JP2014067731A - Nonaqueous electrolyte battery, and battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態は、電池用活物質、非水電解質電池および電池パックに関する。 The present embodiment relates to a battery active material, a non-aqueous electrolyte battery, and a battery pack.
近年、単斜晶系β型構造を有するチタン酸化物(TiO2(B)と表記する)は非水電解質電池用活物質として注目されている(特許文献1〜3参照)。従来、実用されているスピネル型チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)は、単位化学式あたりの挿入・脱離可能なリチウムイオンの数が3つである。このため、チタンイオン1つあたりに挿入・脱離可能なリチウムイオンの数は、3/5で、0.6が理論上の最大であった。これに対して、TiO2(B)はチタンイオン1つあたりの挿入・脱離可能なリチウムイオンの数は、最大で1.0となる。このため、理論容量が約335mAh/gと高い特性を有する。 In recent years, titanium oxide having a monoclinic β-type structure (referred to as TiO 2 (B)) has attracted attention as an active material for nonaqueous electrolyte batteries (see Patent Documents 1 to 3). Conventionally, spinel-type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) that has been practically used has three lithium ions that can be inserted and removed per unit chemical formula. For this reason, the number of lithium ions that can be inserted / removed per titanium ion was 3/5, and 0.6 was the theoretical maximum. On the other hand, in TiO 2 (B), the maximum number of lithium ions that can be inserted / removed per titanium ion is 1.0. Therefore, the theoretical capacity is as high as about 335 mAh / g.
しかしながら、TiO2(B)の実用的な電極容量は特許文献1または特許文献2に開示されているように170〜200mAh/g程度であり、理論容量に比べて著しく低い。これは、TiO2(B)の結晶構造中にLiホストとなり得るサイトが多数あるにも拘わらず、固体中のLiイオンの拡散性が低いため、実効的な可動Liイオンが少ないことに起因すると考えられる。
However, the practical electrode capacity of TiO 2 (B) is about 170 to 200 mAh / g as disclosed in Patent Document 1 or
本実施形態は、リチウムイオンの伝導性を高めたTiO2(B)を含む電池用活物質、この活物質を負極活物質として含み、高容量、優れた大電流特性を有する非水電解質電池、およびこの非水電解質電池を複数備えた電池パックを提供することを目的とする。 The present embodiment includes a battery active material containing TiO 2 (B) with enhanced lithium ion conductivity, a non-aqueous electrolyte battery containing this active material as a negative electrode active material, and having high capacity and excellent large current characteristics, And it aims at providing the battery pack provided with two or more of this nonaqueous electrolyte battery.
本実施形態の第1側面によると、チタン酸化物またはチタン複合酸化物を含む非水電解質電池用活物質であって、
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下であり、
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、前記広角X線回折法で得られる前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である非水電解質電池用活物質が提供される。
According to the first aspect of the present embodiment, an active material for a non-aqueous electrolyte battery containing titanium oxide or a titanium composite oxide,
The titanium oxide or titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the monoclinic β-type titanium composite by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. When the integrated intensity of the main peak of the oxide is 100, the main appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° belonging to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 The relative value of the integrated intensity of the peak is 30 or less,
The titanium oxide or titanium composite oxide is a nonaqueous electrolyte battery having a crystallite diameter of 5 nm or more calculated from a main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide-angle X-ray diffraction method An active material is provided.
本実施形態の第2側面によると、外装材;前記外装材内に収納された正極;
前記外装材内に前記正極と空間的に離間して収納され、チタン酸化物またはチタン複合酸化物を含有する活物質を含む負極;および前記外装材内に収容された非水電解質;を具備し、前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下であり、前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、前記広角X線回折法で得られる前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である非水電解質電池が提供される。
According to the second aspect of the present embodiment, an exterior material; a positive electrode housed in the exterior material;
A negative electrode containing an active material that is spatially separated from the positive electrode and contains titanium oxide or a titanium composite oxide; and a nonaqueous electrolyte contained in the outer material. The titanium oxide or the titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the monoclinic β-type titanium by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. When the integrated intensity of the main peak of the composite oxide is 100, it appears at 2θ = 25.1 to 25.5 ° belonging to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17. The relative value of the integral intensity of the main peak is 30 or less, and the titanium oxide or the titanium composite oxide is calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide angle X-ray diffraction method. Yui Nonaqueous electrolyte battery child diameter of 5nm or more is provided.
本実施形態の第3側面によると、前記第2側面の非水電解質電池を複数備え、各々の電池が直列、並列または直列および並列に電気的に接続される電池パックが提供される。 According to the third aspect of the present embodiment, there is provided a battery pack comprising a plurality of the non-aqueous electrolyte batteries of the second aspect, wherein each battery is electrically connected in series, in parallel or in series and in parallel.
以下に、本実施形態に係る電池用活物質、非水電解質電池および電池パックを詳細に説明する。 Hereinafter, the battery active material, the nonaqueous electrolyte battery, and the battery pack according to the present embodiment will be described in detail.
実施形態に係る電池用活物質は、チタン複合酸化物を含む。チタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下である構造を有する。すなわち、チタン複合酸化物は単斜晶系β型チタン複合酸化物の積分強度をI1、少なくとも1つの副相の積分強度をI2、とし、I1を100にしたとき、I1に対するI2の相対値が30以下である構造を有する。このとき、アナターゼ型TiO2のメインピークは2θ=約25.4°に検出され、H2Ti8O17のメインピークは2θ=約25.3°に検出される。チタン複合酸化物は、広角X線回折法で得られる単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である。 The battery active material according to the embodiment includes a titanium composite oxide. The titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. The integrated intensity of the main peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 It has a structure with a relative value of 30 or less. That is, the integrated intensity I 1 of the titanium composite oxide is monoclinic β-type titanium composite oxide, the integrated intensity of the at least one secondary phase I 2, and then, when the I 1 to 100, I for I 1 The relative value of 2 has a structure of 30 or less. At this time, the main peak of anatase TiO 2 is detected at 2θ = about 25.4 °, and the main peak of H 2 Ti 8 O 17 is detected at 2θ = about 25.3 °. In the titanium composite oxide, the crystallite diameter calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide-angle X-ray diffraction method is 5 nm or more.
前記広角X線回折法を以下に説明する。 The wide angle X-ray diffraction method will be described below.
チタン複合酸化物を粉砕して得られた粉末(試料)は、ガラス試料板の深さ0.2mmのホルダ内に充填する。外部からガラス板を使い、指で充分に押し付けてガラス試料板に充填された試料表面を平滑化にする。このとき、試料が十分にホルダ部分に充填されるように留意し、試料の充填不足(ひび割れ、空隙)のないように注意する。試料量はガラスホルダの深さ(0.2mm)と均等となるように充填し、充填量の過不足により、ガラスホルダの基準面より凹凸が生じることのないように注意する。 The powder (sample) obtained by pulverizing the titanium composite oxide is filled into a 0.2 mm deep holder of a glass sample plate. Using a glass plate from the outside, the sample surface filled in the glass sample plate is smoothed by sufficiently pressing with a finger. At this time, care is taken so that the sample is sufficiently filled in the holder portion, and care is taken so as not to cause insufficient filling (cracking, voids) of the sample. The sample amount is filled so as to be equal to the depth (0.2 mm) of the glass holder, and care is taken so that unevenness does not occur from the reference surface of the glass holder due to excessive or insufficient filling amount.
また、以下の方法はガラス試料板への充填方法により回折線ピーク位置のずれや強度比の変化を排除するためにより好ましい。すなわち、前記試料に約250MPaの圧力を15分間かけることによって直径10mm、厚さ約2mmの圧粉体ペレットを作製し、そのペレット表面を測定する。 Moreover, the following method is more preferable in order to eliminate the shift | offset | difference of a diffraction-beam peak position and the change of intensity ratio by the filling method to a glass sample plate. That is, by applying a pressure of about 250 MPa to the sample for 15 minutes, a green compact pellet having a diameter of 10 mm and a thickness of about 2 mm is produced, and the pellet surface is measured.
測定は、例えば以下の条件で行うことができる。 The measurement can be performed, for example, under the following conditions.
<測定方法>
試料を直径25mmの標準ガラスホルダに詰め、広角X線回折法で測定を行った。以下に測定装置および条件を示す。
<Measurement method>
The sample was packed in a standard glass holder having a diameter of 25 mm, and measurement was performed by wide-angle X-ray diffraction. The measuring equipment and conditions are shown below.
(1)X線回折装置:Bruker AXS 社製;D8 ADVANCE(封入管型)
X線源:CuKα線(Niフィルター使用)
出力 :40kV,40mA
スリット系:Div. Slit;0.3°
検出器:LynxEye(高速検出器)
(2)スキャン方式:2θ/θ連続スキャン
(3)測定範囲(2θ):5〜100°
(4)ステップ幅(2θ):0.01712°
(5)計数時間:1秒間/ステップ。
(1) X-ray diffractometer: Bruker AXS; D8 ADVANCE (encapsulated tube type)
X-ray source: CuKα ray (using Ni filter)
Output: 40kV, 40mA
Slit system: Div. Slit; 0.3 °
Detector: LynxEye (High-speed detector)
(2) Scan method: 2θ / θ continuous scan (3) Measurement range (2θ): 5 to 100 °
(4) Step width (2θ): 0.01712 °
(5) Counting time: 1 second / step.
チタン複合酸化物の結晶子径(結晶子サイズ)は、広角X線回折法で得られるTiO2(B)のメインピークの半値幅に以下に示すシェラーの式を用いて算出することができる。
ここで、K=0.9、λ(=0.15406nm)、βe:回折ピークの半値幅、βo:半値幅の補正値(0.07°)である。 Here, K = 0.9, λ (= 0.15406 nm), βe: half-value width of the diffraction peak, and βo: correction value (0.07 °) of the half-value width.
また、積分強度は次のように求めることができる。測定後のX線回折プロファイルに対して、スムージング処理と、バックグラウンド除去処理を続けて行う。得られたプロファイルに対して、pseudo−Voigt関数を適用してピーク分離を行い、Kα1のピーク面積を積分強度とした。 Further, the integral intensity can be obtained as follows. A smoothing process and a background removal process are continuously performed on the X-ray diffraction profile after the measurement. The pseudo-Voigt function was applied to the obtained profile to perform peak separation, and the Kα1 peak area was defined as the integrated intensity.
単斜晶系二酸化チタンの結晶構造をTiO2(B)と表記する。TiO2(B)で表される結晶構造は、主に空間群C2/mに属し、図8に例示されるようなトンネル構造を示す。TiO2(B)の詳細な結晶構造に関しては、R. Marchand, L. Brohan, M. Tournoux, Material Researchの文献に記載されている。 The crystal structure of monoclinic titanium dioxide is denoted as TiO 2 (B). The crystal structure represented by TiO 2 (B) mainly belongs to the space group C2 / m, and shows a tunnel structure as illustrated in FIG. The detailed crystal structure of TiO 2 (B) is described in R. Marchand, L. Brohan, M. Tournoux, Material Research.
図8に示すようにTiO2(B)で表される結晶構造は、チタンイオン53と酸化物イオン52が骨格構造部分51aを構成し、この骨格構造部分51aが交互に配置された構造を有する。骨格構造部分51a同士の間には空隙部分51bが形成される。この空隙部分51bは、異原子種のインターカレート(挿入)のホストサイトとなることができる。TiO2(B)はまた、結晶表面にも異原子種を吸蔵放出可能なホストサイトが存在するといわれている。リチウムイオンがこれらのホストサイトに挿入・脱離することにより、TiO2(B)はリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる。
As shown in FIG. 8, the crystal structure represented by TiO 2 (B) has a structure in which
リチウムイオンが空隙部分51bに挿入されると、骨格を構成するTi4+がTi3+へと還元され、これによって結晶の電気的中性が保たれる。TiO2(B)は化学式あたり1つのTi4+を有するため、理論上、層間に最大1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、TiO2(B)結晶構造を有する酸化チタン化合物は一般式LixTiO2(0≦x≦1)により表わすことができる。この場合、前述の特許文献1,2に記載の二酸化チタンに比べて2倍近い理論容量の335mAh/gが得られる。
When lithium ions are inserted into the
しかしながら、TiO2(B)は約500℃より低温で存在する低温準安定相であるため、合成時にアナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相が不純物相として混入し易くなる。不純物相がリチウムイオンの拡散を阻害するため、TiO2(B)リチウムのイオン伝導性を低下させる。その結果、従来のTiO2(B)では安定的に240mAh/g以上の高容量を取り出すことが困難であった。 However, since TiO 2 (B) is a low-temperature metastable phase existing at a temperature lower than about 500 ° C., at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 is mixed as an impurity phase during synthesis. It becomes easy to do. Since the impurity phase inhibits the diffusion of lithium ions, the ionic conductivity of TiO 2 (B) lithium is lowered. As a result, it was difficult for the conventional TiO 2 (B) to stably extract a high capacity of 240 mAh / g or more.
また、TiO2(B)は不純物相の存在とは別の要因で、リチウムイオンの拡散速度が小さく、比較的低いリチウムイオンの伝導度を有する。TiO2(B)は、例えば正極活物質として用いられるリチウムコバルト複合酸化物と比べると、リチウムイオンの伝導度が約二桁以上低いと考えられる。このため、TiO2(B)を負極活物質、リチウムコバルト複合酸化物を正極活物質として組み合わせた非水電解質電池は、正極と負極の間でのリチウムイオンの吸着・脱離においてTiO2(B)中でのリチウムイオンの低拡散性に律速するため、大電流特性が低下する。 TiO 2 (B) is a factor different from the presence of the impurity phase, and has a low lithium ion diffusion rate and a relatively low lithium ion conductivity. TiO 2 (B) is considered to have a lithium ion conductivity lower by about two orders of magnitude or more than, for example, a lithium cobalt composite oxide used as a positive electrode active material. For this reason, a nonaqueous electrolyte battery in which TiO 2 (B) is combined as a negative electrode active material and lithium cobalt composite oxide is used as a positive electrode active material has a TiO 2 (B ), The high current characteristics are deteriorated.
なお、リチウムイオンの拡散速度とは活物質の粒内拡散と粒界拡散を合わせたものを意味する。 The diffusion rate of lithium ions means a combination of intragranular diffusion and grain boundary diffusion of the active material.
実施形態に係る電池用活物質は、単斜晶系β型チタン複合酸化物(TiO2(B))を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記TiO2(B)のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相、すなわち不純物相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるピークの積分強度の相対値が30以下の構造を有するチタン複合酸化物を含む。このようなチタン複合酸化物は、リチウムイオンの拡散を阻害する不純物相の量が低減されるか、または実質的にゼロであるため、リチウムのイオン伝導性を向上できる。その結果、TiO2(B)固有の高い電気容量を引き出すことが可能になる。 The battery active material according to the embodiment includes a monoclinic β-type titanium composite oxide (TiO 2 (B)) as a main phase, and the TiO 2 by the wide-angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. When the integrated intensity of the main peak of (B) is 100, at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 , that is, 2θ = 25.1 to 25.25 belonging to the impurity phase. It includes a titanium composite oxide having a structure in which the relative value of the integrated intensity of the peak appearing at 5 ° is 30 or less. Such a titanium composite oxide can reduce the amount of the impurity phase that inhibits the diffusion of lithium ions, or is substantially zero, so that the ion conductivity of lithium can be improved. As a result, it becomes possible to draw out a high electric capacity specific to TiO 2 (B).
また、チタン複合酸化物は前記広角X線回折法で得られるTiO2(B)のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上、つまり大きな結晶子径を有する。その結果、チタン複合酸化物のリチウムイオンの拡散速度が高くなってリチウムのイオン伝導性が向上できる。従って、前記チタン複合酸化物を負極活物質、リチウムコバルト複合酸化物を正極活物質として組み合わせて正極と負極の間でのリチウムイオンの吸着・脱離を行なった場合、高いリチウムイオンの拡散速度を持つチタン複合酸化物により、正極に対する負極のリチウムイオンの拡散律速を緩和でき、大電流特性を向上できる。 The titanium composite oxide has a crystallite diameter of 5 nm or more calculated from the main peak of TiO 2 (B) obtained by the wide-angle X-ray diffraction method, that is, a large crystallite diameter. As a result, the diffusion rate of lithium ions in the titanium composite oxide is increased, and the ion conductivity of lithium can be improved. Therefore, when the titanium composite oxide is combined as a negative electrode active material and the lithium cobalt composite oxide is combined as a positive electrode active material and lithium ions are adsorbed / desorbed between the positive electrode and the negative electrode, a high diffusion rate of lithium ions is obtained. The titanium composite oxide possessed can relax the diffusion rate-determining rate of lithium ions in the negative electrode relative to the positive electrode, and can improve the large current characteristics.
チタン複合酸化物の結晶子径は、前述したように5nm以上にすることにより、チタン複合酸化物のイオン伝導性および大電流特性を向上することができる。より好ましいチタン複合酸化物の結晶子径は、20nm以上である。チタン複合酸化物の結晶子径の上限は300nmである。 By setting the crystallite diameter of the titanium composite oxide to 5 nm or more as described above, the ion conductivity and large current characteristics of the titanium composite oxide can be improved. The crystallite diameter of the titanium composite oxide is more preferably 20 nm or more. The upper limit of the crystallite diameter of the titanium composite oxide is 300 nm.
広角X線回折法による前記TiO2(B)のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相、すなわち不純物相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるピークの積分強度の相対値は、30以下にすることによって、チタン複合酸化物のリチウムイオンの拡散速度を向上でき、さらにイオン伝導性および大電流特性を向上できる。より好ましい副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるピークの積分強度の相対値は10以下、さらに好ましくは3以下である。チタン複合酸化物は、不純物相を含まず、実質的に主相であるTiO2(B)からなる構造を有することが好ましい。したがって、チタン複合酸化物は不純物相が検出限界以下の状態、即ちゼロの状態も含まれる。 When the integrated intensity of the main peak of TiO 2 (B) by wide-angle X-ray diffraction method is 100, it is attributed to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 , that is, an impurity phase. When the relative value of the integrated intensity of the peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° is 30 or less, the diffusion rate of lithium ions in the titanium composite oxide can be improved, and the ion conductivity and large current can be improved. The characteristics can be improved. The relative value of the integrated intensity of the peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to a more preferable subphase is 10 or less, more preferably 3 or less. It is preferable that the titanium composite oxide does not include an impurity phase and has a structure that is substantially composed of TiO 2 (B) that is a main phase. Therefore, the titanium composite oxide includes a state where the impurity phase is below the detection limit, that is, a state where the impurity phase is zero.
チタン複合酸化物の1次粒子径は、30nm以上3μm以下であることが好ましい。1次粒子径が30nm以上である場合には、工業生産上、扱い易くなる。1次粒子径が3μm以下である場合には、リチウムイオンの固体内拡散距離が短くなり、大電流性能を向上させることができる。より好ましい1次粒子径の上限は、1μmである。 The primary particle diameter of the titanium composite oxide is preferably 30 nm or more and 3 μm or less. When the primary particle diameter is 30 nm or more, it becomes easy to handle in industrial production. When the primary particle diameter is 3 μm or less, the diffusion distance of lithium ions in the solid is shortened, and the large current performance can be improved. A more preferable upper limit of the primary particle diameter is 1 μm.
チタン複合酸化物の比表面積は、5m2/g以上50m2/g以下であることが好ましい。比表面積が5m2/g以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトを十分に確保できる。比表面積が50m2/g以下である場合には、工業生産上、扱い易くなる。 The specific surface area of the titanium composite oxide is preferably 5 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less. When the specific surface area is 5 m 2 / g or more, sufficient lithium ion storage / release sites can be secured. When the specific surface area is 50 m 2 / g or less, it becomes easy to handle in industrial production.
チタン複合酸化物は、PおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素を含み、かつ少なくとも1つの元素の含有量はチタン複合酸化物および少なくとも1つの元素の総量に対し合計で0.01重量%以上3重量%以下であることが好ましい。少なくとも1つの元素を含むチタン複合酸化物は、粒子状をなし、少なくとも1つの元素はチタン複合酸化物の粒子内もしくは粒子表面に酸化物として存在することが好ましい。このようなPおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素を含むチタン複合酸化物は、不純物相の混入をより減少でき、結晶性を高めて結晶子径を増大させることが可能になる。その結果、240mAh/g以上の容量を安定して取り出せるチタン複合酸化物を得ることができる。少なくとも1つの元素の含有量を0.01重量%未満にすると、結晶性を高める効果が小さくなる。少なくとも1つの元素の含有量が3重量%を超えると、P2O5、B2O3の不純物相の量が増大して、電気容量を低下させる虞がある。少なくとも1つの元素のうち、Pは前述した効果がBに比べて高いために好ましい。 The titanium composite oxide contains at least one element selected from P and B, and the content of at least one element is 0.01 wt% or more in total with respect to the total amount of the titanium composite oxide and at least one element. It is preferable that it is below wt%. The titanium composite oxide containing at least one element is preferably in the form of particles, and at least one element is preferably present as an oxide in or on the particles of the titanium composite oxide. Such a titanium composite oxide containing at least one element selected from P and B can further reduce the contamination of the impurity phase, increase the crystallinity, and increase the crystallite diameter. As a result, a titanium composite oxide that can stably extract a capacity of 240 mAh / g or more can be obtained. When the content of at least one element is less than 0.01% by weight, the effect of increasing crystallinity is reduced. If the content of at least one element exceeds 3% by weight, the amount of impurity phase of P 2 O 5 and B 2 O 3 increases, which may reduce the electric capacity. Of the at least one element, P is preferable because the above-described effect is higher than that of B.
PおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素の含有量は、ICP発光分光法によって測定できる。ICP発光分光法による前記元素の含有量の測定は、例えば以下の方法で実行できる。放電状態で電池を解体し、電極(例えば負極)を取り出し、その負極層を水中で失活する。その後、負極層中のチタン複合酸化物を抽出する。抽出処理は、例えば大気中での加熱処理によって負極層中の導電剤およびバインダを除去することにより行うことができる。抽出したチタン複合酸化物を容器に測り取った後、酸融解またはアルカリ融解して測定溶液を得る。この測定溶液を測定装置(例えばエスアイアイ・ナノテクノロジー社製:SPS−1500V)でICP発光分光を行なって前記元素の含有量を測定する。 The content of at least one element selected from P and B can be measured by ICP emission spectroscopy. Measurement of the content of the element by ICP emission spectroscopy can be performed by the following method, for example. The battery is disassembled in a discharged state, an electrode (for example, a negative electrode) is taken out, and the negative electrode layer is deactivated in water. Thereafter, the titanium composite oxide in the negative electrode layer is extracted. The extraction treatment can be performed, for example, by removing the conductive agent and binder in the negative electrode layer by heat treatment in the atmosphere. After measuring the extracted titanium composite oxide in a container, it is melted by acid or alkali to obtain a measurement solution. The measurement solution is subjected to ICP emission spectroscopy with a measuring device (for example, SPS-1500V, manufactured by SII Nano Technology) to measure the content of the element.
チタン複合酸化物は、PおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素以外の製造上不可避な不純物を1000重量ppm以下含むことを許容する。 The titanium composite oxide allows to contain 1000 ppm by weight or less of impurities inevitable in production other than at least one element selected from P and B.
次に、実施形態に係る電池用活物質の製造方法を説明する。 Next, the manufacturing method of the active material for batteries which concerns on embodiment is demonstrated.
まず、例えばNa2Ti3O7、K2Ti4O9、Cs2Ti5O12のようなチタン酸アルカリ化合物を出発原料として用意する。チタン酸アルカリ化合物は、Tiを含有する物質と、Na、K、Csなどのアルカリ元素を含有する物質を所定比率で混合し、一般的な固相反応法によって合成することができる。出発原料の合成は、手法、結晶形状を問わない。なお、K2Ti4O9のチタン酸カリウムは例えばフラックス法で合成することも可能である。 First, an alkali titanate compound such as Na 2 Ti 3 O 7 , K 2 Ti 4 O 9 , or Cs 2 Ti 5 O 12 is prepared as a starting material. The alkali titanate compound can be synthesized by a general solid phase reaction method by mixing a substance containing Ti and a substance containing an alkali element such as Na, K, or Cs at a predetermined ratio. The method for synthesizing the starting material is not limited to any method or crystal shape. Note that potassium titanate of K 2 Ti 4 O 9 can be synthesized by, for example, a flux method.
出発原料は、純水で十分に水洗してチタン酸アルカリ化合物から不純物を取り除いた後、酸処理をしてアルカリカチオンをプロトンに交換する。チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウムおよびチタン酸セシウム中のそれぞれナトリウムイオン、カリウムイオン、セシウムイオンは結晶構造を崩さずにプロトンとの交換が可能である。酸処理によるプロトン交換は、例えば出発原料に濃度1Mの塩酸を加えて攪拌することによってなされる。酸処理は充分にプロトン交換が完了するまで行われることが望ましい。プロトン交換時には、溶液にアルカリ性溶液または酸溶液を添加してpHを調整してもよい。プロトン交換の完了後、再び純水で水洗する。 The starting material is washed thoroughly with pure water to remove impurities from the alkali titanate compound, and then acid-treated to exchange alkali cations for protons. Sodium ion, potassium ion, and cesium ion in sodium titanate, potassium titanate, and cesium titanate can be exchanged with protons without destroying the crystal structure. Proton exchange by acid treatment is performed, for example, by adding 1 M hydrochloric acid to the starting material and stirring. The acid treatment is desirably performed until the proton exchange is sufficiently completed. During proton exchange, an alkaline solution or an acid solution may be added to the solution to adjust the pH. After the proton exchange is completed, it is washed again with pure water.
出発原料は、プロトン交換前に予めボールミルで粉砕することが好ましい。この粉砕は、円滑なプロトン交換を遂行できる。粉砕条件は、100cm2の容器あたり、直径10〜15mm程度のジルコニアボールを用い、600〜1000rpmの回転速度で1〜3時間ほどジルコニアボールを回転させることにより行うことができる。1時間以下の粉砕では、出発原料が十分に粉砕されないため好ましくない。また、3時間以上の長時間の粉砕はメカノケミカル反応が進み目的生成物と異なる化合物に相分離するため好ましくない。 The starting material is preferably pulverized in advance with a ball mill before proton exchange. This grinding can perform a smooth proton exchange. The pulverization conditions can be performed by using zirconia balls having a diameter of about 10 to 15 mm per 100 cm 2 container and rotating the zirconia balls for about 1 to 3 hours at a rotation speed of 600 to 1000 rpm. The pulverization for 1 hour or less is not preferable because the starting material is not sufficiently pulverized. Further, pulverization for a long time of 3 hours or more is not preferable because the mechanochemical reaction proceeds and the phase is separated into a compound different from the target product.
プロトン交換は、例えば超音波のような振動を加えながら実施することによって、より円滑なプロトン交換を遂行でき、好適な状態のプロトン交換体を得ることができる。 By performing proton exchange while applying vibration such as ultrasonic waves, for example, smoother proton exchange can be performed, and a proton exchanger in a suitable state can be obtained.
次いで、プロトン交換を終了した生成物を水洗・乾燥することにより、中間生成物であるプロトン交換体を合成する。つづいて、プロトン交換体を加熱処理することによりTiO2(B)を主相とするチタン複合酸化物を製造する。 Next, the product after proton exchange is washed with water and dried to synthesize a proton exchanger as an intermediate product. Subsequently, a titanium composite oxide containing TiO 2 (B) as a main phase is produced by heat-treating the proton exchanger.
好ましい加熱温度は、250℃〜500℃である。加熱温度を250℃未満にすると、結晶性が著しく低下し、H2Ti8O17の不純物相の混入量が増大し、電気容量が低下する。一方、加熱温度が500℃を超えると、結晶性が向上し、不純物相であるH2Ti8O17相も減少するが、別の不純物相であるアナターゼ型TiO2相の混入量が増大し、電気容量が低下する虞がある。より好ましい加熱温度は、300℃〜400℃である。 A preferable heating temperature is 250 ° C to 500 ° C. When the heating temperature is less than 250 ° C., the crystallinity is remarkably lowered, the amount of H 2 Ti 8 O 17 impurity phase mixed in is increased, and the electric capacity is lowered. On the other hand, when the heating temperature exceeds 500 ° C., the crystallinity is improved and the H 2 Ti 8 O 17 phase, which is an impurity phase, decreases, but the amount of anatase-type TiO 2 phase, which is another impurity phase, increases. There is a possibility that the electric capacity is lowered. A more preferable heating temperature is 300 ° C to 400 ° C.
加熱処理の時間は、30分以上24時間以下程度行えばよい。より好ましい加熱処理の時間、300℃以上400℃以下の温度で、1時間以上3時間以下である。 The heat treatment time may be about 30 minutes to 24 hours. A more preferable heat treatment time is a temperature of 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower and is 1 hour or longer and 3 hours or shorter.
なお、前記チタン酸アルカリ化合物にPおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素を添加したものを出発原料として用いてもよい。この出発原料は前記少なくとも1つの元素とする物質と、Tiを含有する物質と、Na、K、Csなどのアルカリ元素を含有する物質を所定比率で混合し、一般的な固相反応法によって合成可能である。少なくとも1つの元素の添加量は、得られるチタン複合酸化物および前記少なくとも1つの元素の総量に対して合計で0.01重量%以上3重量%以下にすることが好ましい。 A starting material obtained by adding at least one element selected from P and B to the alkali titanate compound may be used. This starting material is synthesized by a general solid phase reaction method by mixing a substance containing at least one element, a substance containing Ti, and a substance containing an alkali element such as Na, K, and Cs in a predetermined ratio. Is possible. The addition amount of at least one element is preferably 0.01% by weight or more and 3% by weight or less in total with respect to the total amount of the obtained titanium composite oxide and the at least one element.
前記少なくとも1つの元素は、加熱処理時焼結助剤として機能し、H2Ti8O17のような不純物相が残存し難くなる。その結果、結晶子径が大きく、かつ不純物相の少ないチタン複合酸化物を得ることが可能になる。 The at least one element functions as a sintering aid during the heat treatment, and an impurity phase such as H 2 Ti 8 O 17 is difficult to remain. As a result, it is possible to obtain a titanium composite oxide having a large crystallite diameter and a small impurity phase.
実施形態に係る電池用活物質は、後述する負極のみならず、正極にも用いることができ、いずれに適用しても活物質の高容量化と、電池に用いたとき、大電流特性の向上に寄与する。 The battery active material according to the embodiment can be used not only for the negative electrode to be described later but also for the positive electrode. When applied to any of the above, the capacity of the active material is increased, and when the battery is used for a battery, large current characteristics are improved. Contribute to.
実施形態に係る電池用活物質を正極に用いる場合、対極としての負極の活物質は金属リチウム、リチウム合金、またはグラファイト、コークスなどの炭素系材料を用いることができる。 When the battery active material according to the embodiment is used for the positive electrode, the active material of the negative electrode as the counter electrode can be a metallic lithium, a lithium alloy, or a carbon-based material such as graphite or coke.
次に、実施形態に係る非水電解質電池を説明する。 Next, the nonaqueous electrolyte battery according to the embodiment will be described.
実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内に正極と空間的に離間して、例えばセパレータを介在して収納された活物質を含む負極と、外装材内に充填された非水電解質とを具備する
以下、非水電解質電池の構成部材である外装材、負極、正極、セパレータおよび非水電解質について詳細に説明する。
The nonaqueous electrolyte battery according to the embodiment includes an exterior material, a positive electrode accommodated in the exterior material, and an active material that is spatially separated from the positive electrode in the exterior material, for example, via a separator. Hereinafter, the exterior material, the negative electrode, the positive electrode, the separator, and the nonaqueous electrolyte, which are constituent members of the nonaqueous electrolyte battery, will be described in detail.
1)外装材
外装材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムから形成される。また、外装材は厚さ1.0mm以下の金属製容器が用いられる。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましい。
1) Exterior material The exterior material is formed from a laminate film having a thickness of 0.5 mm or less. Further, a metal container having a thickness of 1.0 mm or less is used as the exterior material. The metal container is more preferably 0.5 mm or less in thickness.
外装材の形状は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等が挙げられる。外装材は、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材が挙げられる。 Examples of the shape of the exterior material include a flat type (thin type), a square type, a cylindrical type, a coin type, and a button type. Examples of the exterior material include a small battery exterior material loaded on a portable electronic device or the like, and a large battery exterior material loaded on a two-wheeled or four-wheeled vehicle, depending on the battery size.
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層を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若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。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 molded into the shape of an exterior material 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がから作られる。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が含む場合、その量は100ppm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 transition metals such as iron, copper, nickel and chromium are contained in the alloy, the amount is preferably 100 ppm or less.
2)負極
負極は、集電体と、この集電体の片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む負極層とを備える。
2) Negative electrode The negative electrode includes a current collector and a negative electrode layer formed on one or both sides of the current collector and including an active material, a conductive agent, and a binder.
活物質は、前述したチタン複合酸化物を含む電池用活物質が用いられる。チタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下である組成を有する。チタン複合酸化物は、広角X線回折法で得られる単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である。 As the active material, the battery active material containing the above-described titanium composite oxide is used. The titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. The integrated intensity of the main peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 The composition has a relative value of 30 or less. In the titanium composite oxide, the crystallite diameter calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide-angle X-ray diffraction method is 5 nm or more.
このような活物質は、前述したように高いリチウムイオンの拡散速度および高いリチウムのイオン伝導性を有する。その結果、この活物質を含む負極層を備えた負極を組み込まれた非水電解質電池は、大電流特性を向上できる。 As described above, such an active material has a high lithium ion diffusion rate and a high lithium ion conductivity. As a result, a non-aqueous electrolyte battery incorporating a negative electrode including a negative electrode layer containing this active material can improve large current characteristics.
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛を含む。 The conductive agent improves the current collection performance of the active material and suppresses the contact resistance with the current collector. Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
結着剤は、活物質と導電剤を結着できる。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴムを含む。 The binder can bind the active material and the conductive agent. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, fluorine-based rubber, and styrene butadiene rubber.
負極層中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ70重量%以上96重量%以下、2重量%以上28重量%以下および2重量%以上28重量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を2重量%未満にすると、負極層の集電性能が低下し、非水電解質電池の大電流特性が低下する虞がある。また、結着剤の量を2重量%未満にすると、負極層と集電体の結着性が低下し、サイクル特性が低下する虞がある。一方、導電剤および結着剤はそれぞれ28重量%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 70% to 96% by weight, 2% to 28% by weight and 2% to 28% by weight, respectively. . When the amount of the conductive agent is less than 2% by weight, the current collecting performance of the negative electrode layer is lowered, and the large current characteristics of the nonaqueous electrolyte battery may be lowered. On the other hand, when the amount of the binder is less than 2% by weight, the binding property between the negative electrode layer and the current collector is lowered, and the cycle characteristics may be lowered. On the other hand, the conductive agent and the binder are each preferably 28% by weight or less in order to increase the capacity.
集電体は、1.0Vよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Siのような元素を含むアルミニウム合金箔であること好ましい。 The current collector is an aluminum foil that is electrochemically stable in a potential range nobler than 1.0 V or an aluminum alloy foil containing elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, Si. It is preferable.
負極は、例えば活物質、導電剤および結着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、その後、プレスを施すことにより作製される。負極はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層とし、これを集電体上に形成することにより作製されてもよい。 The negative electrode is produced, for example, by suspending an active material, a conductive agent, and a binder in a commonly used solvent to prepare a slurry, applying the slurry to a current collector, drying, and then pressing. The The negative electrode may also be produced by forming an active material, a conductive agent and a binder in the form of a pellet to form a negative electrode layer, which is formed on a current collector.
3)正極
正極は、集電体と、この集電体の片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極層とを備える。
3) Positive electrode The positive electrode includes a current collector and a positive electrode layer formed on one or both sides of the current collector and including an active material, a conductive agent, and a binder.
活物質は、例えば酸化物、ポリマー等を用いることができる。 As the active material, for example, an oxide, a polymer, or the like can be used.
酸化物は、例えばリチウムを吸蔵した二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケルおよび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(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)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-yNiyO4)、オリピ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)、またはバナジウム酸化物(例えばV2O5)を用いることができる。ここで、x、yは0<x≦1、0≦y≦1であることが好ましい。 Examples of the oxide include manganese occluded lithium (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide and lithium manganese composite oxide (for example, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ), lithium nickel composite oxide. (Eg, Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 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 ), spinel-type lithium manganese nickel composite oxide (Li x Mn 2 -y Ni y O 4 ), lithium phosphorous oxide having an olipine structure (eg, Li x FePO 4 , Li x Fe 1 -y) Mn y PO 4, Li x CoPO 4), using ferrous sulfate (Fe 2 (SO 4) 3 ), or vanadium oxides (e.g. V 2 O 5) be able to. Here, x and y are preferably 0 <x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1.
ポリマーは、例えばポリアニリンやポリピロールのような導電性ポリマー材料、またはジスルフィド系ポリマー材料を用いることができる。イオウ(S)、フッ化カーボンもまた活物質として使用できる。 As the polymer, for example, a conductive polymer material such as polyaniline or polypyrrole, or a disulfide polymer material can be used. Sulfur (S) and carbon fluoride can also be used as the active material.
好ましい活物質は、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(LixMn2O4)、リチウムニッケル複合酸化物(LixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LixNi1-yCoyO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-yNiyO4)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LixMnyCo1-yO2)、またはリチウムリン酸鉄(LixFePO4)が挙げられる。ここで、x、yは0<x≦1、0≦y≦1であることが好ましい。 Preferred active materials include lithium manganese composite oxide (Li x Mn 2 O 4 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), and lithium nickel cobalt having a high positive electrode voltage. complex oxide (Li x Ni 1-y coyO 2), spinel type lithium-manganese-nickel composite oxide (Li x Mn 2-y Ni y O 4), lithium manganese cobalt composite oxide (Li x Mn y Co 1- y O 2 ) or lithium iron phosphate (Li x FePO 4 ). Here, x and y are preferably 0 <x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1.
さらに好ましい活物質は、リチウムコバルト複合酸化物またはリチウムマンガン複合酸化物である。これらの活物質は、イオン伝導性が高いため、前述した負極活物質との組み合わせにおいて、正極活物質中のリチウムイオンの拡散が律速段階になり難い。このため、前記活物質は前記負極活物質中のリチウムチタン複合酸化物との適合性に優れる。 A more preferable active material is a lithium cobalt composite oxide or a lithium manganese composite oxide. Since these active materials have high ion conductivity, diffusion of lithium ions in the positive electrode active material is unlikely to be a rate-determining step in combination with the negative electrode active material described above. For this reason, the said active material is excellent in compatibility with the lithium titanium complex oxide in the said negative electrode active material.
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素質物を含む。 The conductive agent improves the current collection performance of the active material and suppresses the contact resistance with the current collector. Examples of the conductive agent include carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, and graphite.
結着剤は、活物質と導電剤を結着させる。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、フッ素系ゴムを含む。 The binder binds the active material and the conductive agent. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, and fluorine-based rubber.
正極層中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ80重量%以上95重量%以下、3重量%以上18重量%以下および2重量%以上17重量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、3重量%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。導電剤は、18重量%以下の量にすることにより高温保存下での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。結着剤は、2重量%以上の量にすることにより十分な正極強度が得られる。結着剤は、17重量%以下の量にすることにより、正極中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。 The active material, conductive agent and binder in the positive electrode layer are preferably blended at a ratio of 80% to 95% by weight, 3% to 18% by weight and 2% to 17% by weight, respectively. . The conductive agent can exert the above-described effects by setting the amount to 3% by weight or more. By making the amount of the conductive agent 18% by weight or less, decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surface of the conductive agent under high temperature storage can be reduced. A sufficient positive electrode strength can be obtained by setting the binder to an amount of 2% by weight or more. By setting the amount of the binder to 17% by weight or less, the amount of the binder, which is an insulating material in the positive electrode, can be reduced, and the internal resistance can be reduced.
集電体は、例えばアルミニウム箔、またはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Siのような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, for example, an aluminum foil or an aluminum alloy foil containing an element such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, or Si.
正極は、例えば活物質、導電剤および結着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、その後、プレスを施すことにより作製される。正極はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層とし、これを集電体上に形成することにより作製されてもよい。 The positive electrode is produced, for example, by suspending an active material, a conductive agent, and a binder in a commonly used solvent to prepare a slurry, applying the slurry to a current collector, drying, and then applying a press. The The positive electrode may also be produced by forming an active material, a conductive agent and a binder in the form of a pellet to form a negative electrode layer on a current collector.
4)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、また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が挙げられる。
4) Non-aqueous electrolyte Examples of the non-aqueous electrolyte include a liquid non-aqueous electrolyte prepared by dissolving an electrolyte in an organic solvent, or a gel non-aqueous electrolyte obtained by combining a liquid electrolyte and a polymer material.
液状非水電解質は、電解質を0.5M以上2.5M以下の濃度で有機溶媒に溶解することが好ましい。 The liquid non-aqueous electrolyte is preferably dissolved in an organic solvent at a concentration of 0.5M to 2.5M.
電解質の例は、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)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミトリチウム[LiN(CF3SO2)2]のリチウム塩、またはこれらの混合物を含む。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 are lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), trifluorometasulfone Lithium salt of lithium acid (LiCF 3 SO 3 ), lithium salt of bistrifluoromethylsulfonylimitolithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], or a mixture thereof. 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)、ジエトエタン(DEE)のような鎖状エーテル;またはγ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)を含む。これらの有機溶媒は、単独または混合溶媒の形態で用いることができる。 Examples of organic solvents are cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC). Cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), dioxolane (DOX); chain ethers such as dimethoxyethane (DME) and dietoethane (DEE); or γ-butyrolactone (GBL), acetonitrile ( AN) and sulfolane (SL). These organic solvents can be used alone or in the form of a mixed solvent.
高分子材料の例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)を含む。 Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO).
好ましい有機溶媒は、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)および(ジエチルカーボネート(DEC))からなる群のうち、少なくとも2つ以上を混合した混合溶媒、またはγ−ブチロラクトン(GBL)を含む混合溶媒である。 A preferable organic solvent is a mixed solvent in which at least two of the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC) and (diethyl carbonate (DEC)) are mixed, or a mixture containing γ-butyrolactone (GBL). It is a solvent.
5)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、もしくはポリフッ化ビニリデンを含む多孔質フィルム、または合成樹脂製不織布が挙げられる。好ましい多孔質フィルムは、ポリエチレンまたはポリプロピレンから作られ、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に安全性を向上できる。
5) Separator Examples of the separator include a porous film containing polyethylene, polypropylene, cellulose, or polyvinylidene fluoride, or a synthetic resin nonwoven fabric. A preferred porous film is made of polyethylene or polypropylene, and can be melted at a constant temperature to cut off the current, thereby improving safety.
次に、実施形態に係る非水電解質電池(例えば外装材がラミネートフィルムからなる扁平型非水電解質電池)を図1、図2を参照してより具体的に説明する。図1は、薄型非水電解質電池の断面図、図2は図1のA部の拡大断面図である。なお、各図は発明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個所があるが、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。 Next, the nonaqueous electrolyte battery according to the embodiment (for example, a flat type nonaqueous electrolyte battery whose exterior material is a laminate film) will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of a thin nonaqueous electrolyte battery, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, etc. are different from the actual apparatus. The design can be changed as appropriate.
扁平状の捲回電極群1は、2枚の樹脂層の間にアルミニウム箔を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装材2内に収納されている。扁平状の捲回電極群1は、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。最外殻の負極3は、図2に示すように負極集電体3aの内面側の片面に負極層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を形成して構成されている。負極層3b中の活物質は、チタン複合酸化物を含む。チタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下である組成を有する。チタン複合酸化物は、広角X線回折法で得られる単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である。正極5は、正極集電体5aの両面に正極層3bを形成して構成されている。
The flat wound electrode group 1 is housed in a bag-shaped
捲回電極群1の外周端近傍において、負極端子6は最外殻の負極3の負極集電体3aに接続され、正極端子7は内側の正極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、袋状外装材2の開口部から注入されている。袋状外装材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を完全密封している。
In the vicinity of the outer peripheral end of the wound electrode group 1, the
負極端子は、例えばリチウムイオン金属に対する電位が1.0V以上3.0V以下の範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料から作られる。具体的には、アルミニウムまたはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料であることが好ましい。 The negative electrode terminal is made of, for example, a material having electrical stability and conductivity in a range where the potential with respect to the lithium ion metal is 1.0 V or more and 3.0 V or less. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing an element such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, or Si can be given. In order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector, the negative electrode terminal is preferably made of the same material as the negative electrode current collector.
正極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が3.0〜4.25Vの範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料から作られる。具体的には、アルミニウムまたはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料であることが好ましい。 The positive electrode terminal is made of a material having electrical stability and conductivity in a range of a potential of 3.0 to 4.25 V with respect to a lithium ion metal. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing an element such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, or Si can be given. The positive electrode terminal is preferably made of the same material as that of the positive electrode current collector in order to reduce contact resistance with the positive electrode current collector.
次に、実施形態に係る電池パックを詳細に説明する。 Next, the battery pack according to the embodiment will be described in detail.
実施形態に係る電池パックは、前述した非水電解質電池(単電池)を複数有し、各単電池を電気的に直列、並列または直列と並列に接続して配置されている。 The battery pack according to the embodiment includes a plurality of the nonaqueous electrolyte batteries (unit cells) described above, and each unit cell is electrically connected in series, in parallel, or in series and in parallel.
このような電池パックは優れたサイクル特性を有する。 Such a battery pack has excellent cycle characteristics.
負極活物質に含まれるチタン複合酸化物は、不純物相の混入が少なく結晶性が高いため、このチタン複合酸化物を用いた非水電解質電池は大電流特性及び充放電サイクル性能を向上できる。その結果、このような電池を複数組み込んだ電池パックは大電流での充放電を行った際においても、充放電サイクル性能を向上できる。 Since the titanium composite oxide contained in the negative electrode active material is less mixed with an impurity phase and has high crystallinity, a nonaqueous electrolyte battery using this titanium composite oxide can improve large current characteristics and charge / discharge cycle performance. As a result, a battery pack incorporating a plurality of such batteries can improve charge / discharge cycle performance even when charging / discharging with a large current.
次に、実施形態に係る電池パック図3および図4を参照して具体的に説明する。単電池は、図1に示す扁平型非水電解液電池が使用される。 Next, the battery pack according to the embodiment will be specifically described with reference to FIGS. 3 and 4. As the unit cell, a flat type nonaqueous electrolyte battery shown in FIG. 1 is used.
複数の単電池21は、外部に延出した負極端子6および正極端子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4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4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、組電池23と対向する保護回路基板24の面には組電池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 wiring board 24 is disposed to face the side surface of the
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の温度を検出するために用いられ、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3および図4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。
Protective sheets 36 made of rubber or resin are disposed on the three side surfaces of the assembled battery 23 excluding the side surfaces from which the
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 battery 23 is stored in a storage container 37 together with the protective sheets 36 and the printed wiring board 24. That is, the protective sheet 36 is disposed on each of the inner side surface in the long side direction and the inner side surface in the short side direction of the storage container 37, and the printed wiring board 24 is disposed on the inner side surface on the opposite side in the short side direction. The assembled battery 23 is located in a space surrounded by the protective sheet 36 and the printed wiring board 24. The lid 38 is attached to the upper surface of the storage container 37.
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、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。
In addition, instead of the
図3、図4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、または直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列、並列に接続することもできる。
3 and 4 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。電池パックの用途は、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、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、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。 Moreover, the aspect of a battery pack is changed suitably by a use. The battery pack is preferably one that exhibits excellent cycle characteristics when a large current is taken out. Specific examples include a power source for a digital camera, a vehicle for a two- to four-wheel hybrid electric vehicle, a two- to four-wheel electric vehicle, an assist bicycle, and the like. In particular, the vehicle-mounted one is suitable.
前述したようにプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)からなる群のうち、少なくとも2つ以上を混合した混合溶媒、またはγ−ブチロラクトン(GBL)を含む非水電解質を用いることによって、高温特性の優れた非水電解質電池を得ることができる。このような非水電解質電池を複数有する組電池を備えた電池パックは、特に車載用に好適である。 As described above, a mixed solvent in which at least two of the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed, or a non-aqueous electrolyte containing γ-butyrolactone (GBL). By using it, a nonaqueous electrolyte battery excellent in high temperature characteristics can be obtained. A battery pack provided with an assembled battery having a plurality of such nonaqueous electrolyte batteries is particularly suitable for in-vehicle use.
以下に実施例を説明する。なお、本発明の主旨を超えない限り、以下に記載される実施例に限定されるものでない。 Examples will be described below. In addition, unless it exceeds the main point of this invention, it is not limited to the Example described below.
(実施例1)
<正極の作製>
まず、正極活物質としてリチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.82Co0.15Al0.03O2)粉末90重量%、導電剤として、アセチレンブラック5重量%と、ポリフッ化ビニリデン5重量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーとし、このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し後、乾燥し、プレスすることにより電極密度が3.15g/cm3の正極を作製した。
Example 1
<Preparation of positive electrode>
First, 90% by weight of a lithium nickel composite oxide (LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ) powder as a positive electrode active material, 5% by weight of acetylene black and 5% by weight of polyvinylidene fluoride as conductive agents were added with N-methylpyrrolidone (NMP). In addition, the slurry is applied to both sides of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to obtain a positive electrode having an electrode density of 3.15 g / cm 3 . Produced.
<チタン複合酸化物の作製>
まず、炭酸カリウム(K2CO3)、とアナターゼ型酸化チタン(TiO2)を混合し、1000℃で24時間焼成してK2Ti4O9を合成した。得られたK2Ti4O9をジルコニアビーズで乾式粉砕して粒度調整した後、純水で洗浄してプロトン交換前駆体とした。得られたプロトン交換前駆体を1M濃度の塩酸溶液中に投入し、25℃の環境で1時間の超音波攪拌を行った。この操作を12回繰り返し、その都度塩酸を交換し、その後洗浄してプロトン交換体を得た。つづいて、得られたプロトン交換体を大気中で350℃、3時間の焼成を施すことによりチタン複合酸化物を製造した。
<Preparation of titanium composite oxide>
First, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and anatase-type titanium oxide (TiO 2 ) were mixed and baked at 1000 ° C. for 24 hours to synthesize K 2 Ti 4 O 9 . The obtained K 2 Ti 4 O 9 was dry-pulverized with zirconia beads to adjust the particle size, and then washed with pure water to obtain a proton exchange precursor. The obtained proton exchange precursor was put into a 1 M hydrochloric acid solution and subjected to ultrasonic stirring for 1 hour in an environment of 25 ° C. This operation was repeated 12 times, and each time the hydrochloric acid was exchanged and then washed to obtain a proton exchanger. Subsequently, the obtained proton exchanger was baked at 350 ° C. for 3 hours in the air to produce a titanium composite oxide.
得られたチタン複合酸化物について、結晶子径およびメインピークの強度比の測定を行なった。 With respect to the obtained titanium composite oxide, the crystallite diameter and the main peak intensity ratio were measured.
すなわち、前述した測定方法によりチタン複合酸化物のCu−Kαを用いた広角X線回折パターンを得た。得られたX線回折パターンを図5に示す。 That is, a wide-angle X-ray diffraction pattern using Cu-Kα of a titanium composite oxide was obtained by the measurement method described above. The obtained X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
チタン複合酸化物の結晶子径は、単斜晶系β型チタン複合酸化物の回折角(2θ)が約24.8°の(110)面のX線回折ピークの半値幅から前述した算出方法により求めた。チタン複合酸化物の結晶子径は、15nmであった。なお、回折ピークの半値幅の算出においては、回折装置の光学系による線幅を補正する必要があり、この補正には標準シリコン粉末を使用した。 The crystallite diameter of the titanium composite oxide is calculated from the half width of the X-ray diffraction peak of the (110) plane of the monoclinic β-type titanium composite oxide having a diffraction angle (2θ) of about 24.8 ° as described above. Determined by The crystallite diameter of the titanium composite oxide was 15 nm. In the calculation of the half width of the diffraction peak, it is necessary to correct the line width by the optical system of the diffraction apparatus, and standard silicon powder was used for this correction.
図5に示すX線回折パターンから前述した方法で算出した単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークである3.59Å(2θ:24.8°)のピーク積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17のそれぞれに帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値は、23であった。 When the peak integrated intensity at 3.59Å (2θ: 24.8 °), which is the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide, calculated from the X-ray diffraction pattern shown in FIG. The relative value of the integrated intensity of the main peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to each of anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 was 23.
<負極の作製>
得られたチタン複合酸化物粉末90重量%、アセチレンブラック5重量%およびポリフッ化ビニリデン5重量%をN−メチルピロリドン(NMP)加えて混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度が2.0g/cm3の負極を作製した。
<Production of negative electrode>
N-methylpyrrolidone (NMP) was added to and mixed with 90% by weight of the obtained titanium composite oxide powder, 5% by weight of acetylene black and 5% by weight of polyvinylidene fluoride to prepare a slurry. This slurry was applied to both surfaces of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to prepare a negative electrode having an electrode density of 2.0 g / cm 3 .
<電極群の作製>
正極、厚さ25μmのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータ、負極およびセパレータをこの順序で積層した後、渦巻き状に捲回した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅が30mm、厚さ3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群をラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥を施した。ラミネートフィルムは厚さ40μmのアルミニウム箔の両面にポリプロピレン層を形成して構成され、全体の厚さが0.1mmである。
<Production of electrode group>
A positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film having a thickness of 25 μm, a negative electrode and a separator were laminated in this order, and then wound in a spiral shape. This was heated and pressed at 90 ° C. to produce a flat electrode group having a width of 30 mm and a thickness of 3.0 mm. The obtained electrode group was housed in a pack made of a laminate film and vacuum dried at 80 ° C. for 24 hours. The laminate film is formed by forming a polypropylene layer on both sides of an aluminum foil having a thickness of 40 μm, and the overall thickness is 0.1 mm.
<液状非水電解質の調製>
エチレンカーボネート(EC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を1:2の体積比率で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒に電解質であるLiPF6を1M溶解することにより液状非水電解質を調製した。
<Preparation of liquid nonaqueous electrolyte>
Ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 2 to obtain a mixed solvent. A liquid non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving 1 M of LiPF 6 as an electrolyte in this mixed solvent.
<非水電解質二次電池の製造>
電極群を収納したラミネートフィルムのパック内に液状非水電解質を注入した。その後、パックをヒートシールにより完全密閉し、前述した図1に示す構造を有し、幅35mm、厚さ3.2mm、高さが65mmの非水電解質二次電池を製造した。
<Manufacture of non-aqueous electrolyte secondary batteries>
A liquid non-aqueous electrolyte was poured into a laminate film pack containing the electrode group. Thereafter, the pack was completely sealed by heat sealing, and a non-aqueous electrolyte secondary battery having the structure shown in FIG. 1 and having a width of 35 mm, a thickness of 3.2 mm, and a height of 65 mm was manufactured.
(実施例2〜6および比較例1)
プロトン交換体の焼成温度を下記表1に変えた以外、実施例1と同様の方法でチタン複合酸化物を合成した。これらのチタン複合酸化物を負極活物質として用いた以外、実施例1と同様な方法により非水電解質二次電池を製造した。なお、下記表1に示す実施例2〜6および比較例1に用いたチタン複合酸化物の積分強度の相対値および結晶子径は、実施例1と同様にCu−Kαを用いた広角X線回折パターンを作成し、この回折パターンから算出した。比較例1に用いたチタン複合酸化物のX線回折パターンを図6に示す。
(Examples 2 to 6 and Comparative Example 1)
A titanium composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the proton exchanger was changed to Table 1 below. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that these titanium composite oxides were used as the negative electrode active material. In addition, the relative value and the crystallite diameter of the integrated intensity of the titanium composite oxide used in Examples 2 to 6 and Comparative Example 1 shown in Table 1 below are wide-angle X-rays using Cu-Kα as in Example 1. A diffraction pattern was created and calculated from this diffraction pattern. The X-ray diffraction pattern of the titanium composite oxide used in Comparative Example 1 is shown in FIG.
実施例1〜6および比較例1の各電池について、25℃の環境下で0.2C放電容量と、2C放電容量を測定し、0.2C放電容量に対する2C放電容量の比率(%)を容量維持率(%)として求めた。その結果を下記表1に示す。 About each battery of Examples 1-6 and Comparative Example 1, 0.2C discharge capacity and 2C discharge capacity were measured under an environment of 25 ° C., and the ratio (%) of 2C discharge capacity to 0.2C discharge capacity was determined. It calculated | required as a maintenance rate (%). The results are shown in Table 1 below.
また、実施例1〜6および比較例1の電池に用いた負極とリチウム金属からなる対極とから単極を製作した。単極の負極を0.1mA/cm2の電流値で1V(Li/Li+)までリチウムイオンを吸蔵(充電)させた後、0.1mA/cm2の電流値で3V(Li/Li+)までリチウムイオンを放出(放電)させた。このときの放電電気量を負極活物質であるチタン酸リチウムの単位重量あたりの電気量に換算した。換算した値を負極容量として下記表1に示す。
表1から明らかなように積分強度の相対値が30以下で、結晶子径が5nm以上のチタン複合酸化物を負極活物質として用いた実施例1〜6の電池は、前記積分強度の相対値および結晶子径のいずれか一方が前記範囲を外れるチタン複合酸化物を負極活物質として用いた比較例1の電池に比べて高い負極容量と高い容量維持率(良好な大電流性能)を示すことがわかる。 As is clear from Table 1, the batteries of Examples 1 to 6 using a titanium composite oxide having a relative value of integral strength of 30 or less and a crystallite diameter of 5 nm or more as a negative electrode active material were used. And a high negative electrode capacity and a high capacity retention ratio (good high-current performance) as compared with the battery of Comparative Example 1 using a titanium composite oxide whose crystallite diameter is outside the above range as the negative electrode active material. I understand.
(実施例7)
下記方法で合成したチタン複合酸化物を負極活物質として用いた以外、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(Example 7)
A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the titanium composite oxide synthesized by the following method was used as the negative electrode active material.
酸化リン(P2O5)、酸化ホウ素(B2O3)、炭酸カリウム(K2CO3)およびアナターゼ型酸化チタン(TiO2)を混合し、1000℃で24時間焼成することによりPおよびBを含むK2Ti4O9を得た。得られたK2Ti4O9をジルコニアビーズで乾式粉砕して粒度調整した後、純水で洗浄してプロトン交換前駆体を得た。得られたプロトン交換前駆体を1M濃度の塩酸溶液中に投入し、25℃の環境下で超音波攪拌を1時間行った。この操作を12回繰り返し、その都度塩酸を交換し、その後洗浄してプロトン交換体を得た。つづいて、得られたプロトン交換体を大気中で350℃、3時間の焼成を施し、チタン複合酸化物を合成した。 Phosphorus oxide (P 2 O 5 ), boron oxide (B 2 O 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and anatase-type titanium oxide (TiO 2 ) are mixed and calcined at 1000 ° C. for 24 hours to obtain P and K 2 Ti 4 O 9 containing B was obtained. The obtained K 2 Ti 4 O 9 was dry-pulverized with zirconia beads to adjust the particle size, and then washed with pure water to obtain a proton exchange precursor. The obtained proton exchange precursor was put into a 1M hydrochloric acid solution and subjected to ultrasonic stirring for 1 hour in an environment at 25 ° C. This operation was repeated 12 times, and each time the hydrochloric acid was exchanged and then washed to obtain a proton exchanger. Subsequently, the obtained proton exchanger was baked at 350 ° C. for 3 hours in the atmosphere to synthesize a titanium composite oxide.
得られたチタン複合酸化物中のPおよびBの量を前述したICP分析で測定した。その結果、PおよびBの量はそれぞれ0.230重量%、0.010重量%であった。得られたチタン複合酸化物のCu−Kαを用いた広角X線回折パターンを図7に示す。この広角X線回折パターンから実施例1と同様に単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークである3.59Å(2θ:24.8°)のピーク積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17のそれぞれに帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値およびチタン複合酸化物の結晶子径を求めた。その結果、積分強度の相対値および結晶子径はそれぞれ3以下、25nmであった.
(実施例8〜16および比較例2)
PおよびBの量(チタン複合酸化物とPおよびBとの総量に対する量)を下記表2に示す割合にした以外、実施例7と同様な方法でチタン複合酸化物を合成した。これらのチタン複合酸化物を負極活物質として用いた以外、実施例1と同様な方法により非水電解質二次電池を製造した。なお、下記表2に示す実施例8〜16および比較例2に用いたチタン複合酸化物の積分強度の相対値および結晶子径は、実施例1と同様にCu−Kαを用いた広角X線回折パターンを作成し、この回折パターンから算出した。
The amount of P and B in the obtained titanium composite oxide was measured by the ICP analysis described above. As a result, the amounts of P and B were 0.230% by weight and 0.010% by weight, respectively. FIG. 7 shows a wide-angle X-ray diffraction pattern using Cu—Kα of the obtained titanium composite oxide. From this wide-angle X-ray diffraction pattern, when the peak integrated intensity of 3.59Å (2θ: 24.8 °), which is the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide, is set to 100, as in Example 1, anatase The relative value of the integrated intensity of the main peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to each of the type TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 and the crystallite diameter of the titanium composite oxide were determined. As a result, the relative value of the integrated intensity and the crystallite diameter were 3 or less and 25 nm, respectively.
(Examples 8 to 16 and Comparative Example 2)
A titanium composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 7, except that the amounts of P and B (the amount relative to the total amount of titanium composite oxide and P and B) were changed to the ratios shown in Table 2 below. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that these titanium composite oxides were used as the negative electrode active material. In addition, the relative value and the crystallite diameter of the integrated intensity of the titanium composite oxide used in Examples 8 to 16 and Comparative Example 2 shown in Table 2 below are wide-angle X-rays using Cu—Kα as in Example 1. A diffraction pattern was created and calculated from this diffraction pattern.
実施例7〜16および比較例2の各電池について、25℃の環境下で0.2C放電容量と、2C放電容量を測定し、0.2C放電容量に対する2C放電容量の比率(%)を容量維持率(%)として求めた。その結果を下記表2に示す。 About each battery of Examples 7-16 and the comparative example 2, 0.2C discharge capacity and 2C discharge capacity were measured in 25 degreeC environment, and the ratio (%) of 2C discharge capacity with respect to 0.2C discharge capacity was capacity | capacitance. It calculated | required as a maintenance rate (%). The results are shown in Table 2 below.
また、実施例7〜16および比較例2の電池に用いた負極とリチウム金属からなる対極とから単極を製作した。単極の負極を0.1mA/cm2の電流値で1V(Li/Li+)までリチウムイオンを吸蔵(充電)させた後、0.1mA/cm2の電流値で3V(Li/Li+)までリチウムイオンを放出(放電)させた。このときの放電電気量を負極活物質であるチタン酸リチウムの単位重量あたりの電気量に換算した。換算した値を負極容量として下記表2に示す。
表2から明らかなように所定量のPおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素を含有し、積分強度の相対値が30以下で、結晶子径が5nm以上のチタン複合酸化物を負極活物質として用いた実施例7〜16の電池は、前記元素(P)の含有量が3重量%を超えるチタン複合酸化物を負極活物質として用いた比較例2の電池に比べて高い負極容量と高い容量維持率(良好な大電流性能)を示すことがわかる。また、実施例7〜16の電池は、前記元素(P,B)を含有しない実施例1〜6の電池に比べてより一層高い容量維持率(良好な大電流性能)を示すことがわかる。 As is apparent from Table 2, a titanium composite oxide containing at least one element selected from a predetermined amount of P and B, having a relative value of integral intensity of 30 or less, and a crystallite diameter of 5 nm or more is used as the negative electrode active material. The batteries of Examples 7 to 16 used had a higher negative electrode capacity and higher capacity than the battery of Comparative Example 2 in which the titanium composite oxide in which the content of the element (P) exceeded 3% by weight was used as the negative electrode active material. It can be seen that the maintenance factor (good large current performance) is exhibited. Moreover, it turns out that the battery of Examples 7-16 shows a much higher capacity | capacitance maintenance factor (good large current performance) compared with the battery of Examples 1-6 which does not contain the said element (P, B).
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously. In addition, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.
本実施形態の第1側面によると、外装材;集電体と、前記集電体上の片面または両面に形成され、活物質、導電材および結着剤を含む正極層とを備え、前記外装材内に収納された正極;集電体と、前記集電体上の片面または両面に形成され、チタン酸化物またはチタン複合酸化物を含有する活物質、導電材および結着剤を含む負極層とを備え、前記外装材内に前記正極と空間的に離間して収納された負極;および前記外装材内に収容された非水電解質;を具備し、前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下であり、かつ前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、前記広角X線回折法で得られる前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である非水電解質電池が提供される。 According to a first aspect of the present embodiment, the exterior includes: an exterior material; a current collector, and a positive electrode layer formed on one or both surfaces of the current collector and including an active material, a conductive material, and a binder. A positive electrode housed in a material; a current collector, and a negative electrode layer formed on one or both surfaces of the current collector and containing an active material containing titanium oxide or titanium composite oxide, a conductive material, and a binder with the door, the positive electrode and spatially separated anode housed in inside the outer package; and the nonaqueous electrolyte housed in the outer package within; provided, said titanium oxide or titanium composite oxide The integrated intensity of the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide by a wide angle X-ray diffraction method including a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase and CuKα rays as an X-ray source is 100. when a, anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 The relative value of the integrated intensity of the main peak appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° attributed to at least one subphase is 30 or less, and the titanium oxide or the titanium composite oxide has the wide angle. Provided is a nonaqueous electrolyte battery having a crystallite diameter of 5 nm or more calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the X-ray diffraction method.
本実施形態の第2側面によると、前記第1側面の非水電解質電池を複数備え、各々の電池が直列、並列または直列および並列に電気的に接続される電池パックが提供される。 According to the second aspect of the present embodiment, there is provided a battery pack comprising a plurality of the non-aqueous electrolyte batteries of the first aspect, wherein each battery is electrically connected in series, in parallel or in series and in parallel.
Claims (8)
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下であり、かつ
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、前記広角X線回折法で得られる前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である非水電解質電池用活物質。 An active material for a non-aqueous electrolyte battery containing titanium oxide or titanium composite oxide,
The titanium oxide or titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the monoclinic β-type titanium composite by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. When the integrated intensity of the main peak of the oxide is 100, the main appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° belonging to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 The relative value of the integrated intensity of the peak is 30 or less, and the titanium oxide or titanium composite oxide is calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide-angle X-ray diffraction method. The active material for nonaqueous electrolyte batteries whose crystallite diameter is 5 nm or more.
前記外装材内に収納された正極;
前記外装材内に前記正極と空間的に離間して収納され、チタン酸化物またはチタン複合酸化物を含有する活物質を含む負極;および
前記外装材内に収容された非水電解質;
を具備し、
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を主相として含み、CuKα線をX線源とする広角X線回折法による前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークの積分強度を100としたとき、アナターゼ型TiO2およびH2Ti8O17から選ばれる少なくとも1つの副相に帰属される2θ=25.1〜25.5°に現れるメインピークの積分強度の相対値が30以下であり、かつ
前記チタン酸化物またはチタン複合酸化物は、前記広角X線回折法で得られる前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のメインピークから算出される結晶子径が5nm以上である非水電解質電池。 Exterior material;
A positive electrode housed in the exterior material;
A negative electrode containing an active material containing titanium oxide or a titanium composite oxide and spatially separated from the positive electrode in the outer package; and a nonaqueous electrolyte housed in the outer package;
Comprising
The titanium oxide or titanium composite oxide contains a monoclinic β-type titanium composite oxide as a main phase, and the monoclinic β-type titanium composite by a wide angle X-ray diffraction method using CuKα rays as an X-ray source. When the integrated intensity of the main peak of the oxide is 100, the main appearing at 2θ = 25.1 to 25.5 ° belonging to at least one subphase selected from anatase TiO 2 and H 2 Ti 8 O 17 The relative value of the integrated intensity of the peak is 30 or less, and the titanium oxide or titanium composite oxide is calculated from the main peak of the monoclinic β-type titanium composite oxide obtained by the wide-angle X-ray diffraction method. A nonaqueous electrolyte battery having a crystallite diameter of 5 nm or more.
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