JP6189177B2 - 活物質、非水電解質電池、電池パック及び自動車 - Google Patents
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Description
0.05≦(B/A)≦1.5 (2)
0.01≦(C/A)≦0.7 (3)
Aは、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.0±0.1°の範囲内に現れるメインピークの強度である。BはCuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが25.0±0.1°の範囲内に現れるNb10Ti2O29に帰属されるピークの強度である。CはCuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが24.8±0.1°の範囲内に現れるNb24TiO62に帰属されるピークの強度である。Dは、前記回折ピークにおいて2θが27.4±0.2°の範囲内に現れるTiO2ルチル相に帰属されるピークの強度である。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る活物質は、平均組成がLiyNb2+xTi1−xO7+0.5x(−0.5≦x≦1、0≦y≦6)で表されるニオブ−チタン複合酸化物を含む。ニオブ−チタン複合酸化物は、Nb/Ti組成比の異なる相の混相か、Nb/Ti組成比の異なる相とTiO2ルチル相の混相として存在する。これら混相を総括して表した元素組成比を平均組成とする。平均組成は、例えば、Nb、Ti元素に関してはICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析法、O(酸素)元素については、不活性ガス融解−赤外線吸収分光法により定量することが可能であるが、表面に吸着する水分、有機物などによる不純物の影響により測定装置の原理上正確な定量が難しい。そのため平均組成をLiyNb2+xTi1−xO7+0.5x(−0.5≦x≦1、0≦y≦6)で表した時の酸素濃度の誤差範囲は±0.3とする。xの範囲を−0.5≦x≦1にするのは、xがあまり小さいと、主相であるNb2TiO7に対し、ルチル型TiO2相の存在比が多くなるため、リチウムが挿入可能な量が低下するためである。逆にxの量があまり大きいと、主相であるNb2TiO7に対し、Nb10Ti2O29やNb24TiO62といった副相の存在比が多くなる(過剰になる)ため、リチウムが挿入可能な量が低下するためである。yの範囲を0≦y≦6にするのは、yがあまり大きいと、リチウムが理論容量以上含有されることになり、リチウムの過剰挿入により電池特性を低下させるためである。好ましいxは0≦x≦0.5であり、好ましいyは0≦y≦5.5である。
但し、Aは、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.0±0.1°に現れるNb2TiO7に帰属されるピークの強度であり、Dは、該回折ピークにおいて2θが27.4±0.2°に現れるTiO2ルチル相に帰属されるピークの強度である。
0<(C/A)≦0.7 (3)
但し、Bは、前記回折ピークにおいて2θが25.0±0.1°に現れるNb10Ti2O29に帰属されるピークの強度であり、Cは、前記回折ピークにおいて2θが24.8±0.1°に現れるNb24TiO62に帰属されるピークの強度である。
<広角X線回折法>
活物質の広角X線回折法、すなわち粉末X線回折測定は、次のように行う。まず、測定に供する試料を平均粒子径が5μm以下となるまで粉砕またはふるい等による粒度選定を行う。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。粉砕による試料の結晶性に影響がないことを調べるため、粉砕前と粉砕後でメインピークの半値幅が変化しないことを確認する。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mm以上のホルダー部分に充填しガラス板を使い平滑化する。このとき、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。ピーク位置を正しく決めるため、ホルダーの基準面より凹凸が生じることのないように充填する。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。試料の粒子形状により粒子配向の影響が生じる可能性があり、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。この場合、同じ試料をリンデマンガラス製キャピラリーに詰めて回転試料台を用いて測定することで影響を調べることができる。得られたX線チャートを比較して特定面の強度比に装置誤差以上の違いが出ているようであれば、回転試料台を用いた測定結果を本願の権利範囲に適用する。
<電極から活物質を分離する方法>
電池として組み込まれた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、活物質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用される活物質を試料として供する場合には、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ため、分析結果に留意する。
(第2実施形態)
第2実施形態に係る非水電解質電池は、正極と、第1実施形態に係る活物質を含む負極と、非水電解質とを含む。この非水電解質電池は、正極と負極の間に配置されるセパレータと、正負極、セパレータ及び非水電解質が収納される外装部材とをさらに含むことができる。
負極は、集電体と、負極活物質含有層(負極材料層)とを含む。負極活物質含有層は、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。
正極は、集電体と、正極活物質含有層(正極材料層)とを含む。正極活物質含有層は、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。
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。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。
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。
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以下の金属製の容器を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。
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。第3実施形態に係る電池パックは、第2の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。
(実施例1)
ニオブ−チタン複合酸化物を固相反応法により合成した。Nbリッチ相を得るため、出発原料であるNb2O5粒子は平均粒径を0.7μmとし、TiO2粒子は平均粒径4.5μmのものを使用した。Nb2O5粒子及びTiO2粒子の平均粒径には、レーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置(日機装株式会社マイクロトラックMT33−EXII)により測定された、体積頻度が50%時の粒径をそれぞれ使用した。
(実施例2)
本焼成を温度1350℃で18時間行った後に、600℃24時間のアニール処理を行うこと以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。アニール処理を行った目的は、Nbリッチ相を極力減らし、微量にしても効果が見られることを実証するためである。
(実施例3)
本焼成を温度1350℃で18時間行った後に、1000℃まで温度を下げた後、試料を焼成炉から取り出して常温環境下に移動させることにより急冷処理を行った以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。急冷処理を行った目的は、Nbリッチ相の含有比が多い状態での効果を検証するためである。
(参考例4)
出発原料であるNb2O5粒子は平均粒径を0.5μmとし、TiO2粒子は平均粒径0.7μmのものを使用し、出発原料の仕込み量を変えたこと以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。参考例4の活物質粉末の平均組成は、Nb1.76Ti1.24O7+0.5x(x=−0.24)であった。また、活物質粉末について、サンプリング間隔0.01°、スキャン速度2°/minで測定した広角X線回折測定の結果より、広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.03°にピークAが、2θが25.98°にピークDが現れた。ピークB、ピークCは観測されなかった。ピーク強度比(B/A)、(C/A)及び(D/A)を下記表1に示す。
(参考例5)
出発原料であるNb2O5粒子は平均粒径を0.5μmとし、TiO2粒子は平均粒径0.7μmのものを使用し、出発原料の仕込み量を変えたこと以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。参考例5の活物質粉末の平均組成は、Nb1.76Ti1.24O7+0.5x(x=−0.24)であった。また、活物質粉末について、サンプリング間隔0.01°、スキャン速度2°/minで測定した広角X線回折測定の結果より、広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.03°にピークAが、2θが25.96°にピークDが現れた。ピークB、ピークCは観測されなかった。ピーク強度比(B/A)、(C/A)及び(D/A)を下記表1に示す。
(参考例6)
出発原料であるNb2O5粒子は平均粒径を0.7μmとし、TiO2粒子は平均粒径1.0μmのものを使用し、出発原料の仕込み量を変えたこと以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。参考例6の活物質粉末の平均組成は、Nb2.14Ti0.86O7+0.5x(x=0.14)であった。また、活物質粉末について、サンプリング間隔0.01°、スキャン速度2°/minで測定した広角X線回折測定の結果より、広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが25.97°にピークAが、2θが24.91°にピークBが、2θが27.38°にピークDが現れた。ピークCについては検出されなかった。ピーク強度比(B/A)、(C/A)及び(D/A)を下記表1に示す。
(実施例7)
出発原料の仕込み量を変えたこと以外は、実施例3と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。実施例7の活物質粉末の平均組成は、Nb2.5Ti0.5O7+0.5x(x=0.5)であった。また、活物質粉末について、サンプリング間隔0.01°、スキャン速度2°/minで測定した広角X線回折測定の結果より、広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが25.97°にピークAが、2θが24.91°にピークBが、2θが24.73°にピークCが現れた。ピークDについては検出されなかった。ピーク強度比(B/A)、(C/A)及び(D/A)を下記表1に示す。
(比較例1)
出発原料のTiO2の粒径を3.3μmとし、本焼成温度を1100℃、焼成時間を12時間と変えた以外は、実施例1と同様の方法でニオブ−チタン複合酸化物からなる活物質を合成し、充放電特性を評価した。
(比較例2)
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時間焼成することにより、TiNb2O7を合成した。ここで用いた合成方法は、非特許文献1に記載された方法に基づくものである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]平均組成がLi y Nb 2+x Ti 1−x O 7+0.5x (−0.5≦x≦1、0≦y≦6)で表され、下記式(1)で表されるピーク強度比を満たすニオブ−チタン複合酸化物を含むことを特徴とする活物質。
0<(D/A)≦0.7 (1)
但し、Aは、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.0±0.1°に現れるNb 2 TiO 7 に帰属されるピークの強度であり、Dは、前記回折ピークにおいて2θが27.4±0.2°に現れるTiO 2 ルチル相に帰属されるピークの強度である。
[2]下記式(2)および(3)で表されるピーク強度比の少なくともいずれか1式を満たすニオブ−チタン複合酸化物を含むことを特徴とする[1]記載の活物質。
0<(B/A)≦1.5 (2)
0<(C/A)≦0.7 (3)
但し、Bは、前記回折ピークにおいて2θが25.0±0.1°に現れるNb 10 Ti 2 O 29 に帰属されるピークの強度であり、Cは、前記回折ピークにおいて2θが24.8±0.1°に現れるNb 24 TiO 62 に帰属されるピークの強度である。
[3]下記式(1)´〜(3)´で表されるピーク強度比を満たすことを特徴とする[1]または[2]いずれかに記載の活物質。
0<(D/A)≦0.1 (1)´
0.05≦(B/A)≦0.7 (2)´
0.01≦(C/A)≦0.2 (3)´
[4]前記ピーク強度比(D/A)が0<(D/A)≦0.1を満たすことを特徴とする[1]または[2]いずれかに記載の活物質。
[5]正極と、[1]〜[4]いずれかに記載の活物質を含む負極と、非水電解質とを含むことを特徴とする非水電解質電池。
[6][5]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。
[7]TiO 2 粒子と、前記TiO 2 粒子よりも平均粒径の小さいNb 2 O 5 粒子とを含む混合物に、600℃以上1100℃以下の温度で第1の焼成を施す工程と、前記混合物に、1300℃以上1400℃以下の温度で第2の焼成を施す工程とを含むことを特徴とする活物質の製造方法。
[8]前記第2の焼成工程後に、600℃以上1000℃以下の範囲でアニール処理を施す工程をさらに含むことを特徴とする[7]記載の活物質の製造方法。
[9]前記第2の焼成工程後に、冷却処理を施す工程をさらに含むことを特徴とする[7]記載の活物質の製造方法。
Claims (7)
- 平均組成がLiyNb2+xTi1−xO7+0.5x(−0.5≦x≦1、0≦y≦6)で表され、下記式(1)〜(3)で表されるピーク強度比を満たすニオブ−チタン複合酸化物を含むことを特徴とする活物質。
0.005≦(D/A)≦0.7 (1)
0.05≦(B/A)≦1.5 (2)
0.01≦(C/A)≦0.7 (3)
但し、Aは、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による回折ピークにおいて2θが26.0±0.1°の範囲内に現れるメインピークの強度であり、Bは前記回折ピークにおいて2θが25.0±0.1°の範囲内に現れるNb10Ti2O29に帰属されるピークの強度であり、Cは前記回折ピークにおいて2θが24.8±0.1°の範囲内に現れるNb24TiO62に帰属されるピークの強度であり、Dは、前記回折ピークにおいて2θが27.4±0.2°の範囲内に現れるTiO2ルチル相に帰属されるピークの強度である。 - 下記式(1)´〜(3)´で表されるピーク強度比を満たすことを特徴とする請求項1に記載の活物質。
0.005≦(D/A)≦0.1 (1)´
0.05≦(B/A)≦0.7 (2)´
0.01≦(C/A)≦0.2 (3)´ - 前記ピーク強度比(B/A)が0.06≦(B/A)≦0.5を満たすことを特徴とする請求項1または2いずれか1項に記載の活物質。
- 前記ピーク強度比(C/A)が0.01≦(C/A)≦0.1を満たすことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の活物質。
- 正極と、
請求項1乃至4いずれか1項記載の活物質を含む負極と、
非水電解質と
を含むことを特徴とする非水電解質電池。 - 請求項5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。
- 請求項6に記載の電池パックを備える自動車。
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