本发明专利技术提供活性物质、非水电解质电池、电池包及车辆。根据实施方式,提供含有单斜晶型铌‑钛复合氧化物的活性物质。活性物质的Nb
Active material, nonaqueous electrolyte battery, battery pack and vehicle
The present invention provides active material, nonaqueous electrolyte battery, battery pack and vehicle. According to embodiments, provide active material containing monoclinic niobium titanium composite oxide. Nb of the active substance
【技术实现步骤摘要】
活性物质、非水电解质电池、电池包及车辆
实施方式涉及活性物质、非水电解质电池、电池包及车辆。
技术介绍
近年来,作为高能量密度电池,开发了锂离子二次电池等非水电解质电池。非水电解质电池作为混合动力汽车或电动汽车等车辆的电源备受期待。另外,作为昼夜耗电量的均衡化或智能电网等用途的固定型电源用电池也备受关注。因此,非水电解质电池还要求具有快速充放电性能、长期可靠性等其他特性。能够快速充放电的非水电解质电池具有充电时间非常短的优点。另外,这种非水电解质电池在混合动力汽车中可以提高动力性能。进而,这种非水电解质电池可以有效地将车辆动力的再生能量回收。快速充放电可通过电子和锂离子在正极与负极之间迅速地移动而得以实现。使用了碳系负极的电池由于反复进行快速充放电,有金属锂的树枝状结晶析出在电极上的情况。树枝状结晶有导致内部短路、结果引起发热和/或着火的危险。因此,开发了代替碳质物而使用金属复合氧化物作为负极活性物质的电池。特别是,使用了钛氧化物作为负极活性物质的电池具有可进行稳定的快速充放电、寿命比碳系负极长的特性。但是,钛氧化物与碳质物相比,相对于金属锂的电位更高(贵)。而且,钛氧化物的每单位重量的容量低。因此,使用了钛氧化物的电池具有能量密度低的问题。例如,钛氧化物的电极电位以金属锂基准计为约1.5V,比碳系负极的电位更高(贵)。钛氧化物的电位是因电化学地对锂进行嵌入脱嵌时的Ti3+与Ti4+之间的氧化还原反应所致,因而受到电化学方面的制约。另外,还有在1.5V左右高的电极电位下锂离子的快速充放电可稳定地进行的事实。因而,为了提高能量密度而降低电极电位实际上是困难的。另一方面,关于每单位重量的容量,二氧化钛(锐钛矿结构)的理论量为165mAh/g左右、Li4Ti5O12等锂钛复合氧化物的理论容量也为180mAh/g左右。另一方面,通常的石墨系电极材料的理论容量为385mAh/g以上。因此,钛氧化物的容量密度与碳系负极材料的容量密度相比显著地低。这是由于在钛氧化物的结晶结构中对锂进行嵌入的位点少,在结构中锂易于稳定化,因而实质的容量降低。鉴于上述事实,探讨了含有钛(Ti)和铌(Nb)的新型电极材料。期待这种材料具有高的充放电容量。特别是,TiNb2O7所示的复合氧化物具有超过380mAh/g的高理论容量,但是TiNb2O7的电极的实用容量低达260mAh/g左右,具有充放电的寿命短的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供具有高能量密度、优异的快速充放电性能及长寿命性能的活性物质,使用了该活性物质的非水电解质电池及含有该电池的电池包。根据实施方式,提供含有单斜晶型铌-钛复合氧化物的活性物质。活性物质的Nb2TiO7的构成元素的铌(Nb)或钛(Ti)的一部分被元素置换。这里,Nb或Ti的置换满足以下的式子(1)~(3)中的任一个式子。其中,M(VI)是Mo、W中的至少1个,M(V)是Nb、Ta、V中的至少1个,M(I)是Na、K、Rb、Cs中的至少1个。另一实施方式中,提供包含含有上述活性物质的负极、正极和非水电解质的非水电解质电池。另外,在再一个实施方式中,提供含有上述非水电解质电池的电池包。在又一个实施方式中,提供搭载有上述电池包的车辆。根据上述构成的活性物质,可以提供具有高能量密度和优异的快速充放电性能及长寿命性能的活性物质、非水电解质电池、电池包及车辆。附图说明图1是表示单斜晶型Nb2Ti0.9(Nb0.75Na0.25)0.1O7的结晶结构的示意图。图2是从其他方向观察图1的结晶结构的示意图。图3是第2实施方式的一例的扁平型非水电解质电池的截面图。图4是图3的A部的放大截面图。图5是示意地表示第2实施方式的另一例的扁平型非水电解质电池的部分缺失立体图。图6是图5的B部的放大截面图。图7是第3实施方式的电池包的分解立体图。图8是表示图7的电池包的电路的模块图。图9是表示具备第3实施方式的电池包的一例汽车的示意图。具体实施方式以下参照附图说明实施方式。(第1实施方式)第1实施方式的活性物质含有单斜晶型的铌复合氧化物,所述活性物质是在铌-钛复合氧化物Nb2TiO7的晶格中、铌位点的铌(Nb)或钛位点的钛(Ti)的一部分如以下式子(1)~(3)中任一个式子所示那样被元素M(M(VI)、M(V)、M(I))置换了的活性物质。其中,M(VI)是Mo、W中的至少1个,M(V)是Nb、Ta、V中的至少1个,M(I)是Na、K、Rb、Cs中的至少1个。更详细地说,上述式子(1)~(3)中,M(VI)可以是Mo及W中的一个、或者是Mo和W两者的组合。M(V)可以是Nb、Ta、V中的任一个、或者它们中2个以上的组合。M(I)可以是Na、K、Rb、Cs中的任一个、或者它们中2个以上的组合。铌-钛复合氧化物主要显示单斜晶型的结晶结构。作为其例子,将单斜晶型Nb2Ti0.9(Nb0.75Na0.25)0.1O7的结晶结构的示意图示于图1及2中。如图1所示,单斜晶型Nb2Ti0.9(Nb0.75Na0.25)0.1O7的结晶结构中金属离子101和氧化物离子102构成骨架结构部分103。其中,金属离子101由在结晶结构的各结晶位点上以Nb:Ti:Na=2.075:0.9:0.025的比例随机配置的Nb离子、Ti离子和Na离子构成。通过三维地交替配置该骨架结构部分103,在骨架结构部分103彼此之间存在空隙部分104。该空隙部分104成为锂离子的嵌入点。锂离子可以以0摩尔到最大5.0摩尔嵌入到该结晶结构中。嵌入5.0摩尔锂离子时,可以表示为Li5Nb2Ti0.9(Nb0.75Na0.25)0.1O7。图1中,区域105及区域106是在[100]方向和[010]方向上具有二维通道的部分。分别如图2所示,在单斜晶型Nb2Ti0.9(Nb0.75Na0.25)0.1O7的结晶结构中,在[001]方向上存在空隙部分107。该空隙部分107具有对于锂离子的导电有利的隧道结构,成为连接区域105和区域106的[001]方向上的导电通路。通过存在该导电通路,锂离子可以在区域105和区域106之间往来。此外,本实施方式的电池用活性物质所含的铌-钛复合氧化物并非限定于此,但优选具有空间群C2/m的对称性、且至少一部分具有带有《JournalofSolidStateChemistry53,pp144-147(1984)》所记载的原子坐标的结晶结构。进而,对于上述结晶结构,在将锂离子嵌入到空隙部分104中时,构成骨架的金属离子101被还原成3价,由此保持结晶的电中性。本实施方式的铌-钛复合氧化物不仅将Ti离子从4价还原成3价、还将Nb离子从5价还原成3价。因而,单位活性物质重量的还原价数大。因此,即便嵌入许多的锂离子也可保持结晶的电中性。因此,与仅含有(未嵌入锂离子的状态下的)价数为4价的Ti离子的氧化钛等化合物相比,能量密度更高。另外,铌-钛复合氧化物具有1.5V(相对于Li/Li+)左右的锂嵌入电位。因此,通过使用该活性物质,可以提供能够进行稳定的反复快速充放电的电池。以TiNb2O7为代表的一般的铌-钛复合氧化物的理论容量为387mAh/g左右,这是具有尖晶石结构的钛氧化物的2倍以上的值。但是,确认到目前报告的铌-钛复合氧化物的实际容量比理论本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种活性物质,其含有Nb
【技术特征摘要】
2015.09.14 JP 2015-1803671.一种活性物质,其含有Nb2TiO7的构成元素的铌Nb或钛Ti的一部分按照满足以下式子(1)~(3)中的任一个式子的方式被元素置换了的单斜晶型铌-钛复合氧化物,其中,M(VI)是Mo、W中的至少1个,M(V)是Nb、Ta、V中的至少1个,M(I)是Na、K、Rb、Cs中的至少1个。2.根据权利要求1所述的活性物质,其特征在于,所述单斜晶型铌-钛复合氧化物用以下通式(A)~(E)中的任一个表示,Nb2Ti1-y(M(V)0.75M(I)0.25)yO7(A)Nb2Ti1-y(M(VI)0.6M(I)0.4)yO7(B)Nb2-x(M(VI)0.8M(I)0.2)xTiO7(C)Nb2-x(M(VI)0.8M(I)0.2)xTi1-y(M(V)0.75M(I)0.25)yO7(D)Nb2-x(M(VI)0.8M(I)0.2)xTi1-y(M(VI)0.6M(I)0.4)yO7(E)其中,M(VI)是Mo、W中的至少1个,M(V)是Nb、Ta、V中的至少1个,M(I)是Na、K、Rb、Cs中的至少1个,0<x≤1,0<y≤1。3.根据权利要求2所述的活性物质,其中,所述通式(A)、(B)、(D)及(E)中,0<y<1。4.根据权利要求2所述的活性物质,其中,所述通式(A)、(B)、(D)及(E)中,0.1≤y≤0.9。5.根据权利要求2所述的活性物质,其中,所述通式(C)、(D)及(E)中,0.1≤x≤1.0。6.根据权利要求1所述的活性物质,其特征在于,所述单斜晶型铌-钛复合氧化物用以下通式(A’)~(E’)中的任一...
【专利技术属性】
技术研发人员:原田康宏,高见则雄,
申请(专利权)人:株式会社东芝,
类型:发明
国别省市:日本,JP
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