JP2011519139A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年2月24日に出願された米国特許仮出願第61/208,443号および2008年4月24日に出願された米国特許仮出願第61/125,285の恩典を主張する。上記出願の全教示は、参照により本明細書に援用される。
リチウムイオン充電式電池などの充電式電池は、携帯電話、携帯用コンピューター、カムコーダー、デジタルカメラ、PDA等の電池電源携帯用電子デバイスの電源として広く使用されている。かかる携帯用電子デバイス用の典型的なリチウムイオン電池パックには並列および直列に配置された複数のセルが使用されている。例えば、リチウムイオン電池パックは、それぞれのブロックが並列に接続された1つ以上のセルを含む、直列に接続されたいくつかのブロックを含み得る。典型的に、それぞれのブロックは、ブロックの電圧レベルをモニターする電子制御装置を有する。理想的な配置では、電池パックに含まれるそれぞれのセルは同一である。しかしながら、セルが古くなりサイクル数が多くなった場合、セルは最初の理想的な状態から外れるようになり、均衡の取れていないセルパック(例えば、同一でない容量、インピーダンス、放電および充電速度)が生じる。セル間のこの不均衡は、充電式電池の通常の作動時に過充電または過放電を引き起こし、爆発などの安全性の問題(すなわち、急激なガスの放出および発火の可能性)を課すことがある。
本発明は、一般的に、(1)コバルト酸リチウムおよびスピネル型マンガン酸リチウムの混合物を含む正極活物質、(2)かかる正極活物質を有するリチウムイオン電池、(3)かかるリチウムイオン電池を作製する方法、(4)1つ以上のセルを含む電池パック、各セルがかかる正極活物質を含む、ならびに(5)かかる電池パックまたはリチウムイオン電池を含むシステムおよび携帯電子デバイスに関する。
前述および他の主体、本発明の特徴および利点は、同様の参照記号が異なる図面を通して同じ部分を参照する添付の図面に示す以下の本発明の好ましい態様のより具体的な記載から明らかとなろう。図面は必ずしも共通の尺度ではなく、本発明の原理の例示を強調する。
WO 2006/071972;WO 2007/011661;WO 2007/149102;WO 2008/002486;WO 2008/002487;2005年9月16日に出願された米国特許仮出願第60/717,898号;2007年6月22日に出願された米国特許仮出願第60/936,825号;代理人整理番号3853.1018-000で本出願と同日に出願された表題「安全性が向上した電池」の米国特許仮出願;および代理人整理番号3853.1022-000で本出願と同日に出願された表題「可撓性凹部を有する柱状蓄電池またはセル」の米国特許仮出願はすべて参照によりその全体が本明細書に援用される。
本発明は、その好ましい態様に関して具体的に示され説明されるが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく、形態および詳細において種々の変更が本明細書中になされ得ることが当業者には理解されよう。
Claims (82)
- 正極活物質を含む正極を有するリチウムイオン電池であって、該正極活物質が、コバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムを含む正極混合物を含み、該コバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムは、コバルト酸リチウム:マンガン酸リチウム約0.95:0.05〜約0.55:0.45の重量比であり、該マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比は約1:0.35〜約1:1.4の範囲である、リチウムイオン電池。
- 正極物質が、実験式
Lix6M'y6Co(1-z6)M''z6O2(式中:
x6は、0より大きく、1.2未満である;
y6は、0より大きく、0.1未満である;
z6は、0以上0.5未満である;
M'は、マグネシウム(Mg)およびナトリウム(Na)の少なくとも1種類である、ならびに
M''は、マンガン、アルミニウム、ホウ素、チタン、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウムからなる群の少なくとも1種類である)
で表されるコバルト酸リチウムを含む、請求項1記載のリチウムイオン電池。 - M'とM''の少なくとも一方がマグネシウムである、請求項2記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項2記載のリチウムイオン電池。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項4記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項2記載のリチウムイオン電池。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項6記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムがLi(1+x8)CoOz8(式中、x8は0以上0.2以下であり、z8は1.9以上2.1以下である)である、請求項1記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項8記載のリチウムイオン電池。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項9記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸(cobalate)リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項9記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項9記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項8記載のリチウムイオン電池。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項13記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項13記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項13記載のリチウムイオン電池。
- リチウムイオン電池が約3.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項1記載のリチウムイオン電池。
- リチウムイオン電池が約4.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項17記載のリチウムイオン電池。
- 電池が柱状断面形状を有する、請求項1記載のリチウムイオン電池。
- 電池が長円形断面形状を有する、請求項19記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.4〜約1:1.2の範囲である、請求項1記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:1.0の範囲である、請求項21記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムの平均粒径がマンガン酸リチウムの平均粒径より大きい、請求項1記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:0.9の範囲である、請求項23記載のリチウムイオン電池。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.6〜約1:0.9の範囲である、請求項24記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.95:0.05〜約0.65:0.35の重量比である、請求項1〜25いずれか記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.95:0.05〜約0.7:0.3の重量比である、請求項26記載のリチウムイオン電池。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.85:0.15〜約0.75:0.25の重量比である、請求項27記載のリチウムイオン電池。
- a) コバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムを含む正極混合物を含む正極活物質を含む正極混合物を含む正極活物質を形成する工程、該コバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムは、コバルト酸リチウム:マンガン酸リチウム約0.95:0.05〜約0.55:0.45の重量比であり、該マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比は約1:0.35〜約1:1.4の範囲である;
b) 該正極活物質を用いて正極電極を形成する工程;および
c) 電解液によって該正極電極と電気的に接触している負極電極を形成し、それによりリチウムイオン電池を形成する工程
を含む、リチウムイオン電池の形成方法。 - 正極物質が、実験式
Lix6M'y6Co(1-z6)M''z6O2(式中:
x6は、0より大きく、1.2未満である;
y6は、0より大きく、0.1未満である;
z6は、0以上0.5未満である;
M'は、マグネシウム(Mg)およびナトリウム(Na)の少なくとも1種類である、ならびに
M''は、マンガン、アルミニウム、ホウ素、チタン、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウムからなる群の少なくとも1種類である)
で表されるコバルト酸リチウムを含む、請求項29記載の方法。 - M'とM''の少なくとも一方がマグネシウムである、請求項30記載の方法。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項30記載の方法。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項32記載の方法。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項30記載の方法。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項34記載の方法。
- コバルト酸リチウムがLi(1+x8)CoOz8(式中、x8は0以上0.2以下であり、z8は1.9以上2.1以下である)である、請求項29記載の方法。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項36記載の方法。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項37記載の方法。
- コバルト酸リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項37記載の方法。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項37記載の方法。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項36記載の方法。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項41記載の方法。
- コバルト酸リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項41記載の方法。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項41記載の方法。
- リチウムイオン電池が約3.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項29記載の方法。
- リチウムイオン電池が約4.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項45記載の方法。
- 電池が柱状断面形状を有する、請求項29記載の方法。
- 電池が長円形断面形状を有する、請求項47記載の方法。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.4〜約1:1.2の範囲である、請求項29記載の方法。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:1.0の範囲である、請求項49記載の方法。
- コバルト酸リチウムの平均粒径がマンガン酸リチウムの平均粒径より大きい、請求項29記載の方法。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:0.9の範囲である、請求項51記載の方法。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.6〜約1:0.9の範囲である、請求項52記載の方法。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.95:0.05〜約0.7:0.3の重量比である、請求項29〜53いずれか記載の方法。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.85:0.15〜約0.75:0.25の重量比である、請求項54記載の方法。
- 複数のセルを含む電池パックであって、各セルは、コバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムを含む正極混合物を含む正極活物質を含み、該コバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムは、コバルト酸リチウム:マンガン酸リチウム約0.95:0.05〜約0.55:0.45の重量比であり、該マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比は約1:0.35〜約1:1.4の範囲である、電池パック。
- 正極物質が、実験式
Lix6M'y6Co(1-z6)M''z6O2(式中:
x6は、0より大きく、1.2未満である;
y6は、0より大きく、0.1未満である;
z6は、0以上0.5未満である;
M'は、マグネシウム(Mg)およびナトリウム(Na)の少なくとも1種類である、ならびに
M''は、マンガン、アルミニウム、ホウ素、チタン、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウムからなる群の少なくとも1種類である)
で表されるコバルト酸リチウムを含む、請求項56記載の電池パック。 - M'とM''の少なくとも一方がマグネシウムである、請求項57記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項57記載の電池パック。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項59記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項57記載の電池パック。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項61記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムがLi(1+x8)CoOz8(式中、x8は0以上0.2以下であり、z8は1.9以上2.1以下である)である、請求項56記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムが、実験式
Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1(式中:
x1およびx2は各々、独立して、0.01以上0.3以下である;
y1およびy2は各々、独立して、0.0以上0.3以下である;
z1は3.9以上4.1以下である;ならびに
A'は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも1種類である)
で表される、請求項63記載の電池パック。 - マンガン酸リチウムがLi1.1Mn1.96Mg0.03O4である、請求項64記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項64記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項64記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムが、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1(式中:
x1は0以上0.3以下である;および
z1は3.9以上4.2以下である)
で表される、請求項63記載の電池パック。 - x1が0.01以上0.3以下である、請求項68記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムが、ZrO2またはAl2(PO4)3でコーティングされたLiCoO2である、請求項68記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムがLiCoO2である、請求項68記載の電池パック。
- 各セルが約3.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項56記載の電池パック。
- 各セルが約4.0Ah/セルより大きい容量を有する、請求項72記載の電池パック。
- 各セルが柱状断面形状を有する、請求項56記載の電池パック。
- 各セルが長円形断面形状を有する、請求項74記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.4〜約1:1.2の範囲である、請求項56記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:1.0の範囲である、請求項76記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムの平均粒径がマンガン酸リチウムの平均粒径より大きい、請求項56記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.5〜約1:0.9の範囲である、請求項78記載の電池パック。
- マンガン酸リチウムの平均粒径に対するコバルト酸リチウムの平均粒径の比が、約1:0.6〜約1:0.9の範囲である、請求項79記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.95:0.05〜約0.7:0.3の重量比である、請求項56〜80いずれか記載の電池パック。
- コバルト酸リチウムとマンガン酸スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸スピネル約0.85:0.15〜約0.75:0.25の重量比である、請求項81記載の電池パック。
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