放電の過程でリチウムイオンが上記粒子中に移動するのに必要な拡散距離が減少する。しかしながら、以下の式に記載のように、上記結晶サイズを小さくすると、リチウムイオンが上記結晶中に入る為に使用可能な結晶／電解質間の界面領域も増加する。
Ａ ＝ ２π／ρＲ
上記式において、Ａは界面特異的領域(interface specific area)、ρは密度、及び、Ｒは結晶の半径を表している。上記因子の組み合わせにより、活性剤粒子中でのリチウムイオンの物質移動特性が大幅に改善され、電極の充電率／放電速度能力（discharge rate capability）、それぞれの性能が劇的に上昇する。
さらに、結晶サイズを小さくすることにより、電極／電解質間の界面領域が増加し、電極の界面インピーダンスが減少する。また、材料粒子サイズを小さくすることにより、結晶内のリチウムイオンの移動が改善され、電極インピーダンスの拡散律速部分が減少する。上記の結果、結晶サイズを数マイクロメートルから１０ナノメートルに小さくすることで、セルの電力が劇的に改善される。
速度能力(rate capability)、及び、電力性能における改良により、高電力で高速(high rate)の電池の実現を見込める材料を提供できる。上記本発明は、ナノ結晶のLi4Ti5O12化合物を含む陽極を有する電池に関するものである。上記化合物は、結晶サイズ、粒子サイズ、粒子の形状、粒子の多孔性、及び、結晶の連結度の制御下で合成される。Li4Ti5O12スピネルナノ結晶の球状粒子の例を、図１に示す。
Li4Ti5O12陽極材料は、明確な有孔性と結晶の連結とを有するナノ結晶の凝集体を含む。上記材料は、結晶間での最適な電子運搬と同様、上記粒子構造の中へ、及び、粒子構造外へのリチウムイオンの最適な移動を可能にする。図２は、上記ナノ結晶材料を陰極に用いたリチウムイオンセルの放電速度能力の例を示す。図３は、上記セルのサイクル特性を示す。
ナノ結晶のLi4Ti5O12材料のBrunauer-Emmett-Teller（BET）比表面積は、少なくとも、１０ｍ２／ｇである。一般に、上記材料のＢＥＴ比表面積は、１０〜２００ｍ２／ｇの範囲であり、多くの場合、上記材料のＢＥＴ比表面積は、２０〜１６０ｍ２／ｇ、又は、３０〜１４０ｍ２／ｇの範囲である。ある場合においては、上記材料のＢＥＴ比表面積は、７０〜１１０ｍ２／ｇの範囲である。
本発明に関する研究により、LiCoO2、及び、LiNiXCo1-xO2を用いた市販の電池において測定されるインピーダンスは、陽極の界面抵抗によって制御されることが明らかになった。よって、上記陽極を炭素からLi4Ti5O12スピネルに変更して、生じる電圧の不利を考慮に入れると、上記一般的に使われる材料を対応する陰極に用いた際に電力が減少することが予測できる。さらに、Li4Ti5O12スピネルを陰極としてLi4Ti5O12陽極と組み合わせて使った場合、マンガン酸塩スピネル材料の有する、より少ない界面インピーダンス及び三次元構造により、優れた電池性能が見込まれることも明らかになった。ナノ構造化したLiMn2O4を用いることで、さらに電池性能が改善される。ナノ結晶のLiMn2O4に関する詳しい実験の結果を図３に示す。
ナノ結晶のLiMn2O4材料のＢＥＴ比表面積は、概して、少なくとも５ｍ２／ｇである。一般的には、上記材料のＢＥＴ比表面積は、少なくとも７．５ｍ２／ｇである。多くの場合、上記材料のＢＥＴ比表面積は、少なくとも１０ｍ２／ｇ若しくは１５ｍ２／ｇであり、ある場合においては、上記材料のＢＥＴ比表面積は、少なくとも２０ｍ２／ｇ若しくは２５ｍ２／ｇである。
本発明の電池で使用される電解質溶液は、一般に、リチウム塩のような電解質、及び、非水溶媒を含有している。上記リチウム塩の例として、フッ素含有無機リチウム塩(例えば、LiPF6、LiBF4)、塩素含有無機リチウム塩（例えば、LiC1O4）、フッ素含有有機リチウム塩（例えば、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiCF3SO3、LiC(CF3SO2)3、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF4SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、及び、LiBF2(C2F5SO2)2）が挙げられるが、これらに限定されない。非水溶媒の主成分の例として、環状炭酸塩（例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート）、直鎖炭酸塩（例えば、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート）、及び、環状カルボン酸エステル（例えば、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン）、又は、これらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
非水電解液は、任意に他の成分を含んでいてもよい。上記任意成分とは、過充電防止剤、脱水剤、及び、酸除去剤のような従来から知られている助剤であるが、これらに限定されない。過充電防止剤の例として、ビフェニルのような芳香族化合物（例えば、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分的水素化物、シクロヘキシルベンゼン、ｔ‐ブチルベンゼン、ｔ‐アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、及び、ジベンゾフラン）、芳香族化合物の部分的フッ素化物（例えば、２‐フルオロビフェニル、ｏ‐シクロヘキシルフルオロベンゼン、及び、ｐ‐シクロヘキシルフルオロベンゼン）、及び、フッ素含有アニソール化合物（例えば、２，４‐ジフルオロアニソール、２，５‐ジフルオロアニソール、及び、２，６‐ジフルオロアニソール）が挙げられるが、これらに限定されない。
高温で保存後の容量維持特性(capacity maintenance characteristics)とサイクル特性とを改善するための助剤の例として、炭酸塩化合物（例えば、ビニルエチレンカーボネート、フッ化エチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、エリトリタンカーボネート(ervthritan carbonate)、及び、スピロ‐ビスジメチレンカーボネート）、カルボン酸無水物（例えば、無水コハク酸、グルタル酸無水物、無水マレイン酸、シトラコン酸無水物、グルタコン酸無水物、イタコン酸無水物、ジグリコール酸無水物、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸無水物、及び、フェニルコハク酸無水物）、硫黄含有化合物（例えば、亜硫酸エチレン、１,３‐プロパンスルトン、１,４‐ブタンスルトン、メチルメタンスルホネート、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、ジフェニルスルホン、メチルフェニルスルホン、ジブチルジスルフィド、ジシクロヘキシルジスルフィド、テトラメチルチウラムモノスルフィド、Ｎ，Ｎ‐ジメチルメタンスルホンアミド、及び、Ｎ，Ｎ‐ジエチルメタンスルホンアミド）、窒素含有化合物（例えば、１‐メチル‐２‐ピロリジノン、１‐メチル‐２‐ピペリドン、３‐メチル‐２‐オキサゾリジノン、１，３‐ジメチル‐２‐イミダゾリジノン、及び、Ｎ‐メチルスクシンイミド）、炭化水素化合物（例えば、ヘプタン、オクタン、及び、シクロヘプタン）、及び、フッ素含有化合物（例えば、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、及び、ベンゾトリフルオリド）が挙げられるが、これらに限定されない。上記化合物は、個々に、又は、組み合わせて使用してもよい。
本発明の電池は、電解質溶液中に鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を含有しない。
本発明の電池に含まれるセパレータは、任意の適切なものでよい。例えば、ポリオレフィン製のセパレータ、フッ素化ポリオレフィン製のセパレータ、フッ素樹脂製のセパレータ（例えば、ポリエチレン製のセパレータ）、ポリプロピレン製のセパレータ、ポリフッ化ビニリデン製のセパレータ、ＶＤＦ−ＨＥＰ共重合体製のセパレータ、ポリエチレン／ポリプロピレン二重層製のセパレータ、ポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレン三重層製のセパレータ、及び、ポリエチレン／ポリプロピレン／ポリエチレン三重層製のセパレータが挙げられるが、これらに限定されない。
従来のリチウム電池は、次の性能特性を有している。具体的には、１／２Ｃの充電率(すなわち、２時間)、４Ｃの放電率(すなわち１５分)、３００〜５００サイクルのサイクル寿命(放電深度（depth of discharge）、いわゆるＤＯＤが浅く、完全放電深度ではない)、及び、２〜３年の寿命である。本発明の電池は、一般に、次の性能特性を有している。具体的には、１０Ｃ(すなわち、６分)、２０Ｃ(すなわち、３分)、又は、それ以上の充電率を有し、１０Ｃ、２０Ｃ、３０Ｃ (すなわち、２分)、４０Ｃ(すなわち、１．５分)、または、それ以上の放電率を有し、１，０００サイクル、２，０００サイクル、３，０００サイクル、又は、それ以上(完全ＤＯＤ)のサイクル寿命を有し、及び、５〜９年、又は１０〜１５年の寿命を有している。
従来のリチウム電池は、潜在的に、１３０℃以上で強い熱散逸がおこる問題がある。上記問題は、普通に電極表面に存在する高い熱インピーダンスにより深刻化する。実際の充電率や放電率における電池の安全性は、高い抵抗を電流が通ることで生じる熱によって、しかるべく限定される。放電及び逆放電の状況下で、セルの充電と電圧とのバランスを保ち、過充電の危険な状態を避けるためには、高価で精密な電子回路が必要である。
本発明の電池は、２５０℃以下での熱散逸熱散逸が解消されている。これは、一部分は、ナノ構造化した材料を用いた電極構造の内部インピーダンスが非常に低くなったことによる。これは、上記材料は、高電流における充電及び放電の間の加熱を最小限にする効果があるためである。加えて、本発明の電池は、標準的なリチウムイオン電池に必要な高レベルの高価な制御回路が必要ではない。これは、上記電池が過充電でも安全な為で、完全放電時にダメージを受けないためである。制御回路により、セル電圧のバランスをとる必要性を最小限にすることができる。よって、掛かる費用を大幅に削減することができる。
本発明の電池には、多くの用途がある。電池の用途としては、無停電電源装置（uninterruptible power supply (UPS)）の代替装置、電気自動車やハイブリッド電気自動車の電池、及び、電動工具の為の電池が挙げられるが、これらに限定されない。
ＵＰＳシステムは、予備電力を供給する為の、鉛酸電池若しくは機械式フライホイールを使用する。電池を基盤としたシステムには、鉛酸電池が衰え易く、１年半〜４年ごとに取り替える必要があるという問題がある。さらに、機械式フライホイールは、１５〜２０秒の予備電力しか供給できない。それ故に、更なる予備電力を供給する為に、８秒後には発電機がスタートすると推測される。
本発明の電池は、フライホイール式ＵＰＳシステムの固体の代替装置であり、定期保守を必要としない。上記電池は、通常使用で最長１５年まで動き、広範囲の温度(−４０℃から＋６５℃)で機能するよう設計されている。
従来のＨＥＶ電池システムは、重い、及び／又は、毒性のある鉛酸電池、カドミウム電池、または、ニッケル電池を使用する点に問題がある。上記電池は、少なくとも５〜７年ごとに数千ドルの費用をかけて取り替えなければならない。性能の面では、従来の電池の電力は限られているので、一つの電池電力あたりの加速が制限される。上記問題は、現在のＨＥＶ電池システムが相対的に重いことによっても深刻化されている。
環境及び重量における効果に加え、本発明の電池は、非常に高い放電率（１００Ｃ、及び、それ以上）と、４０Ｃ（現在、他の技術では実現できない）までの充電率とを有している。上記高充電率により、およそ１．５分で完全に充電できる。その結果、ハイブリッド自動車が上記の画期的材料の進歩の恩恵を受けるだけでなく、初めて、実用的な完全電気自動車が現実的な選択肢になりうる。
通常、電池パックは、現在使用できる電動工具電池の重量の理由から、サイズに制限がある。電池パックのサイズは、それに応じて、電池あたりの稼働時間を制限する。また、バッテリーパックの再充電時間は１〜２時間に及ぶ。更に、ほとんどの電動工具電池システムは、腐食性電解質に加えて、カドミウムやニッケルを含有している。
上記と比較して、本発明の電池パックは、通常、１〜２ポンドの重量で、サスペンダーベルトに携帯することができる。上記電池パックは、５〜６時間の稼動向けに最適化されており、１０〜１５分で再充電することができる。上記電池パックは、ニッケル、カドミウム、又は、他の有害な物質を少しも含有していない。
本発明の電池とその利用例を以下に示すが、これらに限定されない。
１．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有する電池。
２．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、少なくとも１０Ｃの放電率とを有する電池。
３．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命とを有する電池。
４．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、５〜９年の寿命とを有する電池。
５．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、１０〜１５年の寿命とを有する電池。
６．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有しない電池。
７．以下の要素を備える電池。具体的には、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有し、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
８．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有する電池。
９．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、少なくとも１０Ｃの放電率とを有する電池。
１０．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命とを有する電池。
１１．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、５〜９年の寿命とを有する電池。
１２．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率と、１０〜１５年の寿命とを有する電池。
１３．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有しない電池。
１４．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも１０Ｃの充電率を有し、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
１５．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率とを有する電池。
１６．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命とを有する電池。
１７．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有する電池。
１８．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有しない電池。
１９．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも１，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有せず、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
２０．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも２，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有せず、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
２１．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも２０Ｃの放電率と、少なくとも３，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有せず、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
２２．以下の要素を備える電池。具体的には、３０〜１４０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するナノ結晶のLiMn2O4スピネルを含む陰極とを備える電池で、少なくとも２０Ｃの充電率と、少なくとも４０Ｃの放電率と、少なくとも３，０００サイクルのサイクル寿命と、１０〜１５年の寿命とを有し、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解液中に含有せず、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
２３．上記１〜２２項の中の１つの電池を備える無停電電源装置の代替装置。
２４．上記１〜２２項の中の１つの電池を備える電気自動車。
２５．上記１〜２２項の中の１つの電池を備えるハイブリッド電気自動車。
２６．上記１〜２２項の中の１つの電池を備える電動工具。
図１は、ナノ結晶のLi4Ti5O12スピネル粒子を示している。 図２は、ナノ構造のLi4Ti5O12陽極材料で構成されたリチウムイオンセルの放電能力とサイクル数との関係を示したグラフである。 図３は、従来型のリチウムイオン電池と比較して、ナノ構造のLi4Ti5O12陽極材料で構成されたリチウムイオンセルの放電能力と放電率との関係を示したグラフ、及び、放電能力と充電率との関係を示したグラフである。

Claims (14)

  1. ａ）少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、ナノ結晶のLi4Ti5O12を含む陽極と、
    ｂ）少なくとも５ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、ナノ結晶のLiMn2O4スピネル(spinel)を含む陰極とを備え、充電率が少なくとも１０Ｃである電池。
  2. 請求項１に記載の電池であり、放電率が少なくとも１０Ｃである電池。
  3. 請求項２に記載の電池であり、サイクル寿命が少なくとも１，０００サイクルである電池。
  4. 請求項３に記載の電池であり、５〜９年の寿命を有する電池。
  5. 請求項３に記載の電池であり、１０〜１５年の寿命を有する電池。
  6. 請求項５に記載の電池であり、鉛、ニッケル、カドミウム、酸、又は、腐食剤を電解質溶液中に含有しない電池。
  7. 請求項６に記載の電池であり、２５０℃以下での熱散逸が解消されている電池。
  8. 請求項７に記載の電池であり、ナノ結晶のLi4Ti5O12は、３０〜１４０ｍ２／ｇの範囲のＢＥＴ比表面積を有する電池。
  9. 請求項８に記載の電池であり、ナノ結晶のLiMn2O4スピネルは、少なくとも１０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有する電池。
  10. 請求項９に記載の電池であり、サイクル寿命が少なくとも２，０００サイクルである電池。
  11. 請求項５に記載の電池である無停電電源装置の代替装置。
  12. 請求項５に記載の電池を備えた電気自動車。
  13. 請求項５に記載の電池を備えたハイブリッド電気自動車。
  14. 請求項５に記載の電池を備えた電動工具。
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