CN117223128A - 非水电解质蓄电元件用正极活性物质、非水电解质蓄电元件用正极、非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极活性物质包含:具有聚阴离子结构且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,以及,具有α-NaFeO2型晶体结构且以通式Li1+αMe1‑αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素)表示的锂过渡金属复合氧化物;上述锂过渡金属复合氧化物中的Mn与过渡金属(Me)的摩尔比为0.4≤Mn/Me≤0.6。
Description
技术领域
本发明涉及非水电解质蓄电元件用正极活性物质、非水电解质蓄电元件用正极、非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置。
背景技术
近年来,作为非水电解质二次电池等非水电解质蓄电元件中使用的正极活性物质,具有聚阴离子结构的过渡金属化合物备受关注。已知具有该聚阴离子结构的过渡金属化合物,由于氧会与除过渡金属以外的元素共价键合而形成聚阴离子结构,因此即使在较高温度下也不会释放氧,将其作为正极活性物质使用而可提高蓄电元件的安全性。
在锂过剩型锂过渡金属复合氧化物中混合具有聚阴离子结构的过渡金属化合物作为正极活性物质的发明是公知的(参照专利文献1)。
专利文献1中记载了“经由燃烧合成路径而得到的双活性Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/LiFePO4纳米吸留阴极材料。将化学计量质量的醋酸盐Li(COOCH3)2·2H2O、Mn(COOCH3)2·4H2O、Ni(COOCH3)2·4H2O以及Co(COOCH3)2·4H2O分别溶解在去离子水中形成溶液。在溶液中添加柠檬酸(C6H8O7)作为燃料,并通过柠檬酸的添加使溶液的pH调整为2。然后,以Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2:LiFePO4约为1:0.05的摩尔比将LiFePO4粉末添加到溶液中。LiFePO4提供了具有比Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2键更强的键的氧原子。”(段落[0047])。
另外,在具有聚阴离子结构的过渡金属化合物中混合LiMeO2(Me为含有Ni、Co和Mn的过渡金属)型锂过渡金属复合氧化物(称为“NCM”或“NMC”)作为正极活性物质的发明是公知的(例如,参照专利文献2~4)。
专利文献2中记载了“将作为正极活性物质的层状锂·镍·锰·钴复合氧化物(NMC)与橄榄石型磷酸铁锂(LFP)以规定的活性物质的重量比(NMC/LFP)进行混合。在该正极活性物质的混合物中依次添加作为导电材料的鳞片状的石墨(平均粒径:20μm)和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯,并通过混合得到的正极材料的混合物。”(段落[0141])。
专利文献3中记载了“在<例1>···得到的带有碳涂层的LiFePO4(化合物A)中以LiFePO4:碳涂层:粘结剂(PVDF)为以质量比计88:2:10的方式添加PVDF,并以NMP为分散介质在珠磨机中均匀地粉碎混炼,得到固形成分(NV)为40质量%的浆状的正极合剂。向该正极合剂中添加平均粒径1μm的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(化合物B),使化合物A与B的质量比A:B为90:10,充分混合。”(段落[0049]);“使用平均粒径为10μm的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,除此以外与例1相同,得到例5的电池。”(段落[0052]);“使用平均粒径为10μm的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,除此以外与例3相同,得到例7的电池。”;“使用平均粒径为10μm的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,除此以外与例4相同,得到例8的电池。”(段落[0053])。
专利文献4中记载了“以一定比例混合制造例1和3中制造的正极活性物质LiFePO4(LFP)和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(以下,称为“NCM”)的粉末,然后施加压力并制造出颗粒。”(段落[0077])。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2020-527832号公报
专利文献2:日本专利第6065901号公报
专利文献3:日本专利第5081886号公报
专利文献4:日本专利第6236197号公报
发明内容
本发明的目的是提供一种充放电循环后的低SOC(State Of Charge)下的输出性能高的非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置。
本发明的一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极活性物质包含:具有聚阴离子结构且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,以及具有α-NaFeO2型晶体结构且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素)表示的锂过渡金属复合氧化物,并且,上述锂过渡金属复合氧化物中,Mn与过渡金属(Me)的摩尔比为0.4≤Mn/Me≤0.6。
本发明的另一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极含有上述正极活性物质。
本发明的又一个方面涉及的非水电解质蓄电元件具备上述正极。
本发明的再一个方面涉及的蓄电单元是将多个上述非水电解质蓄电元件以串联的方式连接而成的。
本发明的另一个方面涉及的蓄电装置是将多个上述蓄电单元连接而成的。
如果将本发明的一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极活性物质用于正极,则能够提供充放电循环后的低SOC下的输出性能高的非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置。
附图说明
图1A是表示相对于仅将LiFePO4(LFP)用作正极活性物质的非水电解质的相对于二次电池的充电电量(Q)的正极电位的变化的示意图。
图1B是表示相对于将LiFePO4(LFP)与Li、Ni、Co、Mn复合氧化物(NCM)的混合物用作正极活性物质的非水电解质二次电池的相对于充电电量(Q)的正极电位的变化的示意图。
图2是表示非水电解质蓄电元件的一个实施方式的透视立体图。
图3是表示集合多个非水电解质蓄电元件而构成的蓄电装置的一个实施方式的概略图。
具体实施方式
首先,对本说明书所公开的非水电解质蓄电元件用正极活性物质、非水电解质蓄电元件用正极、非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置的概要进行说明。
本发明的一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极活性物质包含:具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M是选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,以及具有α-NaFeO2型晶体结构、且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素)表示的锂过渡金属复合氧化物,并且,上述锂过渡金属复合氧化物中,Mn与过渡金属(Me)的摩尔比为0.4≤Mn/Me≤0.6。
根据该正极活性物质,能够提供一种充放电循环后的低SOC下的输出性能高的非水电解质蓄电元件用正极和非水电解质蓄电元件。
通过使用在LiMeO2(Me为含有Ni、Co和Mn的过渡金属元素)型锂过渡金属复合氧化物(NCM)中混合了具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物(例如,LiFePO4:LFP)的正极活性物质(参照专利文献2~4),从而在3.5V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,表现出来自NCM的容量,相对于充电电量的电位变化显示梯度,能够抑制在仅使用具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物仅作为正极活性物质时所出现的电位的急剧上升(参照图1A和图1B)。
然而,在使用这样的正极活性物质的情况下,在非水电解质蓄电元件的一般使用时,对于NCM来说主要是在低SOC下的利用,因此随着充放电循环的进行,容易产生NCM粒子的破裂而引起的电阻上升。因此,本发明人研究了将在与NCM相同的电位范围内表现出容量的、具有α-NaFeO2型晶体结构、且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn或含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,0.4≤Mn/Me≤0.6)表示的锂过渡金属复合氧化物,与LFP等具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物混合,发现能够抑制上述锂过渡金属复合氧化物的粒子破裂引起的电阻上升,提高充放电循环后在低SOC下的输出性能。
将具有上述聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物作为正极活性物质的正极,进行充电至正极电位达到3.7V(vs.Li/Li+)时,在3.2V(vs.Li/Li+)以上、且小于3.4V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,可以观察到相对于充电电量的电位变化比较平坦的区域。
如果使用该具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物,在与上述锂过渡金属复合氧化物组合而作为正极活性物质时,在3.5V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,能够有效表现出来自上述锂过渡金属复合氧化物的容量。
根据该具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物,以此为正极活性物质的正极在进行充电至正极电位为3.7V(vs.Li/Li+)时,在3.2V(vs.Li/Li+)以上且小于3.4V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,可以观察到相对于充电电量的电位变化比较平坦的区域。
上述锂过渡金属复合氧化物中,Li相对于过渡金属(Me)的摩尔比(1+α)/(1-α)可以为1.1≤(1+α)/(1-α),也可以为(1+α)/(1-α)≤1.3。
如果使用该锂过渡金属复合氧化物,则在3.5V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,能够使来自上述锂过渡金属复合氧化物的容量有效地表现来,并且能够抑制伴随充放电循环的进行的上述锂过渡金属复合氧化物的粒子的破裂。特别是,即使在高温环境下长期使用而在一定程度上恶化的状态下,低SOC下的输出性能也高。
上述正极活性物质中的上述锂过渡金属复合氧化物的比例可以为20质量%以下。
根据该正极活性物质,由于具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物的比例多,所以使用该正极活性物质能够提高热稳定性。
本发明的另一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极含有上述正极活性物质,本发明的又一个方面涉及的非水电解质蓄电元件具备上述正极。
具备上述非水电解质蓄电元件的正极在进行充电至正极电位为3.7V(vs.Li/Li+)时,在3.2V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,可以观察到相对于充电电量的电位变化比较平坦的区域。
根据该非水电解质蓄电元件,在3.5V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,有效地表现出来自上述锂过渡金属复合氧化物的容量,并且能够抑制在仅使用具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物作为正极活性物质时所出现的电压的急剧上升。
上述非水电解质蓄电元件可以在满充电状态(SOC100%)下的正极的最大到达电位为3.7V(vs.Li/Li+)以下的电压下使用。
本发明的再一个方面涉及的蓄电单元是将多个上述非水电解质蓄电元件以串联的方式连接而成的。
根据该蓄电单元,可以得到抑制充电末期的电压的急剧上升的同时抑制多个非水电解质蓄电元件的电压偏差的产生的蓄电单元。
本发明的再另一个方面涉及的蓄电装置是将多个上述蓄电单元连接而成的。
根据该蓄电装置,可以得到抑制充电末期的电压的急剧上升,同时抑制多个非水电解质蓄电元件和蓄电单元的电压偏差的产生的蓄电装置。
对于本发明的一个实施方式(以下,称为实施方式。)涉及的非水电解质蓄电元件的构成、蓄电单元的构成、蓄电装置的构成和非水电解质蓄电元件的制造方法以及其它实施方式进行详细叙述。应予说明,各实施方式所使用的各构成部件(各构成要素)的名称有时与背景技术中使用的各构成部件(各构成要素)的名称不同。
<非水电解质蓄电元件的构成>
本实施方式涉及的非水电解质蓄电元件(以下,简称“蓄电元件”)包括:具有正极、负极和隔离件的电极体;非水电解质;收纳上述电极体和非水电解质的容器。电极体通常为多个正极和多个负极经由隔离件层叠而成的层叠型,或者正极和负极在经由隔离件层叠的状态下卷绕而成的卷绕型。非水电解质是以包含于正极、负极和隔离件的状态存在的。作为非水电解质蓄电元件的一个例子,对非水电解质二次电池(以下,简称为“二次电池”)进行说明。
(正极)
正极具有正极基材和在该正极基材上直接或经由中间层配置的正极活性物质层。
正极基材具有导电性。是否具有“导电性”是以依据JIS-H-0505(1975年)测定的体积电阻率为107Ω·cm作为阈值来判定的。作为正极基材的材料,可使用铝、钛、钽、不锈钢等金属或者它们的合金。其中,从耐电位性、导电性的高低及成本的观点出发,优选为铝或铝合金。作为正极基材,可以举出箔、蒸镀膜、网、多孔材料等,从成本的观点出发,优选为箔。因此,作为正极基材优选铝箔或者铝合金箔。作为铝或铝合金,可以举出JIS-H-4000(2014年)或JIS-H4160(2006年)中规定的A1085、A3003、A1N30等。
正极基材的平均厚度优选为3μm~50μm,更优选为5μm~40μm,进一步优选为8μm~30μm,特别优选为10μm~25μm。通过使正极基材的平均厚度在上述范围内,既可以提高正极基材的强度又可以提高二次电池单位体积的能量密度。
中间层是配置在正极基材和正极活性物质层之间的层。中间层通过含有碳粒子等导电剂来降低正极基材与正极活性物质层的接触电阻。中间层的构成没有特别限定,例如含有粘合剂和导电剂。
正极活性物质层含有正极活性物质。正极活性物质层根据需要而含有导电剂、粘合剂(粘结剂)、增稠剂、填料等任意成分。
在本实施方式中,正极活性物质包含具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物。作为具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)表示的锂过渡金属化合物,可以举出例如在上述通式中M具体来说是选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种元素的LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4等,M是两种以上的元素的LiFexMn1-xPO4(0<x<1)、LiFeyM1-yPO4(M为选自Mn、Ni和Co中的一种以上的过渡金属元素,0.5≤y<1)等。
具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,也可以是进行了碳涂覆。涂覆有碳的具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物优选通过将含有Fe、Mn、Ni、Co、V等的过渡金属化合物的原料与LiH2PO4等的Li的磷酸盐和蔗糖粉末等碳原料混合并烧结来制造。通过控制进行上述烧结时的碳原料的种类、碳原料的混合量、烧结温度、烧结时间等,从而可以使相对于正极合剂的BET比表面积的、具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物因碳涂层而增加的BET比表面积的比例为12%~30%以下。例如,在制作LiFePO4时,优选使烧结温度为650℃~700℃,烧结时间为2~12小时。
在本实施方式中,正极活性物质包含:具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,以及具有α-NaFeO2型晶体结构、且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,0.4≤Mn/Me≤0.6)表示的锂过渡金属复合氧化物。
如果将该锂过渡金属复合氧化物混合在具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合中,则能够在3.5V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内表现出来自上述锂过渡金属复合氧化物的容量的同时能够抑制伴随充放电循环的进行而上述锂过渡金属复合氧化物的粒子破裂。
上述具有α-NaFeO2型晶体结构、且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,0.4≤Mn/Me≤0.6)表示的锂过渡金属复合氧化物,其使用CuKα射线的X射线衍射图谱能够属于空间群R3-m的晶体结构模型,优选属于(104)面的衍射峰(2θ=44°±1°的衍射峰)的半峰宽F(104)为0.15°~0.35°的范围、属于(003)面的衍射峰(2θ=18.6°±1°的衍射峰)的半峰宽F(003)为0.15°~0.40°的范围。
在本实施方式中,在作为本发明的一个方面涉及的非水电解质蓄电元件用正极活性物质的课题的非水电解质蓄电元件的充放电循环后的低SOC下的输出性能不受到损害的范围内,还可以包含除了上述具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物和上述锂过渡金属复合氧化物以外的其他正极活性物质。
作为其他正极活性物质,可以举出,例如除上述锂过渡金属化合物以外的具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物、除上述锂过渡金属复合氧化物以外的具有α-NaFeO2型晶体结构的锂过渡金属复合氧化物、具有尖晶石型晶体结构的锂过渡金属复合氧化物、硫族化合物、硫等。作为除上述锂过渡金属化合物以外的具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物,可以举出例如Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等。作为除上述锂过渡金属复合氧化物以外的具有α-NaFeO2型晶体结构的锂过渡金属复合氧化物,可举出例如Li[LixNi(1-x)]O2(0≤x<0.5)、Li[LixNiγCo(1-x-γ)]O2(0≤x<0.5,0<γ<1)、Li[LixCo(1-x)]O2(0≤x<0.5)、Li[LixNiγMn(1-x-γ)]O2(0<x<0.5,0.6<(1-γ))、LiNiγMn(1-γ)O2((1-γ)≤0.5)、Li[LixNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O2(0<x<0.5,0<γ,0.6<β,0.6<γ+β<1)、LiNiγMnβCo(1-γ-β)]O2(0<γ,0<β≤0.5)、Li[LixNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O2(0≤x<0.5,0<γ,0<β,0.5<γ+β<1)等。作为具有尖晶石型晶体结构的锂过渡金属复合氧化物,可以举出LixMn2O4、LixNiγMn(2-γ)O4等。作为硫族化合物,可以举出二硫化钛、二硫化钼、二氧化钼等。这些材料中的原子或聚阴离子可以部分被其他元素构成的原子或阴离子物质取代。这些材料的表面也可以被其他材料覆盖。
正极活性物质一般为颗粒(粉末)。正极活性物质的平均粒径例如优选为0.1μm~20μm。通过使正极活性物质的平均粒径为上述下限以上,易于正极活性物质的制造或操作。通过使正极活性物质的平均粒径为上述上限以下,从而提高正极活性物质层的电传导性。应予说明,当使用正极活性物质与其他材料的复合体时,将该复合体的平均粒径作为正极活性物质的平均粒径。“平均粒径”是指依据JIS-Z-8825(2013年),基于通过激光衍射散射法对以溶剂稀释粒子而得的稀释液所测定的粒径分布,再依据JIS-Z-8819-2(2001年)计算的体积基准累积分布为50%时的值。
为了获得规定粒径的粉末,可使用粉碎机、分级机等。作为粉碎方法,可以举出例如使用研钵、球磨机、砂磨机、振动球磨机、行星式球磨机、喷射磨机、反向喷射磨机、旋转气流型喷射磨机或筛子等的方法。粉碎时也可以使用与水或己烷等有机溶剂共存的湿式粉碎。作为分级方法,根据需要使用筛子、风力分级机等,干式、湿式均可。
正极活性物质层中正极活性物质的含量优选为50质量%~99质量%,更优选为70质量%~98质量%,进一步优选为80质量%~95质量%。通过使正极活性物质的含量在上述范围内,可以兼顾正极活性物质层的高能量密度化和制造性。
导电剂只要是具有导电性的材料即可,没有特别限定。作为这样的导电剂,可以举出例如碳材料、金属、导电性陶瓷等。作为碳材料,可以举出石墨、非石墨质碳、石墨烯系碳等。作为非石墨质碳,可以举出碳纳米纤维、沥青系碳纤维、炭黑等。作为炭黑,可以举出炉法炭黑、乙炔黑、科琴黑等。作为石墨烯系碳,可以举出石墨烯、碳纳米管(CNT)、富勒烯等。作为导电剂的形状,可以举出粉末状、纤维状等。作为导电剂,可以单独使用这些材料的一种,也可以将两种以上混合使用。另外,也可以将这些材料复合而使用。例如,也可以使用将炭黑与CNT复合得到的材料。这些中,从电传导性和涂布性的观点考虑,优选炭黑,其中优选乙炔黑。
正极活性物质层中的导电剂的含量优选为1质量%~10质量%,更优选为3质量%~9质量%。通过使导电剂的含量为上述范围,能够提高二次电池的能量密度。
作为粘合剂,例如可以举出氟树脂(聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等)、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、聚酰亚胺等热塑性树脂;乙烯-丙烯-二烯橡胶(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡胶(SBR)、氟橡胶等弹性体;多糖类高分子等。
正极活性物质层中的粘合剂的含量优选为1质量%~10质量%,更优选为3质量%~9质量%。通过使粘合剂的含量为上述范围,能够稳定地保持活性物质。
作为增稠剂,可以举出例如羧甲基纤维素(CMC)、甲基纤维素等多糖高分子。增稠剂在具有与锂等反应的官能团的情况下,能够通过预先甲基化等而使该官能基失活。
填料没有特别限定。作为填料,可以举出聚丙烯、聚乙烯等聚烯烃,二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化镁和铝硅酸盐等无机氧化物,氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铝等氢氧化物,碳酸钙等碳酸盐,氟化钙、氟化钡、硫酸钡等难溶性离子晶体、氮化铝、氮化硅等氮化物、滑石、蒙脱石、勃姆石、沸石、磷灰石、高岭土、莫来石、尖晶石、橄榄石、绢云母、膨润土、云母等矿物资源的物质或者它们的人造物。
正极活性物质层中还可以含有B、N、P、F、Cl、Br、I等典型非金属元素,Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等典型金属元素,Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等过渡金属元素作为除了正极活性物质、导电剂、粘合剂、增稠剂、填料以外的成分。
(负极)
负极具有负极基材和在该负极基材上直接或经由中间层配置的负极活性物质层。中间层的构成没有特别限定,可以从例如上述正极中例示的构成中选择。
负极基材具有导电性。作为负极基材的材质,可以使用铜、镍、不锈钢、镀镍钢、铝等金属或它们的合金、碳材料等。其中优选铜或铜合金。作为负极基材,可以举出箔、蒸镀膜、网、多孔材料等,从成本的观点出发,优选箔。因此,作为负极基材,优选铜箔或铜合金箔。作为铜箔的例子,可以举出压延铜箔、电解铜箔等。
负极基材的平均厚度优选为2μm~35μm,更优选为3μm~30μm,进一步优选为4μm~25μm,特别优选为5μm~20μm。通过使负极基材的平均厚度在上述范围内,既能够提高负极基材的强度,又能够提高二次电池的单位体积的能量密度。
负极活性物质层包含负极活性物质。负极活性物质层根据需要包含导电剂、粘合剂、增稠剂、填料等任意成分。导电剂、粘合剂、增稠剂、填料等任意成分可以从上述正极中例示的材料中选择。
负极活性物质层还可以含有B、N,P、F、Cl、Br、I等典型非金属元素,Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等典型金属元素,Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等过渡金属元素作为除了负极活性物质、导电剂、粘合剂、增稠剂、填料以外的成分。
负极活性物质可以由公知的负极活性物质中适当选择。一般可以使用可吸留和释放锂离子的材料作为锂离子二次电池用负极活性物质。作为负极活性物质,可以举出,例如金属Li、Si、Sn等金属或半金属;Si氧化物、Ti氧化物、Sn氧化物等金属氧化物或半金属氧化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等含钛氧化物;多磷酸盐化合物;碳化硅;石墨(Graphite)和非石墨质碳(易石墨化碳或难石墨化碳)等碳材料等。这些材料中,优选石墨和非石墨质碳。在负极活性物质层中,可以单独使用这些材料中的一种,也可以将两种以上混合使用。
“石墨”是指在充放电前或放电状态下,通过X射线衍射法确定的(002)面的平均晶面间距(d002)为0.33nm以上且小于0.34nm的碳材料。作为石墨,可以举出天然石墨、人造石墨。从能够得到物性稳定的材料的观点出发,优选人造石墨。
“非石墨质碳”是指在充放电前或放电状态下,通过X射线衍射法确定的(002)面的平均晶面间距(d002)为0.34nm~0.42nm的碳材料。作为非石墨质碳,可以举出难石墨化碳和易石墨化碳。作为非石墨质碳,例如,可以举出来自树脂的材料、石油沥青或来自石油沥青的材料、石油焦炭或来自石油焦炭的材料、来自植物材料和来自醇类的材料。
这里,“放电状态”是指从作为负极活性物质的碳材料中能够随着充放电吸留释放的锂离子充分释放的放电状态。例如,在以含碳材料作为负极活性物质的负极用于工作电极且以金属Li作为对电极的半电池中,开路电压为0.7V以上。
“难石墨化碳”是指上述d002为0.36nm~0.42nm的碳材料。
“易石墨化碳”是指上述d002为0.34nm以上且小于0.36nm的碳材料。
负极活性物质一般为颗粒(粉末)。负极活性物质的平均粒径例如可以为1nm~100μm。当负极活性物质为碳材料、含钛氧化物或者多磷酸盐化合物时,其平均粒径也可以为1μm~100μm。当负极活性物质为Si、Sn、Si氧化物或Sn氧化物等时,其平均粒径也可以为1nm~1μm。通过使负极活性物质的平均粒径为上述下限以上,从而易于负极活性物质的制造或操作。通过使负极活性物质的平均粒径为上述上限以下,从而提高负极活性物质层的电传导性。为了得到规定粒径的粉末,可使用粉碎机、分级机等。粉碎方法和分级方法,可以从例如上述正极中例示的方法中选择。在负极活性物质为金属Li等金属的情况下,负极活性物质也可以为箔状。
负极活性物质层中的负极活性物质的含量优选为60质量%~99质量%,更优选为90质量%~98质量%。通过使负极活性物质的含量在上述范围内,能够兼得负极活性物质层的高能量密度化和制造性。
(隔离件)
隔离件可以从公知的隔离件中适当选择。作为隔离件,例如,可以使用仅由基材层组成的隔离件、在基材层的一面或两面形成含有耐热颗粒和粘合剂的耐热层的隔离件等。作为隔离件的基材层形态,可以举出例如织布、无纺布和多孔树脂膜等。这些形态中,从强度的观点出发,优选为多孔树脂膜,从非水电解质的保液性的观点出发,优选为无纺布。作为隔离件的基材层的材料,从阻断(shut down)功能的观点出发,例如优选聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃,从耐氧化分解性的观点出发,例如优选聚酰亚胺、芳族聚酰胺等。作为隔离件的基材层,还可以使用将这些树脂复合而成的材料。
耐热层中所含的耐热粒子,优选在1标准大气压的空气环境中从室温升温至500℃时质量减少为5%以下,进一步优选从室温升至800℃的温度时的质量减少为5%以下。作为质量减少在规定值以下的材料,可以举出无机化合物。作为无机化合物,可以举出例如氧化铁,氧化硅,氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化镁和铝硅酸盐等氧化物;氮化铝、氮化硅等氮化物;碳酸钙等碳酸盐;硫酸钡等硫酸盐;氟化钙、氟化钡、钛酸钡等难溶性离子晶体。硅、金刚石等共价晶体。滑石、蒙脱石、勃姆石、沸石、磷灰石、高岭土、莫来石、尖晶石、橄榄石、绢云母、膨润土、云母等来自矿物资源的物质或它们的人造物。作为无机化合物,可以将这些物质以单独或复合体的形式使用,也可以将其中的两种以上混合使用。这些无机化合物中,从蓄电元件安全性的观点出发,优选氧化硅、氧化铝或铝硅酸盐。
从强度的观点出发,隔离件的孔隙率优选为80体积%以下,从放电性能的观点出发,优选为20体积%以上。这里,“孔隙率”是体积基准值,是指使用水银孔隙率计测定的值。
作为隔离件,可以使用由聚合物和非水电解质构成的聚合物凝胶。作为聚合物,例如,可以举出聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯等。使用聚合物凝胶,可以起到抑制液体泄漏的效果。作为隔离件,可以将如上所述的多孔树脂膜或无纺布等与聚合物凝胶并用。
(非水电解质)
作为非水电解质可以从公知的非水电解质中适当选择。非水电解质中也可以使用非水电解液。非水电解液包含非水溶剂和溶解在该非水溶剂中的电解质盐。
作为非水溶剂,可以从公知的非水溶剂中适当选择。作为非水溶剂,可举出环状碳酸酯、链状碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、磺酸酯、醚、酰胺、腈等。作为非水溶剂,可以使用将这些化合物中所含的氢原子的一部分被卤素原子取代后的溶剂。
作为环状碳酸酯,可以举出碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、氯代碳酸乙烯酯、氟化碳酸亚乙酯(FEC)、二氟化碳酸亚乙酯(DFEC)、碳酸苯乙烯、1-苯基亚乙烯基碳酸酯、1,2-二苯基亚乙烯基碳酸酯等。其中优选为EC。
作为链状碳酸酯,可以举出碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二苯酯、碳酸三氟甲基乙基酯、碳酸二(三氟乙酯)等。其中,优选EMC。
作为非水溶剂,优选使用环状碳酸酯或链状碳酸酯,更优选将环状碳酸酯和链状碳酸酯并用。通过使用环状碳酸酯,能够促进电解质盐的解离,提高非水电解质的离子传导性。通过使用链状碳酸酯,可以控制非水电解质的粘度降低。当环状碳酸酯和链状碳酸酯并用时,环状碳酸酯与链状碳酸酯的体积比值(环状碳酸酯∶链状碳酸酯),例如,优选为5∶95~50∶50的范围。
作为电解质盐,可以从公知的电解质盐中适当地选择。作为电解质盐,可以举出锂盐、钠盐、钾盐、镁盐、盐等。其中,优选锂盐。
作为锂盐,可以举出LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2等无机锂盐;二(草酸)硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiFOB)、二氟双(草酸)磷酸盐(LiFOP)等草酸锂盐;LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等具有卤代烃基的锂盐等。其中,优选无机锂盐,更优选LiPF6。
非水电解液中的电解质盐的含量,在20℃且1标准大气压下,优选为0.1mol/dm3~2.5mol/dm3,更优选为0.3mol/dm3~2.0mol/dm3,进一步优选为0.5mol/dm3~1.7mol/dm3,特别优选为0.7mol/dm3~1.5mol/dm3。通过使电解质盐的含量在上述范围内,能够提高非水电解液的离子传导率。
非水电解液中,除了非水溶剂和电解质盐以外,还可以含有添加剂。作为添加剂,可以举出例如碳酸氟亚乙酯(FEC)、碳酸二氟亚乙酯(DFEC)等卤代碳酸酯;二(草酸)硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiFOB)、二氟双(草酸)磷酸盐(LiFOP)等草酸锂盐;双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)等酰亚胺盐;联苯、烷基联苯、三联苯、三联苯的部分氢化物、环己基苯、叔丁基苯、叔戊基苯、二苯醚、二苯并呋喃等芳香族化合物;2-氟联苯、邻环己基氟苯、对环己基氟苯等上述芳香族化合物的部分卤化物;2,4-二氟苯甲醚、2,5-二氟苯甲醚、2,6-二氟苯甲醚、3,5-二氟苯甲醚等卤代苯甲醚化合物;碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、乙基碳酸亚乙烯酯、琥珀酸酐、戊二酸酐、马来酸酐、柠康酸酐、戊烯二酸酐、衣康酸酐、环己烷二甲酸酐;亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯、甲磺酸甲酯、白消安、甲苯磺酸甲酯、硫酸二甲酯、硫酸乙烯酯、环丁砜、二甲基砜、二乙基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜、四亚甲基亚砜、二苯硫醚、4,4’-双(2,2-二氧代-1,3,2-二氧硫杂戊烷)、4-甲基磺酰氧基甲基-2,2-二氧代-1,3,2-二氧硫杂戊烷、硫代苯甲醚、二苯基二硫醚、二吡啶二硫醚、1,3-丙烯磺内酯、1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,4-丁烯磺内酯、全氟辛烷、硼酸三三甲基甲硅烷基酯、磷酸三三甲基甲硅烷基酯、钛酸四三甲基甲硅烷基酯、单氟磷酸锂、二氟磷酸锂等。这些添加剂可以单独使用一种,也可以将两种以上混合使用。
非水电解液所含的添加剂的含量相对于非水电解液整体的质量,优选为0.01质量%~10质量%,更优选为0.1质量%~7质量%,进一步优选为0.2质量%~5质量%,特别优选为0.3质量%~3质量%。通过使添加剂的含量为上述范围,能够使高温保存后的容量维持性能或循环性能提高,使安全性进一步提高。
非水电解质中可以使用固体电解质,也可以将非水电解液和固体电解质并用。
作为固体电解质,可以从锂、钠、钙等具有离子传导性且在室温(例如15℃~25℃)下为固体的任意材料中选择。作为固体电解质,可以举出例如硫化物固体电解质、氧化物固体电解质、氧氮化物固体电解质、聚合物固体电解质等。
作为硫化物固体电解质,在锂离子二次电池的情况下,可以举出例如Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2S5、Li10Ge-P2S12等。
本实施方式的非水电解质蓄电元件的形状没有特别限定,可以举出例如圆筒型电池、方型电池、扁平型电池、硬币型电池、纽扣型电池等。
图2表示作为方型电池的一个例子的非水电解质蓄电元件1。应予说明,该图也是透视容器内部的图。将具有夹着隔离件卷绕的正极和负极的电极体2收纳于方型容器3中。正极经由正极导线41与正极端子4电连接。负极经由负极导线51与负极端子5电连接。
<蓄电单元和蓄电装置的构成>
本实施方式涉及的蓄电单元是将多个本实施方式的非水电解质蓄电元件以串联的方式连接而成的。根据该蓄电单元,可以得到在抑制充电末期的电压的急剧上升的同时抑制多个非水电解质蓄电元件的电压偏差的产生的蓄电单元。本实施方式的蓄电单元可以搭载在电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)等汽车用电源;个人计算机、通信终端等电子设备用电源;或者蓄电用电源等。这种情况下,本发明的技术适用于蓄电单元所含的至少两个非水电解质蓄电元件即可。蓄电单元优选将4个非水电解质蓄电元件以串联的方式连接而成。
本实施方式涉及的蓄电装置是将多个本实施方式的蓄电单元连接而成的。根据该蓄电装置,可以得到在抑制充电末期的电压的急剧上升的同时抑制多个非水电解质蓄电元件和蓄电单元的电压偏差的产生的蓄电装置。这种情况下,本发明的技术适用于蓄电装置所含的至少两个蓄电单元即可。图3表示将电连接的两个以上的非水电解质蓄电元件1集合而成的蓄电单元20进一步集合成蓄电装置30的一个例子。蓄电装置30可以具备将两个以上的非水电解质蓄电元件1电连接的汇流排(未图示)、将两个以上的蓄电单元20电连接的汇流排(未图示)等。蓄电单元20或蓄电装置30还可以对具备一个以上的非水电解质蓄电元件的状态进行监控的状态监控装置(未图示)。
<非水电解质蓄电元件的制造方法>
本实施方式的非水电解质蓄电元件的制造方法可以从公知的方法中适当选择。该制造方法包括例如准备电极体、准备非水电解质、将电极体和非水电解质收纳至容器中。准备电极体包括准备正极和负极、通过经由隔离件将正极和负极层叠或卷绕从而形成电极体。
将非水电解质收纳至容器的方法可以从公知的方法中适当选择。例如,在非水电解质中使用非水电解液的情况下,由形成在容器中的注入口注入非水电解液,然后将注入口密封即可。
<其他实施方式>
应予说明,本发明的非水电解质蓄电元件用正极活性物质、非水电解质蓄电元件用正极、非水电解质蓄电元件、蓄电单元以及蓄电装置不限于上述实施方式,在不脱离本发明的要旨的范围内可以进行各种变更。例如,可以在一个实施方式的构成中追加其他实施方式的构成,另外,可以将一个实施方式的构成的一部分替换为其他的实施方式的构成或者公知技术。进而,可以删除一个实施方式的构成的一部分。另外,可以在一个实施方式的构成中附加公知技术。
上述实施方式中,对非水电解质蓄电元件用于可充放电的非水电解质二次电池(例如锂离子二次电池)的情况进行说明,但非水电解质蓄电元件的种类、形状、大小、容量等是任意的。本发明也可适用于各种二次电池、双电层容量器或锂离子容量器等的容量器。
上述实施方式中,对将正极和负极经由隔离件层叠而成的电极体进行了说明,但电极体也可以不包括隔离件。例如,在正极或负极的活性物质层上形成无导电性的层的状态下,直接连接正极和负极。
实施例
以下,通过实施例对本发明进行进一步的具体说明,。本发明不限于以下实施例。
在以下的实施例、比较例中,作为非水电解质二次电池,制作非水电解质蓄电元件,并对其充放电循环后的低SOC下的输出性能进行评价。
[实施例1]
(正极活性物质的制作)
<LiFePO4的制作>
首先,以固定速度向装有离子交换水的反应容器中滴加1mol/dm3的FeSO4水溶液,同时滴加4mol/dm3的NaOH水溶液、0.5mol/dm3的NH3水溶液和0.5mol/dm3的NH2NH2水溶液的混合溶液,使其间的pH保持定值10.0±0.1,制作Fe(OH)2前体。接着,从反应容器中取出制作的Fe(OH)2前体,并与LiH2PO4和蔗糖粉末固相混合。然后,在氮气气氛中,在烧结温度650℃下烧结5小时,由此制作涂覆有碳的具有聚阴离子结构的LiFePO4(LFP)。
<锂过渡金属复合氧化物的制作>
首先,以固定速度向装有离子交换水的反应容器中滴加由1mol/dm3的NiSO4、CoSO4、MnSO4构成的混合物的水溶液(Ni/Co/Mn的摩尔比为34/20/46,SO4离子的浓度为1mol/dm3、由NiSO4、CoSO4和MnSO4构成的混合物的水溶液),同时滴加4mol/dm3的NaOH水溶液、0.5mol/dm3的NH3水溶液和0.5mol/dm3的NH2NH2水溶液的混合溶液,使其间的pH保持定值11.0±0.1,制作Ni、Co和Mn分散在一个粒子中的氢氧化物前体。接着,从反应容器中取出该前体,并与LiOH·H2O固相混合,使Li/Me比以摩尔比计为1.2。然后,在大气中,在烧结温度900℃下烧结,由此制作实施例1的锂过渡金属复合氧化物Li1.09(Ni0.34Co0.20Mn0.46)0.91O2。
使用X射线衍射装置(Rigaku社制,型号:MiniFlexII)对上述锂过渡金属复合氧化物进行粉末X射线衍射测定,确认了具有α-NaFeO2型晶体结构。
(正极的作制)
使用将上述具有聚阴离子结构的LiFePO4和锂过渡金属复合氧化物Li1.09Ni0.31Co0.18Mn0.42O2以9:1的质量比进行混合得到的物质作为正极活性物质,使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为分散介质,使用乙炔黑作为导电剂,使用PVDF作为粘合剂。将上述正极活性物质、导电剂、粘合剂和分散介质混合。此时,混合成为混合活性物质:导电剂:粘合剂的固体成分质量比率为90:5:5。将分散介质适量地添加到这些的混合物中,调整粘度,制作正极活性物质合剂浆料。接着,将上述正极活性物质合剂浆料涂布在正极基材的铝箔的两面的余下的未涂布部(非正极活性物质层形成部),在120℃下干燥并辊压,由此在正极基材上形成正极活性物质层。将正极活性物质合剂浆料的涂布量设为以固体成分计10mg/cm2。如此制作实施例1的正极。
(负极的作制)
使用石墨作为负极活性物质、SBR作为粘合剂、CMC作为增稠剂。将负极活性物质、粘合剂、增稠剂和作为分散介质的水进行混合。此时,混合成为活性物质:粘合剂:增稠剂的固体成分质量比率为97:2:1的质量比。将水适量地添加到这些的混合物中,调整粘度,制作负极合剂浆料。将该负极合剂浆料涂布在负极基材的铜箔的两面的余下的未涂覆部(非负极活性物质层形成部),干燥并辊压,由此在负极基材上制作负极活性物质层。如此制作负极。
(非水电解质的调制)
使LiPF6以1mol/dm3的浓度溶解在EC与EMC以体积比3:7的比例混合得到的混合溶剂中,制备非水电解质。
(非水电解质二次电池的作制)
隔着由聚乙烯制的微多孔膜基材和形成在上述聚乙烯制的微多孔膜基材上的耐热层所构成的隔离件,层叠上述正极和负极,制作电极体。应予说明,将上述耐热层设在与正极对置的面上。将该电极体收纳在铝制的方形容器中,安装正极端子和负极端子。将上述的非水电解质注入该方型容器内部,然后封口,制作实施例1的非水电解质二次电池。
(“3.5V~3.7V的容量”的测定)
对上述制作的非水电解质二次电池在3.5V~3.7V的电压范围内表现出的电池容量(记为“3.5V~3.7V”的容量)按以下的方法进行测定。
在25℃环境下,以0.1C的充电电流进行恒流充电至电池电压达到3.7V为止,然后在持续维持3.7V的状态下进行恒压充电至电流达到0.05C为止。在该充电中,将从3.5V到3.7V的电压范围中得到的充电容量作为“3.5V~3.7V”的容量。
(“循环后25℃低SOC输出”的测定)
对上述制作的非水电解质二次电池在充放电循环后的低SOC下的输出性能(记为“循环后25℃低SOC输出”)按以下方法进行测定。
在60℃环境下,以1.0C的充电电流进行恒流充电至3.7V为止,然后以3.7V进行恒压充电。将充电电流达到0.05C为止作为充电的结束条件。在充电后设置10分钟的休止期间,之后以1.0C的放电电流进行恒流放电至电池电压为2.0V为止,设置10分钟的休止期间。将此作为1个循环,实施100个循环的充放电试验。然后,移至25℃环境中,从放电状态起以0.1C的充电电流进行恒流充电至SOC25%。然后,在25℃环境下以0.1C的放电电流进行10秒放电,设置10分钟的休止期间,之后以0.1C的充电电流进行10秒补充充电。同样地,在0.3C、0.5C的电流下进行放电和补充充电,由各放电电流的放电开始10秒后的电池电压来计算输出,作为“循环后25℃低SOC输出”。
[实施例2、实施例3和比较例5]
在制作氢氧化物前体的工序中,将混合物的水溶液的Ni/Co/Mn的摩尔比变更为35/7/58,将该氢氧化物前体与LiOH·H2O固相混合,使Li/Me比以摩尔比计为1.5,除此以外,与实施例1同样地制作实施例2的锂过渡金属复合氧化物Li1.20(Ni0.35Co0.07Mn0.58)0.80O2。
在制作氢氧化物前体的工序中,将混合物的水溶液的Ni/Co/Mn的摩尔比变更为45/15/40,将该氢氧化物前体与LiOH·H2O固相混合,使Li/Me比以摩尔比计约为1.3,除此以外,与实施例1同样地制作实施例3的锂过渡金属复合氧化物Li1.12(Ni0.45Co0.15Mn0.40)0.88O2。
在制作氢氧化物前体的工序中,将混合物的水溶液的Ni/Co/Mn的摩尔比变更为35/5/65,将该氢氧化物前体与LiOH·H2O固相混合,使Li/Me比以摩尔比计为1.7,除此之外,与实施例1同样地制作比较例5的锂过渡金属复合氧化物Li1.25(Ni0.30Co0.05Mn0.65)0.75O2。
对上述的锂过渡金属复合氧化物,与实施例1的情况同样地确认了具有α-NaFeO2型晶体结构。
作为与LiFePO4混合的锂过渡金属复合氧化物,使用如上制作的Li1.20(Ni0.35Co0.07Mn0.58)0.80O2、Li1.12(Ni0.45Co0.15Mn0.40)0.88O2、Li1.25(Ni0.30Co0.05Mn0.65)0.75O2,除此以外,与实施例1同样地制作实施例2、实施例3、比较例5的正极,并制作具备该正极的非水电解质二次电池。
[比较例1~比较例4]
使用与LiFePO4混合的锂过渡金属复合氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811),除此以外,与实施例1同样地制作比较例1~比较例4的正极,并制作具备该正极的非水电解质二次电池。
对于实施例1~实施例3、比较例1~比较例5的非水电解质二次电池,将按照上述方法求出的“3.5V~3.7V的容量”和“循环后25℃低SOC输出”的结果与正极活性物质的组成一并示于表1。
[表1]
根据表1可知,实施例1~3的非水电解质二次电池使用了包含具有聚阴离子结构的锂过渡金属化合物(LiFePO4)、和以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,0.4≤Mn/Me≤0.6)表示的锂过渡金属复合氧化物的正极活性物质,其表现出“3.5V~3.7V的容量”,并且“周期后25℃低SOC输出”较大。
与此相对,使用了包含LiFePO4和NCM的正极活性物质的比较例1~4的非水电解质二次电池,其“3.5V~3.7V的容量”虽然大,但“周期后25℃低SOC输出”较小。
另一方面,比较例5的非水电解质二次电池使用了在LiFePO4中混合了以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素)表示且Mn与过渡金属(Me)的摩尔比超过0.6的锂过渡金属复合氧化物得到的正极活性物质,其“3.5V~3.7V的容量”变小,使用LiFePO4作为正极活性物质所得的抑制电压急剧上升的效果也小,另外,“周期后25℃低SOC输出”也没有充分增大。
因此,从本实施例来看,可以说通过使用包含具有聚阴离子结构、且以通式LiMPO4(M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素)或Li3V2(PO4)3表示的锂过渡金属化合物,以及具有α-NaFeO2型晶体结构、且以通式Li1+αMe1-αO2(0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,0.4≤Mn/Me≤0.6)表示的锂过渡金属复合氧化物的正极活性物质,得到了充放电循环后的低SOC下的输出性能高的非水电解质蓄电元件。
工业上的可利用性
通过使用本发明的一个方面涉及的正极活性物质,能够提供充放电循环后的低SOC下的输出性能高的非水电解质蓄电元件,因此,该非水电解质蓄电元件作为混合动力汽车用、插电式混合动力汽车用、电动汽车用的非水电解质蓄电元件是有用的。
附图说明
1 非水电解质蓄电元件
2 电极体
3 容器
4 正极端子
41 正极导线
5 负极端子
51 负极导线
20 蓄电单元
30 蓄电装置
Claims (11)
1.一种非水电解质蓄电元件用正极活性物质,包含:锂过渡金属化合物以及锂过渡金属复合氧化物,所述锂过渡金属化合物具有聚阴离子结构且以通式LiMPO4或Li3V2(PO4)3表示,所述锂过渡金属复合氧化物具有α-NaFeO2型晶体结构且以通式Li1+αMe1-αO2表示,其中,M为选自Fe、Mn、Ni和Co中的一种以上的元素,0<α,Me为Ni和Mn、或者含有Ni、Mn和Co的过渡金属元素,
并且,所述锂过渡金属复合氧化物中,Mn相对于过渡金属Me的摩尔比为0.4≤Mn/Me≤0.6。
2.根据权利要求1所述的非水电解质蓄电元件用正极活性物质,其中,以所述锂过渡金属化合物为正极活性物质的正极,当进行充电至正极电位为3.7V(vs.Li/Li+)时,在3.2V(vs.Li/Li+)以上且小于3.4V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,将观察到相对于充电电量的电位变化比较平坦的区域。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质蓄电元件用正极活性物质,其中,所述锂过渡金属复合氧化物中,Li相对于过渡金属Me的摩尔比(1+α)/(1-α)为1.1≤(1+α)/(1-α)。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的非水电解质蓄电元件用正极活性物质,其中,所述锂过渡金属复合氧化物中,Li相对于过渡金属Me的摩尔比(1+α)/(1-α)为(1+α)/(1-α)≤1.3。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的非水电解质蓄电元件用正极活性物质,其中,所述正极活性物质中的所述锂过渡金属复合氧化物的比例为20质量%以下。
6.一种非水电解质蓄电元件用正极,含有权利要求1~5中任一项所述的正极活性物质。
7.一种非水电解质蓄电元件,具备权利要求6所述的正极。
8.根据权利要求7所述的非水电解质蓄电元件,其中,所述正极在进行充电至正极电位为3.7V(vs.Li/Li+)时,在3.2V(vs.Li/Li+)~3.7V(vs.Li/Li+)的正极电位范围内,将观察到相对于充电电量的电位变化比较平坦的区域。
9.根据权利要求8所述的非水电解质蓄电元件,是在满充电状态即SOC100%下的正极的最大到达电位为3.7V(vs.Li/Li+)以下的电压下使用。
10.一种蓄电单元,是将多个权利要求7~9中任一项所述的非水电解质蓄电元件以串联的方式连接而成的。
11.一种蓄电装置,是将多个权利要求10所述的蓄电单元连接而成的。
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