JP5833176B2 - Nonaqueous electrolyte battery and battery pack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は非水電解質電池及び電池パックに関する。 Embodiments described herein relate generally to a nonaqueous electrolyte battery and a battery pack.
近年、高エネルギー密度電池として、リチウムイオン二次電池のような非水電解質電池の研究開発が盛んに進められている。非水電解質電池は、ハイブリッド自動車や、電気自動車、携帯電話基地局の無停電電源用などの電源として期待されている。そのため、非水電解質電池は、急速充放電特性、長期信頼性のような他の特性を有することも要求されている。例えば、急速充放電が可能な非水電解質電池は、充電時間が大幅に短縮されるだけでなく、ハイブリッド自動車等の動力性能の向上や動力の回生エネルギーの効率的な回収も可能である。 In recent years, research and development of non-aqueous electrolyte batteries such as lithium ion secondary batteries have been actively promoted as high energy density batteries. Non-aqueous electrolyte batteries are expected as a power source for uninterruptible power supplies of hybrid vehicles, electric vehicles, and mobile phone base stations. Therefore, the nonaqueous electrolyte battery is also required to have other characteristics such as rapid charge / discharge characteristics and long-term reliability. For example, a non-aqueous electrolyte battery capable of rapid charge / discharge not only greatly shortens the charging time, but also improves the power performance of a hybrid vehicle or the like and efficiently recovers the regenerative energy of the power.
急速充放電を可能にするためには、電子及びリチウムイオンが正極と負極の間を速やかに移動できることが必要である。カーボン系負極を用いた電池は、急速充放電を繰り返すと、電極上に金属リチウムのデンドライト析出が生じ、内部短絡による発熱や発火の虞があった。 In order to enable rapid charge / discharge, it is necessary that electrons and lithium ions can move quickly between the positive electrode and the negative electrode. In a battery using a carbon-based negative electrode, when rapid charge and discharge are repeated, dendritic deposition of metallic lithium occurs on the electrode, and there is a risk of heat generation or ignition due to an internal short circuit.
そこで、炭素質物の代わりに金属複合酸化物を負極に用いた電池が開発された。特に、チタン酸化物を負極に用いた電池は、安定的な急速充放電が可能であり、カーボン系負極に比べて寿命も長いという特性を有する。 Accordingly, a battery using a metal composite oxide as a negative electrode instead of a carbonaceous material has been developed. In particular, a battery using titanium oxide as a negative electrode has characteristics that it can be stably charged and discharged quickly and has a longer life than a carbon-based negative electrode.
しかしながら、チタン酸化物は炭素質物に比べて金属リチウムに対する電位が高い(貴である)。その上、チタン酸化物は、重量あたりの容量が低い。このため、チタン酸化物を負極に用いた電池は、エネルギー密度が低いという問題がある。 However, titanium oxide has a higher potential for metal lithium (noble) than carbonaceous material. Moreover, titanium oxide has a low capacity per weight. For this reason, the battery using titanium oxide for the negative electrode has a problem that the energy density is low.
例えば、チタン酸化物の電極電位は、金属リチウム基準で約1.5Vであり、カーボン系負極の電位に比べて高い(貴である)。チタン酸化物の電位は、リチウムを電気化学的に挿入脱離する際のTi3+とTi4+の間での酸化還元反応に起因するものであるため、電気化学的に制約されている。また、1.5V程度の高い電極電位においてリチウムイオンの急速充放電が安定的に行えるという事実もある。従って、エネルギー密度を向上させるために電極電位を低下させることは実質的に困難である。 For example, the electrode potential of titanium oxide is about 1.5 V with respect to metallic lithium, and is higher (noble) than the potential of the carbon-based negative electrode. The potential of the titanium oxide is electrochemically restricted because it is caused by an oxidation-reduction reaction between Ti 3+ and Ti 4+ when lithium is electrochemically inserted and desorbed. There is also a fact that rapid charge and discharge of lithium ions can be stably performed at a high electrode potential of about 1.5V. Therefore, it is substantially difficult to lower the electrode potential in order to improve the energy density.
一方、単位重量当たりの容量については、二酸化チタン(アナターゼ型)の理論容量は165 mAh/g程度であり、Li4Ti5O12のようなリチウムチタン複合酸化物の理論容量も180 mAh/g程度である。一方、一般的な黒鉛系電極材料の理論容量は385 mAh/g以上である。従って、チタン酸化物の容量密度はカーボン系負極のものと比較して著しく低い。これは、チタン酸化物の結晶構造中に、リチウムを吸蔵する等価なサイトが少ないことや、構造中でリチウムが安定化し易いため、実質的な容量が低下することによるものである。 On the other hand, regarding the capacity per unit weight, the theoretical capacity of titanium dioxide (anatase type) is about 165 mAh / g, and the theoretical capacity of lithium titanium composite oxide such as Li 4 Ti 5 O 12 is also 180 mAh / g. Degree. On the other hand, the theoretical capacity of a general graphite electrode material is 385 mAh / g or more. Therefore, the capacity density of titanium oxide is significantly lower than that of the carbon-based negative electrode. This is due to the fact that there are few equivalent sites that occlude lithium in the crystal structure of the titanium oxide, and because the lithium is easily stabilized in the structure, the substantial capacity is reduced.
優れた急速充放電性能とより高いエネルギー密度を有する非水電解質電池、及び該電池を含む電池パックを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte battery having excellent rapid charge / discharge performance and higher energy density, and a battery pack including the battery.
一つの態様において、外装部材と、前記外装部材内に収納された、正極、負極及び非水電解質とを含む非水電解質電池であって、前記外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムからなるラミネートフィルム製容器及び厚さ1mm以下の金属板からなる金属製容器から選択され、前記負極は、負極活物質と、導電剤と、結着剤とを含む負極層と、集電体とを含み、前記負極活物質は、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物を含み、ここで、前記M1はZr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つであり、前記M2はV、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つである非水電解質電池が提供される。 In one aspect, a non-aqueous electrolyte battery including an exterior member and a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte housed in the exterior member, wherein the exterior member is a laminate film having a thickness of 0.5 mm or less. A negative electrode layer comprising a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder, a current collector, and a negative electrode layer selected from a laminate film container and a metal container having a thickness of 1 mm or less. The negative electrode active material includes Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3), wherein M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si and Sn, and M2 is composed of V, Ta and Bi. A non-aqueous electrolyte battery that is at least one selected from the group is provided.
他の態様において、上記非水電解質電池を含む電池パックが提供される。 In another aspect, a battery pack including the nonaqueous electrolyte battery is provided.
(第1実施形態)
第1実施形態に係る電池用活物質は、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物を含む。ここで、前記M1はZr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つであり、前記M2はV、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つである。
(First embodiment)
The battery active material according to the first embodiment is Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 A monoclinic complex oxide represented by ≦ δ ≦ 0.3). Here, the M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si and Sn, and the M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta and Bi.
このような単斜晶型複合酸化物は、1.5V(対Li/Li+)程度のリチウム吸蔵電位を有することにより安定した繰り返し急速充放電が可能である。 Such a monoclinic complex oxide has a lithium occlusion potential of about 1.5 V (vs. Li / Li + ), so that stable repeated rapid charge / discharge is possible.
LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δで表される単斜晶型複合酸化物の例として、単斜晶型TiNb2O7の結晶構造の模式図を図1及び2に示す。 As an example of the monoclinic complex oxide represented by Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ , a schematic diagram of the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 is shown in FIG. And 2.
図1に示すように、単斜晶型TiNb2O7の結晶構造は、金属イオン101と酸化物イオン102が骨格構造部分103を構成している。なお、金属イオン101には、NbイオンとTiイオンがNb:Ti=2:1の比でランダムに配置されている。この骨格構造部分103が三次元的に交互に配置されることで、骨格構造部分103同士の間に空隙部分104が存在する。この空隙部分104がリチウムイオンのホストとなる。
As shown in FIG. 1, in the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 ,
図1において、領域105及び領域106は、[100]方向と[010]方向に2次元的なチャネルを有する部分である。それぞれ図2に示すように、単斜晶型TiNb2O7の結晶構造には、[001]方向に空隙部分107が存在する。この空隙部分107は、リチウムイオンの導電に有利なトンネル構造を有しており、領域105と領域106とを繋ぐ[001]方向の導電経路となる。この導電経路が存在することによって、リチウムイオンは領域105と領域106を行き来することが可能となる。
In FIG. 1, a
このように、単斜晶型複合酸化物の結晶構造は、リチウムイオンの等価的な挿入空間が大きく且つ構造的に安定であり、さらに、リチウムイオンの拡散が速い2次元的なチャネルを有する領域とそれらを繋ぐ[001]方向の導電経路が存在することによって、挿入空間へのリチウムイオンの挿入脱離性が向上すると共に、リチウムイオンの挿入脱離空間が実効的に増加する。これにより、高い容量と高いレート性能を提供することが可能である。 As described above, the crystal structure of the monoclinic complex oxide is a region having a two-dimensional channel in which the equivalent insertion space of lithium ions is large and structurally stable, and the diffusion of lithium ions is fast. And the conductive path in the [001] direction connecting them improves the insertion / extraction of lithium ions into / from the insertion space and effectively increases the insertion / desorption space of lithium ions. Thereby, it is possible to provide high capacity and high rate performance.
なお、本実施形態で示す結晶の面指数は、空間群C2/mの対称性を持ち、非特許文献1(Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984))に記載の原子座標に基づいて指数付けを行った場合のものである。 The plane index of the crystal shown in the present embodiment has symmetry of the space group C2 / m, and is based on atomic coordinates described in Non-Patent Document 1 (Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984)). And indexing.
またさらに、本実施形態のLixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物は、Ti、Zr、Si及びSnから選択される4価のカチオンに加えて、さらに、Nb、V、Ta及びBiから選択される5価のカチオンを含むものである。 Furthermore, Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ of this embodiment (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) In addition to the tetravalent cation selected from Ti, Zr, Si and Sn, the monoclinic complex oxide represented by the formula further includes a pentavalent cation selected from Nb, V, Ta and Bi. Is included.
リチウムイオンが空隙部分104に挿入されると、骨格を構成する金属イオン101が3価に還元され、これによって結晶の電気的中性が保たれる。本実施形態の単斜晶型複合酸化物では、4価のカチオンが4価から3価へ還元されるだけでなく、5価カチオンも5価から3価へと還元される。このため、4価カチオンだけを含む化合物に比べて、活物質重量あたりの還元価数が大きい。それ故、多くのリチウムイオンが挿入されても結晶の電気的中性を保つことが可能である。このため、4価カチオンだけを含む酸化チタンのような化合物に比べて、エネルギー密度を高めることができる。その結果、本実施形態の単斜晶型複合酸化物の理論容量は387 mAh/g程度であり、これはスピネル構造を有するチタン酸化物の2倍以上の値である。
When lithium ions are inserted into the
本実施形態のLixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δは化学式あたり、1つの4価のカチオンと2つの5価のカチオンを有するため、理論上、層間に最大5つのリチウムイオンを挿入することが可能である。このため、式LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δにおいて、xは0以上5以下である。また、δは単斜晶型複合酸化物の還元状態によって変動する。δが−0.3を超えると、相分離する恐れがある。一方、δ=+0.3までは測定誤差の範囲である。
Since Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ of this embodiment has one tetravalent cation and two pentavalent cations per chemical formula, theoretically, a maximum of 5 between the layers can be obtained. It is possible to insert two lithium ions. Thus, in the formula Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z
本実施形態における単斜晶型複合酸化物は、Ti及びNbを含むことが好ましく、TiNb2O7であることがより好ましい。これは、単斜晶型複合酸化物の式において、y=0であり、z=0であるとき、即ち、4価のカチオンがTi4+であり、5価のカチオンがNb5+である酸化物である。これは、リチウムイオンの導電に理想的な結晶格子を提供できるため、より一層の急速充放電性能の向上と電極容量の向上を図ることが可能になる。 The monoclinic complex oxide in the present embodiment preferably contains Ti and Nb, and more preferably TiNb 2 O 7 . This is because, in the formula of the monoclinic complex oxide, when y = 0 and z = 0, the tetravalent cation is Ti 4+ and the pentavalent cation is Nb 5+ . It is an oxide. Since this can provide an ideal crystal lattice for conducting lithium ions, it is possible to further improve the rapid charge / discharge performance and the electrode capacity.
さらに、本実施形態の単斜晶型複合酸化物は、Cu−Kα線源を用いた粉末X線回折の回折図において、2θ=26°±0.5°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°に2本のピークが現れ、それら2本のピークの強度比(IH/IL)が1未満であることが好ましい。ここで、IHは高角側のピークであり、ILは低角側のピークである。 Furthermore, in the monoclinic complex oxide of the present embodiment, the highest intensity peak appears at 2θ = 26 ° ± 0.5 ° in the diffraction diagram of powder X-ray diffraction using a Cu—Kα ray source, In addition, it is preferable that two peaks appear at 2θ = 44 ° ± 1 °, and the intensity ratio (I H / I L ) of these two peaks is less than 1. Here, I H is a peak on the high angle side, and I L is a peak on the low angle side.
2θ=26°±0.5°に現れるピークは、主に(0 0 3)面のピークであると考えられる。2θ=26°±0.5°に現れるピークが最も強度の高いピークである場合、結晶構造中で(0 0 3)面の結晶子サイズが大きいことが推察され、[001]方向に結晶子が成長しているものと解釈できる。上述したように、[001]方向は、上下の2次元チャネルを結ぶ唯一のパスであることから、この部分が成長していることにより、挿入空間へのリチウムイオンの挿入脱離性が向上すると共に、リチウムイオンの挿入脱離空間が実効的に増加する。これにより、高い充放電容量と高いレート性能を提供することが可能である。また、リチウムイオンの挿入脱離性が高いことからリチウムの損失も少なく、優れた充放電効率を提供することも可能である。 The peak appearing at 2θ = 26 ° ± 0.5 ° is considered to be mainly the peak of the (0 0 3) plane. When the peak appearing at 2θ = 26 ° ± 0.5 ° is the highest intensity peak, it is assumed that the crystallite size of the (0 0 3) plane is large in the crystal structure, and the crystallites in the [001] direction Can be interpreted as growing. As described above, since the [001] direction is the only path connecting the upper and lower two-dimensional channels, the growth of this portion improves the insertion / extraction of lithium ions into the insertion space. At the same time, the insertion / desorption space for lithium ions effectively increases. Thereby, it is possible to provide a high charge / discharge capacity and a high rate performance. In addition, since lithium ion insertion / extraction is high, there is little loss of lithium and it is possible to provide excellent charge / discharge efficiency.
なお、2θ=26°±0.5°の範囲に(1 1 1)面のピークが現れる場合もあると考えられるが、(0 0 3)面のピークと(1 1 1)面は、面間隔が近いことからピークを分離することは困難である場合が多い。 Although it is considered that the peak of (1 1 1) plane may appear in the range of 2θ = 26 ° ± 0.5 °, the peak of (0 0 3) plane and (1 1 1) plane are In many cases, it is difficult to separate the peaks because the intervals are close.
また、2θ=44°±1°に現れる2本のピークは、低角側のピークが(0 0 5)面のピークであり、高角側のピークが(−10 0 3)面のピークであると考えられる。 The two peaks appearing at 2θ = 44 ° ± 1 ° are the (0 0 5) plane peak on the low angle side and the (−10 0 3) plane peak on the high angle side. it is conceivable that.
ピーク強度比(IH/IL)が1未満であると、リチウムイオン導電性が高く、容量が高い複合酸化物が得られる。好ましくは、ピーク強度比(IH/IL)は1.0未満であり、より好ましくは0.5以下である。なお、2本のピークが現れる範囲は2θ=44°±1.0°の範囲であることがより好ましい。 When the peak intensity ratio (I H / I L ) is less than 1, a composite oxide having high lithium ion conductivity and high capacity can be obtained. Preferably, the peak intensity ratio (I H / I L ) is less than 1.0, more preferably 0.5 or less. The range where the two peaks appear is more preferably 2θ = 44 ° ± 1.0 °.
<粒子径及びBET比表面積>
本実施形態における複合酸化物の平均粒子径は、特に制限されず、所望の電池特性に応じて変化させることができる。さらに、本実施形態における複合酸化物のBET比表面積は特に制限されないが、5m2/g以上、200 m2/g未満であることが好ましい。
<Particle size and BET specific surface area>
The average particle diameter of the composite oxide in the present embodiment is not particularly limited, and can be changed according to desired battery characteristics. Furthermore, the BET specific surface area of the composite oxide in the present embodiment is not particularly limited, but is preferably 5 m 2 / g or more and less than 200 m 2 / g.
比表面積が5 m2/g以上であれば、電解液との接触面積を確保することができ、良好な放電レート特性が得られやすく、また充電時間を短縮できる。一方、比表面積が200 m2/g未満であれば、電解液との反応性が高くなり過ぎず、寿命特性を向上させることができる。また、後述する電極の製造に用いる、活物質を含むスラリーの塗工性を良好なものにすることができる。 When the specific surface area is 5 m 2 / g or more, a contact area with the electrolytic solution can be secured, good discharge rate characteristics can be easily obtained, and the charging time can be shortened. On the other hand, if the specific surface area is less than 200 m 2 / g, the reactivity with the electrolytic solution does not become too high, and the life characteristics can be improved. Moreover, the coating property of the slurry containing an active material used for manufacturing the electrode described later can be improved.
ここで、比表面積の測定は、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET法であり、単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論である。これにより求められた比表面積のことをBET比表面積と称する。 Here, the measurement of the specific surface area uses a method in which molecules having a known adsorption occupation area are adsorbed on the surface of the powder particles at the temperature of liquid nitrogen and the specific surface area of the sample is obtained from the amount. The BET method based on low-temperature and low-humidity physical adsorption of inert gas is the most widely used theory, which is the most famous theory for calculating specific surface area, which is an extension of the monolayer adsorption theory Langmuir theory to multi-layer adsorption. is there. The specific surface area determined in this way is referred to as the BET specific surface area.
<製造方法>
本実施形態の単斜晶型複合酸化物は、以下の方法により製造することができる。
まず、Ti、Zr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つを含む酸化物または塩、及び、Nb、V、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つを含む酸化物又は塩を、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物となるようなモル比で混合する。上記の塩は、炭酸塩及び硝酸塩のような、比較的低温で分解して酸化物を生じる塩であることが好ましい。
<Manufacturing method>
The monoclinic complex oxide of this embodiment can be manufactured by the following method.
First, an oxide or salt containing at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Sn, and an oxide containing at least one selected from the group consisting of Nb, V, Ta and Bi or The salt is represented by Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) Mix in a molar ratio so as to form a monoclinic complex oxide. The salt is preferably a salt such as carbonate and nitrate that decomposes at a relatively low temperature to produce an oxide.
次に、得られた混合物を粉砕し、できるだけ均一になるように混合した後、焼成する。焼成は、1000〜1500℃の温度範囲で、延べ10〜40時間行う。 Next, the obtained mixture is pulverized, mixed so as to be as uniform as possible, and then fired. Firing is performed in a temperature range of 1000 to 1500 ° C. for a total of 10 to 40 hours.
焼成温度を高くし、1300〜1500℃の範囲にすることにより、結晶性が向上し、Cu−Kα線源を用いた粉末X線回折の回折図において、2θ=26°±0.5°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°に2本のピークが現れ、それら2本のピークの強度比(IH/IL)が1未満である単斜晶型複合酸化物を得ることができる。 The crystallinity is improved by increasing the firing temperature to a range of 1300 to 1500 ° C., and in the diffraction diagram of powder X-ray diffraction using a Cu—Kα ray source, 2θ = 26 ° ± 0.5 °. A monoclinic type composite in which the peak with the highest intensity appears and two peaks appear at 2θ = 44 ° ± 1 ° and the intensity ratio (I H / I L ) of these two peaks is less than 1 An oxide can be obtained.
上記のように合成された単斜晶型複合酸化物は、充電することによりリチウムイオンが挿入される。或いは、合成原料に炭酸リチウムのようなリチウムを含む化合物を用いることにより、予めリチウムを含む単斜晶型複合酸化物を得ることもできる。 The monoclinic complex oxide synthesized as described above is inserted with lithium ions when charged. Alternatively, a monoclinic complex oxide containing lithium can be obtained in advance by using a compound containing lithium such as lithium carbonate as a synthetic raw material.
<粉末X線回折測定>
活物質の粉末X線回折測定は、次のように行う。まず、対象試料を平均粒子径が5μm程度となるまで粉砕する。平均粒子径はレーザー回折法によって求めることができる。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mmのホルダー部分に充填する。このとき、試料が十分にホルダー部分に充填されるように留意する。また、試料の充填不足によりひび割れ、空隙等がないように注意する。次いで、外部から別のガラス板を使い、充分に押し付けて平滑化する。充填量の過不足により、ホルダーの基準面より凹凸が生じることのないように注意する。次いで、試料が充填されたガラス板を粉末X線回折装置に設置し、Cu−Kα線を用いて回折パターンを取得する。
<Powder X-ray diffraction measurement>
The powder X-ray diffraction measurement of the active material is performed as follows. First, the target sample is pulverized until the average particle size becomes about 5 μm. The average particle diameter can be determined by a laser diffraction method. The crushed sample is filled in a holder portion having a depth of 0.2 mm formed on a glass sample plate. At this time, care should be taken so that the sample is sufficiently filled in the holder portion. Also, be careful that there are no cracks or voids due to insufficient filling of the sample. Next, using another glass plate from the outside, it is sufficiently pressed and smoothed. Be careful not to cause unevenness from the reference surface of the holder due to excessive or insufficient filling amount. Next, the glass plate filled with the sample is placed in a powder X-ray diffractometer, and a diffraction pattern is obtained using Cu-Kα rays.
なお、試料の配向性が高い場合は、試料の充填の仕方によってピークの位置がずれたり、強度比が変化したりする可能性がある。そのような試料は、ペレットの形状にして測定する。ペレットは、例えば直径10mm、厚さ2mmの圧粉体であってよい。該圧粉体は、試料に約250 MPaの圧力を15分間かけて製作することができる。得られたペレットをX線回折装置に設置し、その表面を測定する。このような方法で測定することにより、オペレータによる測定結果の違いを排除し、再現性を高くすることができる。 In addition, when the orientation of the sample is high, the position of the peak may be shifted or the intensity ratio may be changed depending on how the sample is filled. Such samples are measured in the form of pellets. The pellet may be a green compact having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm, for example. The green compact can be produced by applying a pressure of about 250 MPa to the sample for 15 minutes. The obtained pellet is placed in an X-ray diffractometer and the surface is measured. By measuring by such a method, the difference in the measurement result by the operator can be eliminated and the reproducibility can be enhanced.
電極に含まれる活物質について粉末X線回折測定を行う場合は、例えば以下のように行うことができる。
活物質の結晶状態を把握するために、単斜晶型化合物からリチウムイオンが完全に離脱した状態にする。例えば負極として使う場合、電池を完全に放電状態にする。但し、放電状態でも残留したリチウムイオンが存在することがある。
When powder X-ray diffraction measurement is performed on the active material contained in the electrode, for example, the following can be performed.
In order to grasp the crystal state of the active material, lithium ions are completely separated from the monoclinic compound. For example, when used as a negative electrode, the battery is completely discharged. However, residual lithium ions may exist even in a discharged state.
次に、アルゴンを充填したグローブボックス中で電池を分解し、適切な溶媒で洗浄する。例えばエチルメチルカーボネートなどを用いると良い。洗浄した電極を、粉末X線回折装置のホルダーの面積と同程度切り出し、直接ガラスホルダーに貼り付けて測定してもよい。このとき、電極基板の金属箔の種類に応じてあらかじめXRDを測定しておき、どの位置に基板由来のピークが現れるかを把握しておく。また、導電助剤やバインダーといった合剤のピークの有無もあらかじめ把握しておく。基板のピークと活物質のピークが重なる場合、基板から活物質を剥離して測定することが望ましい。これは、ピーク強度を定量的に測定する際、重なったピークを分離するためである。もちろん、これらを事前に把握できているのであれば、この操作は省略することができる。電極を物理的に剥離しても良いが、溶媒中で超音波をかけると剥離しやすい。このようにして回収した電極を測定することで、活物質の粉末X線回折測定を行うことができる。 The battery is then disassembled in a glove box filled with argon and washed with a suitable solvent. For example, ethyl methyl carbonate may be used. The washed electrode may be cut out to the same extent as the area of the holder of the powder X-ray diffractometer and directly attached to the glass holder for measurement. At this time, XRD is measured in advance according to the type of metal foil of the electrode substrate, and it is grasped at which position the peak derived from the substrate appears. In addition, the presence or absence of a peak of a mixture such as a conductive additive or a binder is also grasped in advance. When the peak of the substrate and the peak of the active material overlap, it is desirable to measure by peeling the active material from the substrate. This is for separating overlapping peaks when quantitatively measuring the peak intensity. Of course, this operation can be omitted if these are known in advance. The electrode may be physically peeled off, but is easily peeled off when ultrasonic waves are applied in a solvent. By measuring the electrode thus collected, powder X-ray diffraction measurement of the active material can be performed.
このようにして得られた粉末X線回折の結果を、リートベルト法によって解析を行った。リートベルト法では、あらかじめ推定した結晶構造モデルから計算された回折パターンを実測値と全フィッティングして、結晶構造に関するパラメータ(格子定数、原子座標、占有率等)を精密化することができ、合成した材料の結晶構造の特徴を調べることができる。 The powder X-ray diffraction results thus obtained were analyzed by the Rietveld method. In the Rietveld method, parameters related to the crystal structure (lattice constant, atomic coordinates, occupancy, etc.) can be refined by fully fitting the diffraction pattern calculated from the crystal structure model estimated in advance with the actual measurement value. The characteristics of the crystal structure of the selected material can be investigated.
以上の実施形態によれば、優れた繰り返し急速充放電性能を有し、且つ、高いエネルギー密度を有する電池用活物質を提供することができる。 According to the above embodiment, it is possible to provide a battery active material having excellent repeated rapid charge / discharge performance and a high energy density.
(第2実施形態)
第2実施形態では、上記第1実施形態における電池用活物質を含む負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装部材を含む非水電解質電池が提供される。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a nonaqueous electrolyte battery including a negative electrode including the battery active material in the first embodiment, a positive electrode, a nonaqueous electrolyte, a separator, and an exterior member is provided.
以下、負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装部材について詳細に説明する。 Hereinafter, the negative electrode, the positive electrode, the nonaqueous electrolyte, the separator, and the exterior member will be described in detail.
1)負極
負極は、集電体と、負極層(負極活物質含有層)とを含む。負極層は、集電体の片面若しくは両面に形成され、活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含む。
1) Negative electrode The negative electrode includes a current collector and a negative electrode layer (negative electrode active material-containing layer). The negative electrode layer is formed on one side or both sides of the current collector, and includes an active material, and optionally a conductive agent and a binder.
負極活物質には、第1実施形態で説明したLixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物が用いられる。ここで、M1はZr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つであり、M2はV、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つである。 The negative electrode active material includes Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ described in the first embodiment (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, A monoclinic complex oxide represented by 0 ≦ δ ≦ 0.3) is used. Here, M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si and Sn, and M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta and Bi.
このような負極活物質を用いた負極は、優れた急速充放電性能を有し、且つ、高いエネルギー密度を有する非水電解質電池用を提供することが可能である。 A negative electrode using such a negative electrode active material has excellent rapid charge / discharge performance and can provide a non-aqueous electrolyte battery having a high energy density.
また、上記のLixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物は、Cu−Kα線源を用いた粉末X線回折の回折図において、2θ=26°±0.5°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°に2本のピークIH及びILが現れ、それら2本のピークの強度比(IH/IL)が1未満である単斜晶型複合酸化物を用いることが好ましい。ここで、IHは高角側のピークであり、ILは低角側のピークである。上記の条件を満たす単斜晶型複合酸化物はより高い結晶性を有するため、このような負極活物質を用いた負極は、より優れた急速充放電性能を有し、且つ、より高いエネルギー密度を有する非水電解質電池用を提供することが可能である。 Also expressed by the above Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) In the monoclinic complex oxide, a peak of the highest intensity appears at 2θ = 26 ° ± 0.5 ° in a diffraction diagram of powder X-ray diffraction using a Cu—Kα ray source, and 2θ = 44. It is preferable to use a monoclinic complex oxide in which two peaks I H and I L appear at ° ± 1 ° and the intensity ratio (I H / I L ) of these two peaks is less than 1. Here, I H is a peak on the high angle side, and I L is a peak on the low angle side. Since the monoclinic complex oxide satisfying the above conditions has higher crystallinity, the negative electrode using such a negative electrode active material has better rapid charge / discharge performance and higher energy density. It is possible to provide a non-aqueous electrolyte battery having
負極活物質には、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物を単独で用いてもよいが、他の活物質を混合して用いてもよい。他の活物質の例には、アナターゼ構造を有する二酸化チタン(TiO2)、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2Ti3O7)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi4Ti5O12)が含まれる。 The negative electrode active material is Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) Although the monoclinic complex oxide represented may be used alone, other active materials may be mixed and used. Examples of other active materials include titanium dioxide having anatase structure (TiO 2 ), lithium titanate having a ramsdellite structure (eg, Li 2 Ti 3 O 7 ), lithium titanate having a spinel structure (eg, Li 4 Ti 5 O 12 ) is included.
導電剤は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、カーボンブラック及び黒鉛のような炭素質物が含まれる。 The conductive agent is blended in order to improve current collection performance and suppress contact resistance between the active material and the current collector. Examples of the conductive agent include carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, and graphite.
結着剤は、分散された負極活物質の間隙を埋め、また、活物質と集電体を結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、及びスチレンブタジェンゴムが含まれる。 The binder is blended to fill a gap between the dispersed negative electrode active materials and bind the active material and the current collector. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, and styrene butadiene rubber.
負極層中の活物質、導電剤及び結着剤は、それぞれ68質量%以上96質量%以下、2質量%以上30質量%以下及び2質量%以上30質量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を2質量%以上とすることにより、負極層の集電性能を向上させることができる。また、結着剤の量を2質量%以上とすることにより、負極層と集電体の結着性が十分で、優れたサイクル特性を期待できる。一方、導電剤及び結着剤はそれぞれ28質量%以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。 The active material, conductive agent and binder in the negative electrode layer are preferably blended in a proportion of 68% by mass or more and 96% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, and 2% by mass or more and 30% by mass or less, respectively. . By setting the amount of the conductive agent to 2% by mass or more, the current collecting performance of the negative electrode layer can be improved. Further, by setting the amount of the binder to 2% by mass or more, the binding property between the negative electrode layer and the current collector is sufficient, and excellent cycle characteristics can be expected. On the other hand, the conductive agent and the binder are each preferably 28% by mass or less in order to increase the capacity.
集電体は、負極活物質のリチウムの吸蔵及び放出電位において電気化学的に安定である材料が用いられる。集電体は、銅、ニッケル、ステンレス又はアルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金から作られることが好ましい。集電体の厚さは5〜20μmであることが好ましい。このような厚さを有する集電体は、負極の強度と軽量化のバランスをとることができる。 As the current collector, a material that is electrochemically stable at the lithium insertion and extraction potential of the negative electrode active material is used. The current collector is preferably made of copper, nickel, stainless steel or aluminum, or an aluminum alloy containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu and Si. The thickness of the current collector is preferably 5 to 20 μm. A current collector having such a thickness can balance the strength and weight reduction of the negative electrode.
負極は、例えば負極活物質、結着剤および導電剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを集電体に塗布し、乾燥し、負極層を形成した後、プレスを施すことにより作製される。負極はまた、負極活物質、結着剤及び導電剤をペレット状に形成して負極層とし、これを集電体上に配置することにより作製されてもよい。 The negative electrode is prepared by, for example, suspending a negative electrode active material, a binder and a conductive agent in a commonly used solvent to prepare a slurry. The slurry is applied to a current collector, dried, a negative electrode layer is formed, and then pressed. It is produced by giving. The negative electrode may also be produced by forming a negative electrode active material, a binder, and a conductive agent into a pellet to form a negative electrode layer, which is disposed on a current collector.
2)正極
正極は、集電体と、正極層(正極活物質含有層)とを含む。正極層は、集電体の片面若しくは両面に形成され、活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含む。
2) Positive electrode The positive electrode includes a current collector and a positive electrode layer (positive electrode active material-containing layer). The positive electrode layer is formed on one side or both sides of the current collector, and includes an active material, and optionally a conductive agent and a binder.
活物質は、例えば、酸化物又は硫化物を用いることができる。酸化物及び硫化物の例には、リチウムを吸蔵する二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えばLixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物が含まれる。上記の式において、0<x≦1であり、0<y≦1である。活物質として、これらの化合物を単独で用いてもよく、或いは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。 For example, an oxide or a sulfide can be used as the active material. Examples of oxides and sulfides include manganese dioxide (MnO 2 ) that occludes lithium, iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese complex oxide (eg, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ), Lithium nickel composite oxide (eg Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (eg LixCoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (eg LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese cobalt composite oxide (eg Li x Mn y Co 1-y O 2), lithium manganese nickel complex oxide having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4), lithium phosphates having an olivine structure (e.g., Li x FePO 4 Li x Fe 1-y Mn y PO 4 , Li x CoPO 4 ), iron sulfate (Fe 2 (SO 4 ) 3 ), vanadium oxide (for example, V 2 O 5 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxide Is included. In the above formula, 0 <x ≦ 1 and 0 <y ≦ 1. As the active material, these compounds may be used alone, or a plurality of compounds may be used in combination.
より好ましい活物質の例には、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1-yCoyO2)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2)、リチウムリン酸鉄(例えばLixFePO4)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物が含まれる。上記の式において、0<x≦1であり、0<y≦1である。 Examples of more preferable active materials include lithium manganese composite oxides (eg, Li x Mn 2 O 4 ), lithium nickel composite oxides (eg, Li x NiO 2 ), and lithium cobalt composite oxides (eg, LixCoO 2 ) having a high positive electrode voltage. ), Lithium nickel cobalt composite oxide (eg, LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese nickel composite oxide having a spinel structure (eg, Li x Mn 2-y Ni y O 4 ), lithium manganese cobalt composite oxide (e.g. Li x Mn y Co 1-y O 2), lithium iron phosphate (e.g. Li x FePO 4), and includes a lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide. In the above formula, 0 <x ≦ 1 and 0 <y ≦ 1.
電池の非水電解質として常温溶融塩を用いる場合に、好ましい活物質の例には、リチウムリン酸鉄、LixVPO4F(0≦x≦1)、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、及び、リチウムニッケルコバルト複合酸化物が含まれる。これらの化合物は常温溶融塩との反応性が低いため、サイクル寿命を向上させることができる。 When normal temperature molten salt is used as the non-aqueous electrolyte of the battery, examples of preferable active materials include lithium iron phosphate, Li x VPO 4 F (0 ≦ x ≦ 1), lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide. And lithium nickel cobalt composite oxide. Since these compounds have low reactivity with room temperature molten salts, the cycle life can be improved.
正極活物質の一次粒径は、100nm以上1μm以下であることが好ましい。一次粒径が100nm以上の正極活物質は、工業生産上の取り扱いが容易である。一次粒径が1μm以下の正極活物質は、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることが可能である。 The primary particle size of the positive electrode active material is preferably 100 nm or more and 1 μm or less. A positive electrode active material having a primary particle size of 100 nm or more is easy to handle in industrial production. A positive electrode active material having a primary particle size of 1 μm or less can smoothly diffuse lithium ions in a solid.
活物質の比表面積は、0.1m2/g以上10m2/g以下であることが好ましい。0.1m2/g以上の比表面積を有する正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトを十分に確保できる。10m2/g以下の比表面積を有する正極活物質は、工業生産の上で取り扱い易く、かつ良好な充放電サイクル性能を確保できる。 The specific surface area of the active material is preferably 0.1 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less. The positive electrode active material having a specific surface area of 0.1 m 2 / g or more can sufficiently ensure the occlusion / release sites of lithium ions. The positive electrode active material having a specific surface area of 10 m 2 / g or less is easy to handle in industrial production and can ensure good charge / discharge cycle performance.
結着剤は、活物質と集電体を結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴムが含まれる。 The binder is blended to bind the active material and the current collector. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber.
導電剤は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために必要に応じて配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、カーボンブラック及び黒鉛のような炭素質物が含まれる。 The conductive agent is blended as necessary in order to enhance the current collecting performance and suppress the contact resistance between the active material and the current collector. Examples of the conductive agent include carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, and graphite.
正極層において、活物質及び結着剤はそれぞれ80質量%以上98質量%以下、2質量%以上20質量%以下の割合で配合することが好ましい。 In the positive electrode layer, the active material and the binder are preferably blended in a proportion of 80% by mass to 98% by mass and 2% by mass to 20% by mass, respectively.
結着剤は、2質量%以上の量にすることにより十分な電極強度が得られる。また、20質量%以下にすることにより電極の絶縁体の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。 Sufficient electrode strength can be obtained by setting the binder to an amount of 2% by mass or more. Moreover, the content of the insulator of an electrode can be reduced by setting it as 20 mass% or less, and an internal resistance can be reduced.
導電剤を加える場合には、活物質、結着剤及び導電剤はそれぞれ77質量%以上95質量%以下、2質量%以上20質量%以下、及び3質量%以上15質量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、3質量%以上の量にすることにより上述した効果を発揮することができる。また、15質量%以下にすることにより、高温保存下での正極導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。 When a conductive agent is added, the active material, the binder and the conductive agent are blended in a proportion of 77% to 95% by weight, 2% to 20% by weight, and 3% to 15% by weight, respectively. It is preferable to do. The conductive agent can exhibit the above-described effects by adjusting the amount to 3% by mass or more. Moreover, by setting it as 15 mass% or less, decomposition | disassembly of the nonaqueous electrolyte on the surface of the positive electrode conductive agent under high temperature storage can be reduced.
集電体は、アルミニウム箔、又は、Mg、Ti、Zn、Ni、Cr、Mn、Fe、Cu及びSiから選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金箔であることが好ましい。 The current collector is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, Cu, and Si.
アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の厚さは、5μm以上20μm以下、より好ましくは15μm以下にすることが望ましい。アルミニウム箔の純度は99質量%以上が好ましい。アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔に含まれる鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は、1質量%以下にすることが好ましい。 The thickness of the aluminum foil or aluminum alloy foil is desirably 5 μm or more and 20 μm or less, more preferably 15 μm or less. The purity of the aluminum foil is preferably 99% by mass or more. The content of transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium contained in the aluminum foil or aluminum alloy foil is preferably 1% by mass or less.
正極は、例えば活物質、結着剤及び必要に応じて配合される導電剤を適当な溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを正極集電体に塗布し、乾燥して正極層を形成した後、プレスを施すことにより作製される。正極はまた、活物質、結着剤及び必要に応じて配合される導電剤をペレット状に形成して正極層とし、これを集電体上に配置することにより作製されてもよい。 For the positive electrode, for example, an active material, a binder, and a conductive agent blended as necessary are suspended in a suitable solvent to prepare a slurry, and this slurry is applied to a positive electrode current collector and dried to form a positive electrode layer. After forming, it is produced by applying a press. The positive electrode may also be produced by forming a positive electrode layer by forming an active material, a binder, and a conductive agent blended as necessary into a pellet shape, and placing this on a current collector.
3)非水電解質
非水電解質は、例えば、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非水電解質、又は、液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質であってよい。
3) Nonaqueous electrolyte The nonaqueous electrolyte may be, for example, a liquid nonaqueous electrolyte prepared by dissolving an electrolyte in an organic solvent, or a gelled nonaqueous electrolyte obtained by combining a liquid electrolyte and a polymer material. .
液状非水電解質は、電解質を0.5モル/L以上2.5モル/L以下の濃度で有機溶媒に溶解したものであることが好ましい。 The liquid non-aqueous electrolyte is preferably one in which the electrolyte is dissolved in an organic solvent at a concentration of 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less.
電解質の例には、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、及びビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]のようなリチウム塩、及び、これらの混合物が含まれる。電解質は高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、LiPF6が最も好ましい。 Examples of electrolytes include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ), trifluorometa Lithium salts such as lithium sulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] and mixtures thereof are included. The electrolyte is preferably one that is not easily oxidized even at a high potential, and LiPF 6 is most preferred.
有機溶媒の例には、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、ジオキソラン(DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)のような鎖状エーテル;γ-ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、及びスルホラン(SL)が含まれる。これらの有機溶媒は、単独で、又は混合溶媒として用いることができる。 Examples of organic solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and vinylene carbonate; chain forms such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC) Carbonates; tetrahydrofuran (THF), cyclic ethers such as 2methyltetrahydrofuran (2MeTHF), dioxolane (DOX); chain ethers such as dimethoxyethane (DME) and diethoxyethane (DEE); γ-butyrolactone (GBL), Acetonitrile (AN) and sulfolane (SL) are included. These organic solvents can be used alone or as a mixed solvent.
高分子材料の例には、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)が含まれる。 Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO).
また或いは、非水電解質には、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)、高分子固体電解質、無機固体電解質等を用いてもよい。 Alternatively, a non-aqueous electrolyte may be a room temperature molten salt (ionic melt) containing lithium ions, a polymer solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like.
常温溶融塩(イオン性融体)は、有機物カチオンとアニオンの組合せからなる有機塩の内、常温(15〜25℃)で液体として存在しうる化合物を指す。常温溶融塩には、単体で液体として存在する常温溶融塩、電解質と混合させることで液体となる常温溶融塩、有機溶媒に溶解させることで液体となる常温溶融塩が含まれる。一般に、非水電解質電池に用いられる常温溶融塩の融点は、25℃以下である。また、有機物カチオンは、一般に4級アンモニウム骨格を有する。 A room temperature molten salt (ionic melt) refers to a compound that can exist as a liquid at room temperature (15 to 25 ° C.) among organic salts composed of a combination of an organic cation and an anion. The room temperature molten salt includes a room temperature molten salt that exists alone as a liquid, a room temperature molten salt that becomes liquid when mixed with an electrolyte, and a room temperature molten salt that becomes liquid when dissolved in an organic solvent. In general, the melting point of a room temperature molten salt used for a nonaqueous electrolyte battery is 25 ° C. or less. The organic cation generally has a quaternary ammonium skeleton.
高分子固体電解質は、電解質を高分子材料に溶解し、固体化することによって調製される。
無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する固体物質である。
The polymer solid electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte in a polymer material and solidifying it.
The inorganic solid electrolyte is a solid material having lithium ion conductivity.
4)セパレータ
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成されてよい。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、安全性を向上できる。
4) Separator The separator may be formed of, for example, a porous film containing polyethylene, polypropylene, cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), or a synthetic resin nonwoven fabric. Especially, since the porous film formed from polyethylene or a polypropylene can melt | dissolve at a fixed temperature and can interrupt | block an electric current, safety | security can be improved.
5)外装部材
外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムまたは厚さ1mm以下の金属製容器が用いることができる。ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下であることがより好ましい。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましく、厚さ0.2mm以下であることがさらに好ましい。
5) Exterior member As the exterior member, a laminate film having a thickness of 0.5 mm or less or a metal container having a thickness of 1 mm or less can be used. The thickness of the laminate film is more preferably 0.2 mm or less. The metal container is more preferably 0.5 mm or less in thickness, and further preferably 0.2 mm or less in thickness.
外装部材の形状は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等であってよい。外装部材は、電池寸法に応じて、例えば携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装部材、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装部材であってよい。 The shape of the exterior member may be a flat type (thin type), a square type, a cylindrical type, a coin type, a button type, or the like. The exterior member may be, for example, a small battery exterior member that is loaded on a portable electronic device or the like, or a large battery exterior member that is loaded on a two-wheel to four-wheel automobile or the like, depending on the battery size.
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層が介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔であることが好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。 As the laminate film, a multilayer film in which a metal layer is interposed between resin layers is used. The metal layer is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil for weight reduction. For the resin layer, for example, a polymer material such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, polyethylene terephthalate (PET) can be used. The laminate film can be formed into the shape of an exterior member by sealing by heat sealing.
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は1質量%以下にすることが好ましい。 The metal container is made of aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy is preferably an alloy containing elements such as magnesium, zinc, and silicon. When the alloy contains a transition metal such as iron, copper, nickel, or chromium, the content is preferably 1% by mass or less.
6)非水電解質二次電池
次に、第2実施形態に係る非水電解質電池を、図面を参照してより具体的に説明する。図3は、扁平型非水電解質二次電池の断面図である。図4は図3のA部の拡大断面図である。なお、各図は実施形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる点があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜設計変更することができる。
6) Nonaqueous electrolyte secondary battery Next, the nonaqueous electrolyte battery according to the second embodiment will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view of a flat type nonaqueous electrolyte secondary battery. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of part A in FIG. Each figure is a schematic diagram for promoting the explanation of the embodiment and its understanding, and its shape, dimensions, ratio, etc. are different from the actual device, but these are considered in the following explanation and known techniques. Thus, the design can be changed as appropriate.
扁平状の捲回電極群1は、2枚の樹脂層の間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装部材2内に収納されている。扁平状の捲回電極群1は、図4に示すように、外側から負極3、セパレータ4、正極5、セパレータ4の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。
The flat
負極3は、負極集電体3aと負極層3bとを含む。負極層3bには、上記の負極活物質が含まれる。最外殻の負極3は、図4に示すように負極集電体3aの内面側の片面のみに負極層3bを形成した構成を有する。その他の負極3は、負極集電体3aの両面に負極層3bが形成されている。
The
正極5は、正極集電体5aの両面に正極層5bが形成されている。
In the
図3に示すように、捲回電極群1の外周端近傍において、負極端子6が最外殻の負極3の負極集電体3aに接続され、正極端子7が内側の正極5の正極集電体5aに接続されている。これらの負極端子6および正極端子7は、袋状外装部材2の開口部から外部に延出されている。例えば液状非水電解質は、袋状外装部材2の開口部から注入される。袋状外装部材2の開口部を負極端子6および正極端子7を挟んでヒートシールすることにより捲回電極群1および液状非水電解質が完全密封される。
As shown in FIG. 3, in the vicinity of the outer peripheral end of the
負極端子6は、上述の負極活物質の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されることができる。具体的には、銅、ニッケル、ステンレスまたはアルミニウムが挙げられる。負極端子6は、負極集電体3aとの接触抵抗を低減するために、負極集電体3aと同様の材料から形成されることが好ましい。 The negative electrode terminal 6 can be formed of a material that is electrochemically stable and has conductivity at the Li occlusion / release potential of the negative electrode active material described above. Specific examples include copper, nickel, stainless steel, and aluminum. The negative electrode terminal 6 is preferably formed of the same material as the negative electrode current collector 3a in order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector 3a.
正極端子7は、例えば、リチウムイオン金属に対する電位が3V以上5V以下の範囲における電気的安定性と導電性とを有する材料から形成されることができる。具体的には、アルミニウム又はMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金から形成される。正極端子7は、正極集電体5aとの接触抵抗を低減するために、正極集電体5aと同様の材料から形成されることが好ましい。
The
第2実施形態に係る非水電解質電池は、前述した図2および図3に示す構成のものに限らず、例えば図5および図6に示す構成の電池であってもよい。図5は、第2実施形態に係る別の扁平型非水電解質二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図であり、図6は図5のB部の拡大断面図である。 The nonaqueous electrolyte battery according to the second embodiment is not limited to the one shown in FIGS. 2 and 3 described above, and may be a battery shown in FIGS. 5 and 6, for example. FIG. 5 is a partially cutaway perspective view schematically showing another flat type nonaqueous electrolyte secondary battery according to the second embodiment, and FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG.
積層型電極群11は、2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる外装部材12内に収納されている。積層型電極群11は、図6に示すように正極13と負極14とをその間にセパレータ15を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極13は複数枚存在し、それぞれが集電体13aと、集電体13aの両面に担持された正極活物質含有層13bとを備える。負極14は複数枚存在し、それぞれが負極集電体14aと、負極集電体14aの両面に担持された負極活物質含有層14bとを備える。各負極14の負極集電体14aは、一辺が負極14から突出している。突出した負極集電体14aは、帯状の負極端子16に電気的に接続されている。帯状の負極端子16の先端は、外装部材11から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極13の正極集電体13aは、負極集電体14aの突出辺と反対側に位置する辺が正極13から突出している。正極13から突出した正極集電体13aは、帯状の正極端子17に電気的に接続されている。帯状の正極端子17の先端は、負極端子16とは反対側に位置し、外装部材11の辺から外部に引き出されている。
The
以上の実施形態によれば、優れた繰り返し急速充放電性能を有し、且つ、高いエネルギー密度を有する非水電解質電池用を提供することが可能である。 According to the above embodiment, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte battery having excellent repeated rapid charge / discharge performance and high energy density.
(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係る電池パックについて、図面を参照して説明する。電池パックは、上記第2実施形態に係る非水電解質電池(単電池)を1個又は複数有する。複数の単電池を含む場合、各単電池は、電気的に直列もしくは並列に接続して配置される。
(Third embodiment)
Next, a battery pack according to a third embodiment will be described with reference to the drawings. The battery pack includes one or a plurality of nonaqueous electrolyte batteries (unit cells) according to the second embodiment. When a plurality of unit cells are included, each unit cell is electrically connected in series or in parallel.
図7及び図8に、電池パック20の一例を示す。この電池パック20は、図3に示した構造を有する扁平型電池21を複数含む。図7は電池パック20の分解斜視図であり、図8は図7の電池パック20の電気回路を示すブロック図である。
7 and 8 show an example of the
複数の単電池21は、外部に延出した負極端子6及び正極端子7が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ22で締結することにより組電池23を構成している。これらの単電池21は、図8に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
The plurality of
プリント配線基板24は、負極端子6および正極端子7が延出する単電池21側面と対向して配置されている。プリント配線基板24には、図8に示すようにサーミスタ25、保護回路26および外部機器への通電用端子27が搭載されている。なお、プリント配線基板24が組電池23と対向する面には、組電池23の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
The printed
正極側リード28は、組電池23の最下層に位置する正極端子7に接続され、その先端はプリント配線基板24の正極側コネクタ29に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード30は、組電池23の最上層に位置する負極端子6に接続され、その先端はプリント配線基板24の負極側コネクタ31に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ29,31は、プリント配線基板24に形成された配線32,33を通して保護回路26に接続されている。
The positive
サーミスタ25は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路26に送信される。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と外部機器への通電用端子27との間のプラス側配線34aおよびマイナス側配線34bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ25の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図7および図8の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線35を接続し、これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。
The
正極端子7および負極端子6が突出する側面を除く組電池23の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート36がそれぞれ配置されている。
組電池23は、各保護シート36およびプリント配線基板24と共に収納容器37内に収納される。すなわち、収納容器37の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート36が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板24が配置される。組電池23は、保護シート36およびプリント配線基板24で囲まれた空間内に位置する。蓋38は、収納容器37の上面に取り付けられている。
The assembled
なお、組電池23の固定には粘着テープ22に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮チューブを周回させた後、熱収縮チューブを熱収縮させて組電池を結束させる。
In addition, instead of the
図7、図8では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。あるいは、直列接続と並列接続を組合せてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列又は並列に接続することもできる。
7 and 8 show the configuration in which the
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。本実施形態に係る電池パックは、大電流を取り出したときにサイクル特性が優れていることが要求される用途に好適に用いられる。具体的には、デジタルカメラの電源として、又は、例えば二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、及び、アシスト自転車の車載用電池として用いられる。特に、車載用電池として好適に用いられる。 Moreover, the aspect of a battery pack is changed suitably by a use. The battery pack according to the present embodiment is suitably used for applications that require excellent cycle characteristics when a large current is taken out. Specifically, it is used as a power source for a digital camera, or as an in-vehicle battery for, for example, a two-wheel to four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel to four-wheel electric vehicle, and an assist bicycle. In particular, it is suitably used as a vehicle-mounted battery.
以上の実施形態によれば、優れた繰り返し急速充放電性能を有し、且つ、高いエネルギー密度を有する電池パックを提供することが可能である。 According to the above embodiment, it is possible to provide a battery pack having excellent repeated rapid charge / discharge performance and a high energy density.
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。なお、合成した単斜晶型複合酸化物の結晶相の同定及び結晶構造の推定は、Cu-Kα線を用いた粉末X線回折法によって行った。また、生成物の組成をICP法により分析し、目的物が得られていることを確認した。 Hereinafter, based on an Example, the said embodiment is described in detail. The crystal phase of the synthesized monoclinic complex oxide and the crystal structure were estimated by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays. The composition of the product was analyzed by ICP method, and it was confirmed that the target product was obtained.
<実施例1>
(合成)
一般式LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物のうち、x=0、y=0、z=0となるTiNb2O7を合成した。出発原料として、市販の酸化物試薬Nb2O5とTiO2を用いた。これらの粉末を、モル比で1:1になるように秤量し、乳鉢で混合した。次に、電気炉に入れ、1250℃で延べ20時間焼成した。ここで用いた合成方法は、非特許文献2(M. GASPERIN, Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984))に記載された方法に基づくものである。
<Example 1>
(Synthesis)
Single unit represented by the general formula Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) TiNb 2 O 7 in which x = 0, y = 0, and z = 0 was synthesized among the oblique complex oxides. Commercially available oxide reagents Nb 2 O 5 and TiO 2 were used as starting materials. These powders were weighed to a molar ratio of 1: 1 and mixed in a mortar. Next, it was placed in an electric furnace and baked at 1250 ° C. for a total of 20 hours. The synthesis method used here is based on the method described in Non-Patent Document 2 (M. GASPERIN, Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984)).
(粉末X線回折測定)
得られた試料について、以下のように粉末X線回折測定を行った。まず、試料を平均粒子径が10μm程度となるまで粉砕した。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mmのホルダー部分に充填した。次いで、外部から別のガラス板を使い、充分に押し付けて平滑化した。次いで、試料が充填されたガラス板を粉末X線回折装置に設置し、Cu−Kα線を用いて回折パターンを取得した。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The obtained sample was subjected to powder X-ray diffraction measurement as follows. First, the sample was pulverized until the average particle size became about 10 μm. The crushed sample was filled in a holder portion having a depth of 0.2 mm formed on a glass sample plate. Next, another glass plate was used from the outside, and it was sufficiently pressed and smoothed. Next, the glass plate filled with the sample was placed in a powder X-ray diffractometer, and a diffraction pattern was obtained using Cu-Kα rays.
その結果、図9に示す回折図が得られ、リートベルト法による結晶構造解析結果から、合成した試料が目的とする単斜晶型の結晶を有することが確認された。 As a result, the diffractogram shown in FIG. 9 was obtained. From the result of the crystal structure analysis by the Rietveld method, it was confirmed that the synthesized sample had the target monoclinic crystal.
また、図9に示したように、2θ=23.96°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°の範囲に2本のピークが現れた。この2本のピークは、詳細には、2θ=44.06°における低角度側のピークと、2θ=44.46°における高角度側のピークである。低角度側のピークの強度(IL)と高角度側のピークの強度(IH)のピーク強度比(IH/IL)は1.37であった。 As shown in FIG. 9, the highest intensity peak appeared at 2θ = 23.96 °, and two peaks appeared in the range of 2θ = 44 ° ± 1 °. Specifically, these two peaks are a low angle peak at 2θ = 44.06 ° and a high angle peak at 2θ = 44.46 °. The peak intensity ratio (I H / I L ) between the intensity (I L ) of the peak on the low angle side and the intensity (I H ) of the peak on the high angle side was 1.37.
(電極の作製)
上記で合成した単斜晶型複合酸化物に、導電剤としてアセチレンブラックを、該酸化物に対して10重量部の割合で混合した。この混合物をNMP(N-メチル-2-ピロリドン)中に分散し、結着剤として、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を該酸化物に対して10重両部割合で混合して、電極スラリーを作製した。このスラリーを、ブレードを用いて、アルミ箔から成る集電体上に塗布した。これを真空下、130℃で12時間乾燥し、電極を得た。
(Production of electrodes)
Acetylene black as a conductive agent was mixed with the monoclinic complex oxide synthesized above in a proportion of 10 parts by weight with respect to the oxide. This mixture is dispersed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and as a binder, polyvinylidene fluoride (PVdF) is mixed with the oxide in a 10-fold ratio to produce an electrode slurry. did. This slurry was applied onto a current collector made of aluminum foil using a blade. This was dried under vacuum at 130 ° C. for 12 hours to obtain an electrode.
<実施例2>
(合成)
一般式LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物のうち、x=0、y=0、z=0となるTiNb2O7を合成した。出発原料として、市販の酸化物試薬Nb2O5とTiO2を用いた。これらの粉末を、モル比で1:1になるように秤量し、乳鉢で混合した。次に、電気炉に入れ、1400℃で延べ20時間焼成した。
<Example 2>
(Synthesis)
Single unit represented by the general formula Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) TiNb 2 O 7 in which x = 0, y = 0, and z = 0 was synthesized among the oblique complex oxides. Commercially available oxide reagents Nb 2 O 5 and TiO 2 were used as starting materials. These powders were weighed to a molar ratio of 1: 1 and mixed in a mortar. Next, it was put into an electric furnace and baked at 1400 ° C. for a total of 20 hours.
(粉末X線回折測定)
得られた試料について、実施例1と同様に粉末X線回折測定を行った。その結果、図10に示す回折図が得られ、同様にリートベルト法による解析結果から、合成した試料が目的とする単斜晶型の結晶を有することが確認された。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The obtained sample was subjected to powder X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1. As a result, the diffractogram shown in FIG. 10 was obtained. Similarly, from the analysis result by the Rietveld method, it was confirmed that the synthesized sample had the target monoclinic crystal.
また、図10に示したように、2θ=26.14°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°の範囲に2本のピークが現れた。この2本のピークは、詳細には、2θ=44.12°における低角度側のピークと、2θ=44.52°における高角度側のピークである。低角度側のピークの強度(IL)と高角度側のピークの強度(IH)のピーク強度比(IH/IL)は0.32であった。 Further, as shown in FIG. 10, the highest intensity peak appeared at 2θ = 26.14 °, and two peaks appeared in the range of 2θ = 44 ° ± 1 °. Specifically, these two peaks are a low-angle peak at 2θ = 44.12 ° and a high-angle peak at 2θ = 44.52 °. The peak intensity ratio (I H / I L ) of the peak intensity (I L ) on the low angle side and the peak intensity (I H ) on the high angle side was 0.32.
(電極の作製)
上記で合成した単斜晶型複合酸化物を用いて、実施例1と同様に電極を作製した。
(Production of electrodes)
Using the monoclinic complex oxide synthesized above, an electrode was produced in the same manner as in Example 1.
<比較例>
(合成)
比較例として、式LiSr0.5Ti3O7で表される複合酸化物を合成した。この複合酸化物は、カチオンとして4価及び2価のカチオンを含むものである。結晶中の4価のカチオンはTiであり、2価のカチオンはSrである。この複合酸化物は、非特許文献3(I. Beharouak and K. Amine, Electrochemistry Communications, 5, 435 (2003))に記載されているものである。
<Comparative example>
(Synthesis)
As a comparative example, a composite oxide represented by the formula LiSr 0.5 Ti 3 O 7 was synthesized. This composite oxide contains tetravalent and divalent cations as cations. The tetravalent cation in the crystal is Ti, and the divalent cation is Sr. This composite oxide is described in Non-Patent Document 3 (I. Beharouak and K. Amine, Electrochemistry Communications, 5, 435 (2003)).
出発原料として、市販の試薬Li2CO3、SrCO3、及びTiO2を用いた。これらの粉末を、目的の組成となるモル比で秤量し、乳鉢で混合した。次に、電気炉に入れ、1250℃で延べ20時間焼成した。 As starting materials, commercially available reagents Li 2 CO 3 , SrCO 3 and TiO 2 were used. These powders were weighed at a molar ratio of a desired composition and mixed in a mortar. Next, it was placed in an electric furnace and baked at 1250 ° C. for a total of 20 hours.
(粉末X線回折測定)
得られた試料について、実施例1と同様に粉末X線回折測定を行った。その結果、図11に示す回折図が得られた。得られた回折図の特徴が、非特許文献3に記載された化合物の回折図の特徴と一致したことから、目的とする複合酸化物が得られていることが推察された。更に、非特許文献3の情報からリートベルト解析を行った結果、目的とする複合酸化物が得られていることを確認した。また、図11に示すように、最も強度の高いピークは2θ=46°付近に現われた。2θ=44°±1°の範囲に2本のピークは現れなかった。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The obtained sample was subjected to powder X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1. As a result, the diffraction pattern shown in FIG. 11 was obtained. Since the characteristics of the obtained diffraction pattern coincided with the characteristics of the diffraction pattern of the compound described in
(電極の作製)
上記で合成した複合酸化物を用いて、実施例1と同様に電極を作製した。
(Production of electrodes)
Using the composite oxide synthesized above, an electrode was produced in the same manner as in Example 1.
<電気化学的測定>
実施例1,2及び比較例のそれぞれの電極と、対極として金属リチウム箔と、非水電解質を用いて、電気化学測定セルを作製した。非水電解質として、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートの混合溶媒(体積比1:1)中に六フッ化リン酸リチウムを1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
<Electrochemical measurement>
Electrochemical measurement cells were produced using the electrodes of Examples 1 and 2 and the comparative example, a metal lithium foil as a counter electrode, and a nonaqueous electrolyte. As the nonaqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving lithium hexafluorophosphate at a concentration of 1 M in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio 1: 1) was used.
実施例1,2及び比較例のそれぞれの測定セルについて、室温で充放電試験を行った。充放電試験は、金属リチウム電極基準で1.0V〜3.0Vの電位範囲で、充放電電流値を0.2C(時間放電率)として行った。但し、比較例については結晶構造を保護するために、1.0V〜2.0Vの電位範囲で測定を行った。 About each measurement cell of Examples 1, 2 and a comparative example, the charge / discharge test was done at room temperature. The charge / discharge test was performed at a charge / discharge current value of 0.2 C (time discharge rate) in a potential range of 1.0 V to 3.0 V on the basis of a metal lithium electrode. However, the comparative example was measured in a potential range of 1.0 V to 2.0 V in order to protect the crystal structure.
次に、50サイクル繰り返し充放電を行い(充電/放電で1サイクルとする)、50サイクル後の放電容量維持率を調べた。充放電は、金属リチウム電極基準で、実施例は1.0V〜3.0V、比較例は1.0V〜2.0Vの電位範囲で、電流値を1C(時間放電率)とし、室温(25℃)で行った。50回後の放電容量維持率を確認するため、再び0.2C(時間放電率)で充放電を行い、初回放電容量を100%として容量維持率を算出した。 Next, 50 cycles were repeatedly charged / discharged (one cycle of charge / discharge), and the discharge capacity retention rate after 50 cycles was examined. Charging / discharging is based on a metal lithium electrode, the examples are 1.0 V to 3.0 V, the comparative example is a potential range of 1.0 V to 2.0 V, the current value is 1 C (time discharge rate), and room temperature (25 ° C). In order to confirm the discharge capacity maintenance rate after 50 times, charge and discharge were performed again at 0.2 C (time discharge rate), and the capacity maintenance rate was calculated with the initial discharge capacity being 100%.
また、レート性能の指標として、0.2C放電容量と1.0C放電容量の比を算出した。 Moreover, the ratio of 0.2 C discharge capacity and 1.0 C discharge capacity was calculated as an index of rate performance.
<結果>
結果を表1に示す。
<Result>
The results are shown in Table 1.
実施例1、2及び比較例について得られた初回充放電曲線を図12に示した。また、充放電試験の結果を表1に示した。
表1及び図12に示したように、結晶構造中に4価のカチオンと5価のカチオンを含む複合酸化物を用いた実施例1及び2は、結晶構造中に2価のカチオンと4価のカチオンを含む複合酸化物を用いた比較例に比べて、初回放電容量及び初回充放電効率が高かった。また、50サイクル後の放電容量維持率と充放電効率も高く、安定的に充放電が可能であることが示された。また、1C/0.2C容量比が高いことからレート性能も高いことが示された。このように、4価のカチオンと5価のカチオンを含む複合酸化物が優れた性能を有するのは、酸化物イオンの電子雲を5価カチオンが引き付けるためLiと酸化物イオンの電子的な相関が薄れ、かつ、Liの挿入に伴って5価のカチオンが還元されることによるものと考えられる。 As shown in Table 1 and FIG. 12, Examples 1 and 2 using a complex oxide containing a tetravalent cation and a pentavalent cation in the crystal structure are divalent and tetravalent in the crystal structure. The initial discharge capacity and the initial charge / discharge efficiency were higher than in the comparative example using the composite oxide containing the cation. Moreover, the discharge capacity maintenance factor and charge / discharge efficiency after 50 cycles were also high, and it was shown that charging / discharging was possible stably. Moreover, since the 1C / 0.2C capacity ratio was high, the rate performance was also high. Thus, the composite oxide containing a tetravalent cation and a pentavalent cation has excellent performance because the pentavalent cation attracts an electron cloud of oxide ions, so that the electronic correlation between Li and oxide ions This is considered to be due to the fact that the pentavalent cation is reduced with the insertion of Li.
さらに、実施例2は、図10に示したように(0 0 3)面のピークと考えられる2θ=26±0.5°に最も強度が高いピークが現われ、その線幅もシャープであることから、[001]方向の結晶子がよく成長していると考えられる。また、2θ=44°±1°の範囲に現れる2本のピークの強度比(IH/IL)が0.32であった。このような実施例2は、ピーク強度比が1.37であった実施例1と比べて、充放電容量、充放電効率、容量維持率、及びレート性能の何れも高かった。 Further, in Example 2, the peak with the highest intensity appears at 2θ = 26 ± 0.5 ° which is considered to be the peak of (0 0 3) plane as shown in FIG. 10, and the line width is also sharp. From this, it is considered that the crystallites in the [001] direction are growing well. The intensity ratio (I H / I L ) of the two peaks appearing in the range of 2θ = 44 ° ± 1 ° was 0.32. In Example 2, the charge / discharge capacity, the charge / discharge efficiency, the capacity retention rate, and the rate performance were all higher than in Example 1 in which the peak intensity ratio was 1.37.
このことから、2θ=26±0.5°に最強度ピークが現われ、2θ=44°±1°の範囲に現れる2本のピークの強度比(IH/IL)が1未満である単斜晶型複合酸化物は、さらに優れた性能を有するものと考えられる。 From this, the maximum intensity peak appears at 2θ = 26 ± 0.5 °, and the intensity ratio (I H / I L ) of the two peaks appearing in the range of 2θ = 44 ° ± 1 ° is less than 1. The oblique crystal type composite oxide is considered to have further excellent performance.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
[付記]
[1]LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物を含むことを特徴とする電池用活物質:ここで、前記M1はZr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つであり、前記M2はV、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つである。
[2]Cu−Kα線源を用いた粉末X線回折の回折図において、2θ=26°±0.5°に最も強度の高いピークが現われ、且つ、2θ=44°±1°に2本のピークが現れ、それら2本のピークの強度比(IH/IL)が1未満であることを特徴とする前記[1]に記載の電池用活物質:ここで、IHは高角側のピークであり、ILは低角側のピークである。
[3]前記単斜晶型複合酸化物がTiNb2O7であることを特徴とする、前記[1]又は[2]に記載の電池用活物質。
[4]前記[1]〜[3]の何れか一つに記載の電池用活物質を含む負極と、正極と、非水電解質と、を含むことを特徴とする非水電解質電池。
[5]前記[4]に記載の非水電解質電池を含むことを特徴とする電池パック。
[Appendix]
[1] Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ ≦ 0.3) A battery active material comprising a monoclinic complex oxide: wherein M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si and Sn, and M2 is V, Ta and At least one selected from the group consisting of Bi.
[2] In a powder X-ray diffraction diffraction diagram using a Cu-Kα radiation source, the highest intensity peak appears at 2θ = 26 ° ± 0.5 °, and two peaks appear at 2θ = 44 ° ± 1 °. The active material for a battery according to the above [1], wherein the intensity ratio (I H / I L ) of these two peaks is less than 1, wherein I H is the high angle side I L is a low angle peak.
[3] The battery active material according to [1] or [2], wherein the monoclinic complex oxide is TiNb 2 O 7 .
[4] A non-aqueous electrolyte battery comprising a negative electrode including the battery active material according to any one of [1] to [3], a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte.
[5] A battery pack comprising the nonaqueous electrolyte battery according to [4].
1,11…電極群、2,12…外装部材、3,14…負極、4,15…セパレータ、5,13…正極、6,16…負極端子、7,17…正極端子、20…電池パック、21…単電池、24…プリント配線基板、25…サーミスタ、26…保護回路、37…収納容器、101…金属イオン、102…酸化物イオン、103…骨格構造部分、104…空隙部分、105、106…領域、107…空隙部分。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムからなるラミネートフィルム製容器及び厚さ1mm以下の金属板からなる金属製容器から選択され、
前記負極は、負極活物質、導電剤及び結着剤を含む負極層と、集電体とを含み、
前記負極活物質は、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7±δ(0≦x≦5、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦δ
≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物を含み、該単斜晶型複合酸化物は、[001]方向に結晶子が成長しているものであり、
ここで、
前記M1はZr、Si及びSnから成る群から選択される少なくとも1つであり、
前記M2はV、Ta及びBiから成る群から選択される少なくとも1つである非水電解質電池。 A non-aqueous electrolyte battery including an exterior member and a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte housed in the exterior member,
The exterior member is selected from a laminate film container made of a laminate film having a thickness of 0.5 mm or less and a metal container made of a metal plate having a thickness of 1 mm or less,
The negative electrode includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material, a conductive agent and a binder, and a current collector,
The negative electrode active material is Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7 ± δ (0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 2, 0 ≦ δ
≦ 0.3), and the monoclinic complex oxide has crystallites grown in the [001] direction,
here,
M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si and Sn;
The nonaqueous electrolyte battery, wherein M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta, and Bi.
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