JP2020149829A - 活物質、電極、二次電池、電池パック及び車両 - Google Patents
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Abstract
Description
1/10000≦(γ/σ)≦1/100 (2)
但し、αは単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子のNbのモル数で、βは単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子のTiのモル数で、γは炭素繊維中の全金属元素の重量で、σは炭素繊維の炭素重量である。
実施形態によれば、Liイオンを吸蔵放出することが可能な単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子と、単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆する炭素繊維とを含む活物質が提供される。単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子は下記(1)式を満たす。単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子の平均一次粒子径が0.05μm以上2μm以下である。炭素繊維は、Fe、Co及びNiからなる群から選択される1種類以上の金属元素を含有し、かつ下記(2)式を満たす。炭素繊維の平均繊維径は5nm以上100nm以下の範囲である。
1/10000≦(γ/σ)≦1/100 (2)
但し、αはニオブチタン複合酸化物粒子のNbのモル数で、βはニオブチタン複合酸化物粒子のTiのモル数で、γは炭素繊維中の全金属元素の重量で、σは炭素繊維の炭素重量である。
γは炭素繊維中の全金属元素の重量で、σは炭素繊維の炭素重量である。
上記の方法で抽出した炭素繊維をIPC(ICP-MS:Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry 誘導結合プラズマ質量分析)にて炭素繊維の炭素重量及び炭素繊維中の金属元素の重量を求める。
第2の実施形態によれば、電極が提供される。電極は、第1の実施形態の活物質を含む。電極は、集電体と、集電体の少なくとも一方の主面に保持され、活物質及び結着剤、必要に応じて導電剤を含む活物質含有層とを含む。
第3の実施形態によれば、正極と、負極と、非水電解質とを含む二次電池が提供される。第2の実施形態の電極は、正極または負極として使用可能である。ここでは、電極を負極として使用した例を説明する。第3の実施形態の二次電池は、正極と負極の間にセパレータを配置することができ、また、これらと非水電解質を収納するための容器をさらに含むことができる。
この正極は、正極集電体と、集電体の片面もしくは両面、両方の主面のうちの少なくとも一方の主面に保持され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極活物質含有層とを含む。
フッ素化硫酸鉄としては、例えば、LixFeSO4F(0<x≦1)などが挙げられる。
第1元素は、粒子径0.001〜1μmの金属酸化物粒子及び/またはリン酸化物粒子の形態で付着、もしくは金属酸化物層及び/またはリン酸化物層として正極活物質粒子の表面の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。あるいは、第1元素は、正極活物質粒子の表面層に固溶していても良い。金属酸化物の例には、MgO、Al2O3、SnO、ZrO2,TiO2,BaO、B2O3などが含まれる。リン酸化物の例には、AlPO4、Mg3(PO4)2、Sn3(PO4)2などが含まれる。また、第1元素としてCを用いる場合、平均粒子1μm以下のカーボン粒子が活物質表面に付着していることが好ましい。第1元素の金属酸化物、リン酸化物、カーボン粒子の量は、正極活物質の0.001〜3重量%であることが好ましい。
非水電解質としては、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状の有機電解質、液状の有機溶媒と高分子材料を複合化したゲル状の有機電解質、またはリチウム塩電解質と高分子材料を複合化した固体非水電解質が挙げられる。また、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)を非水電解質として使用してもよい。高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。
(セパレータ)
正極と負極の間にはセパレータを配置することができる。セパレータとして、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのオレフィン系多孔質膜、セルロース繊維製のものを用いることができる。セパレータの気孔率は50%以上にすることができる。さらに、表面に無機粉末をコートしたセパレータを用いることができる。
正極、負極及び非水電解質が収容される容器には、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器を使用することができる。
負極端子は、負極活物質のLi吸蔵放出電位において電気化学的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成することができる。具体的には、負極端子の材料としては、銅、ニッケル、ステンレス若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
正極端子は、リチウムの酸化還元電位に対し3V以上4.5V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
(第4の実施形態)
第4の実施形態の組電池は、第3の実施形態の二次電池を複数含む。
(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る電池パックは、第1の実施形態に係る二次電池(単電池)を1個又は複数個具備することができる。複数の二次電池は、電気的に直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて接続され、組電池を構成することもできる。第5の実施形態に係る電池パックは、複数の組電池を含んでいてもよい。
第6の実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。
(実施例1)
正極活物質に、平均二次粒子径が5μmのリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)を用いた。正極活物質90重量%に対し、導電剤としてアセチレンブラックを5重量%、結着剤として5重量%のPVdFをそれぞれ配合した。これらをn−メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散してスラリーを調製した後、スラリーを厚さ15μmのアルミニウム合金箔(純度99%)の両面に塗布し、乾燥し、プレス工程を経て、片面当りの正極材料層(正極活物質含有層)の厚さが38μm、電極密度2.0g/cm3の正極を作製した。
得られたTiK0.002Ta0.001Nb1.99O7粉末を、平均繊維径20nm、Co,Ni及びFeからなる金属元素を含む多層カーボンナノチューブ(MCNT)の粉末5重量%を分散させた水溶液に加え、攪拌混合して均一に分散させた。なお、金属元素重量の炭素繊維の炭素重量に対する比率(γ/σ)は、前述の方法で測定され、0.001であった。また、炭素繊維の繊維径に対する繊維長の比率(繊維長/繊維径)は200であった。その後、この分散液に、結着剤としてセルロースナノファイバー(CeNF),カルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)と、導電剤として黒鉛とアセチレンブラック(AB)を加え、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、負極スラリーを作製した。TiK0.002Ta0.001Nb1.99O7とMCNTと黒鉛とABとCeNFとCMCとSBRの配合の重量比率は、90:2:3:1:1:1:2に調整した。炭素繊維の添加比率(ニオブチタン複合酸化物粒子の重量に対する炭素繊維重量の比率)を下記表1に示す。
得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔(純度99.3%)に塗布し、乾燥し、加熱プレス工程を経ることにより、片面当りの負極材料層(負極活物質含有層)の厚さが30μm、電極密度が2.7g/cm3の負極を作製した。また、負極材料層のBET比表面積(負極材料層1g当りの表面積)は5m2/gであった。
(実施例2〜18および比較例1〜6)
モル比(α/β)、炭素繊維中の金属元素の種類、重量比率(γ/σ)、炭素繊維の平均繊維径、M元素の種類とw、ニオブチタン複合酸化物粒子の平均一次粒子径、炭素繊維の添加比率(炭素繊維/ニオブチタン複合酸化物)を下記表1,2に示すようにすること以外は、実施例1で説明したのと同様にして薄型の非水電解質二次電池を作製した。
モル比(α/β)、M元素の種類とw、及び平均一次粒子径が表2に示す通りであるニオブチタン複合酸化物粒子を、5重量%のスクロース水溶液に添加し、これらを攪拌した後、80℃で乾燥させた。得られた前駆体をアルゴン雰囲気で550℃で6時間熱処理を施すことにより、ニオブチタン複合酸化物粒子の表面を炭素層で被覆した。炭素層は、Si,Na及びKを(γ/σ)が表2に記載の量で含有した炭素繊維であった。炭素繊維の平均繊維径及び炭素繊維の添加比率(炭素繊維/ニオブチタン複合酸化物)を表2に示す。得られた活物質を、TiK0.002Ta0.001Nb1.99O7とMCNTの混合物の代わりに用いること以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
なお、炭素繊維中の金属元素は、スクロース水溶液中に含有する不純物に由来するものであり、また、(γ/σ)の値が0.2になるのは、不純物の多い原料(スクロース水溶液)を用いて550℃の低温で熱処理した結果、不純物が揮発しなかったためであると推測される。
Claims (12)
- 下記(1)式を満たし、かつLiイオンを吸蔵放出することが可能な単斜晶型のニオブチタン複合酸化物粒子と、
前記ニオブチタン複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆し、Fe、Co及びNiからなる群から選択される1種類以上の金属元素を含有し、かつ下記(2)式を満たす平均繊維径5nm以上100nm以下の範囲の炭素繊維とを含み、前記ニオブチタン複合酸化物粒子の平均一次粒子径が0.05μm以上2μm以下の範囲である、活物質。
1.5≦(α/β)≦2.5 (1)
1/10000≦(γ/σ)≦1/100 (2)
但し、αは前記ニオブチタン複合酸化物粒子のNbのモル数で、βは前記ニオブチタン複合酸化物粒子のTiのモル数で、γは前記炭素繊維中の全金属元素の重量で、σは前記炭素繊維の炭素重量である。 - 前記ニオブチタン複合酸化物粒子は、LixTiMwNb2±yO7±z(0≦x≦5、0≦y≦0.5、−0.3≦z≦0.3、0≦w≦0.01、MはTi及びNb以外の少なくとも一種類の金属)で表される単斜晶型のニオブチタン複合酸化物を含む、請求項1に記載の活物質。
- 前記Mは、K及びTaよりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含む、請求項2に記載の活物質。
- 前記wは下記(3)式を満たす、請求項2〜3のいずれか1項に記載の活物質。
0.001≦w≦0.005 (3) - 前記(γ/σ)の値は、下記(4)式を満たす、請求項1〜4のいずれか1項に記載の活物質。
1.5/10000≦(γ/σ)≦1/1000 (4) - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の活物質を含む、電極。
- 正極と、請求項1〜5のいずれか1項に記載の活物質を含む負極と、非水電解質とを含む、二次電池。
- 請求項7に記載の二次電池を含む電池パック。
- 通電用の外部端子と、
保護回路と
を更に具備する請求項8に記載の電池パック。 - 複数の前記二次電池を具備し、
前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている請求項8又は9に記載の電池パック。 - 請求項8〜10の何れか1項に記載の電池パックを搭載した車両。
- 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む請求項11に記載の車両。
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