JP6092073B2 - 電池用活物質、非水電解質電池、電池パック及び自動車 - Google Patents
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Description
実施形態によれば、上記電池パックを搭載した自動車が提供される。
第1実施形態によれば、一般式LixM1M22O6(0≦x≦5)で表される斜方晶系酸化物を含むことを特徴とする電池用活物質が提供される。ここで、M1はFeおよびMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、M2はNb、TaおよびVからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
本実施形態に係る電池用活物質に含まれる斜方晶系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。
本実施形態に係る電池用活物質は、例えば以下の方法により製造することができる。
まず、FeおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種、すなわちM1を含む酸化物または塩と、Nb、TaおよびVからなる群より選択される少なくとも1種、すなわちM2を含む酸化物または塩とを、M1M22O6で表される斜方晶系酸化物となるようなモル比で混合する。上記の塩は、炭酸塩および硝酸塩のような、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。
焼成は、800〜1500℃の温度範囲で、延べ1〜100時間行う。
活物質中の斜方晶系酸化物の結晶状態は、例えば粉末X回折法(XRD)を用いて観察することができる。
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。この際、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X線チャートのメインピークの半値幅が変化しないことを確認する。
或いは、対象試料の中から平均粒子径が5μm程度以下の粒子をふるい等を用いて粒度選定する。
次いで、外部から別のガラス板を押し付けて、ホルダー部分に充填された試料の表面を平らにする。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。
まず、活物質の結晶状態を把握するために、斜方晶系酸化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、該活物質が負極中で用いられている場合、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もある。
第2実施形態によれば、負極と、正極と、非水電解質とを具備することを特徴とする非水電解質電池が提供される。上記第1実施形態における電池用活物質は、負極活物質として、正極活物質として、又は負極活物質及び正極活物質の両方として使用される。
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とを含む。
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とを含む。
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。
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。
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。
容器は、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。
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容器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、容器12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、容器12の辺から外部に引き出されている。
第3実施形態に係る電池パックは、上記第2実施形態に係る非水電解質電池(単電池)を備える。
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、合成した斜方晶型複合酸化物の結晶相の同定およ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。
(合成)
出発原料として、市販の酸化物試薬FeOとNb2O5とを用いた。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、窒素気流中、900℃で延べ10時間焼成した。焼成した粉末にジルコニアビーズをメディアとしたボールミル処理を施した。それにより、平均粒径1.8μm、BET比表面積12m2/gの試料を得た。
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。取得した回折パターンをJCPDSカードを用いて確認したところ、得られた試料がJCPDSカード34−0426の斜方晶系酸化物FeNb2O6であることが確認された。
上記で合成した斜方晶型複合酸化物に、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重量部の割合で混合して、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3a上に塗布した。これを真空下、130℃で12時間乾燥し、負極3を得た。
出発原料として、市販のFeOとV2O5を用いる以外は実施例1と同様にして斜方晶系酸化物FeV2O6を得た。得られた試料の平均粒径は1.9μm、BET比表面積は12m2/gであった。この試料を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
出発原料として、市販のFeO、MnO2とNb2O5を用いる以外は実施例1と同様にして、斜方晶型複合酸化物Fe0.5Mn0.5Nb2O6を得た。得られた試料の平均粒径は1.6μm、BET比表面積は14m2/gであった。この試料を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
出発原料として、市販のMnO2とNb2O5を用いる以外は実施例1と同様にして、斜方晶系酸化物MnNb2O6を得た。得られた試料の平均粒径は2.0μm、BET比表面積は12m2/gであった。この試料を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
出発原料として、市販のMnO2とTa2O5を用いる以外は実施例1と同様にして、斜方晶系酸化物MnTa2O6を得た。得られた試料の平均粒径は2.4μm、BET比表面積は10m2/gであった。この試料を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
出発原料として市販のTiO2とLi2CO3を用い、これらの粉末をモル比で5:2になるように秤量し、乳鉢で混合した。次に、電気炉に入れ、大気中、850℃で延べ24時間焼成した。焼成した粉末にジルコニアビーズをメディアとしたボールミル処理を施し、平均粒径1.1um、BET比表面積12m2/gの立方晶系酸化物Li4Ti5O12を得た。この試料を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
平均粒径0.3μm、BET比表面積10m2/gの市販の立方晶系酸化物Fe3O4を用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
平均粒径0.3μm、BET比表面積10m2/gの市販の立方晶系酸化物FeOを用いて、実施例1と同様にして、負極を作製した。
実施例1〜5、および比較例1〜3のそれぞれにおいて作製した負極と、対極としての金属リチウム箔と、非水電解質とを用いて、電気化学測定セルを作製した。非水電解質としては、エチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの混合溶媒(体積比1:2)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。
各実施例および比較例についての初回放電(Li放出)容量、および容量維持率を表1に示す。容量維持率は、1サイクル目の放電容量に対する30サイクル目の放電容量の比(%)とした。
実施例6−1では、実施例1で得た斜方晶型酸化物FeNb2O6と単斜晶型Nb2TiO7とを10:1の割合で混合して得た混合物を用いて、実施例1と同様にして負極を作製した。
実施例1で得た斜方晶型酸化物FeNb2O6と単斜晶型Nb2TiO7との混合比を、それぞれ、1:1及び1:10の割合とした以外は実施例6−1と同様にして負極を作製した。
単斜晶型Nb2TiO7の代わりに比較例1で記載したスピネル型Li4Ti5O12を用いた以外は実施例6−1〜6−3のそれぞれと同様にして負極を作製した。
実施例6−1〜6−3及び実施例7−1〜7−3のそれぞれにおいて作製した負極に対して、実施例1〜5、および比較例1〜3のそれぞれにおいて作製した負極と同様に電気化学的測定を行った。その結果を以下の表2に示す。
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]一般式Li x M1M2 2 O 6 (0≦x≦5)で表される斜方晶系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FeおよびMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記M2はNb、TaおよびVからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
[2]前記斜方晶系酸化物は、一般式Li x FeNb 2 O 6 またはLi x FeV 2 O 6 で表されることを特徴とする[1]記載の電池用活物質。
[3]正極と、[1]または[2]記載の負極活物質を含む負極と、非水電解質と、を具備することを特徴とする非水電解質電池。
[4]前記負極には、さらに単斜晶系酸化物を有するニオブチタン複合酸化物が混合されていることを特徴とする[3]記載の非水電解質電池。
[5]前記ニオブチタン複合酸化物は、Li x Nb 2 TiO 7 、Li x Nb 10 Ti 2 O 29 、Li x Nb 14 TiO 37 、およびLi x Nb 24 TiO 62 からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[4]記載の非水電解質電池。
[6][3]ないし[5]のいずれかに記載の非水電解質電池を備えることを特徴とする電池パック。
[7]複数個の前記非水電解質電池を備えることを特徴とする[6]記載の電池パック。
[8]前記複数個の非水電解質電池が、直列、並列またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されていることを特徴とする[7]記載の電池パック。
[9]前記非水電解質電池の電圧を検知することが可能な保護回路をさらに備えていることを特徴とする[6]ないし[8]のいずれかに記載の電池パック。
Claims (10)
- 一般式LixM1M22O6(0≦x≦5)で表される斜方晶系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FeおよびMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記M2はNbおよびTaからなる群より選ばれる少なくとも1種である。 - 前記斜方晶系酸化物は、一般式LixFeNb2O 6 で表されることを特徴とする請求項1記載の電池用活物質。
- 正極と、
請求項1または2記載の負極活物質を含む負極と、
非水電解質と、
を具備することを特徴とする非水電解質電池。 - 前記負極には、さらに単斜晶系酸化物を有するニオブチタン複合酸化物が混合されていることを特徴とする請求項3記載の非水電解質電池。
- 前記ニオブチタン複合酸化物は、LixNb2TiO7、LixNb10Ti2O29、LixNb14TiO37、およびLixNb24TiO62からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項4記載の非水電解質電池。
- 請求項3ないし5のいずれか1項記載の非水電解質電池を備えることを特徴とする電池パック。
- 複数個の前記非水電解質電池を備えることを特徴とする請求項6記載の電池パック。
- 前記複数個の非水電解質電池が、直列、並列またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項7記載の電池パック。
- 前記非水電解質電池の電圧を検知することが可能な保護回路をさらに備えていることを特徴とする請求項6ないし8のいずれか1項記載の電池パック。
- 請求項6〜9の何れか1項に記載の電池パックを搭載した自動車。
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