电极、非水电解质电池及电池组制造技术

根据一个实施方案，电极包括集电体和包含活性材料的层。所述包含活性材料的层包括第一层和第二层。第一层在集电体的表面上提供，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物。第二层在第一层上提供，并包括单斜晶的β型钛复合氧化物。

【技术实现步骤摘要】
电极、非水电解质电池及电池组相关专利申请的相互引用本申请基于2013年2月7日提交的日本专利申请2013-022212号，并要求享有其优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。
本专利技术中所述的实施方案通常涉及电极、非水电解质电池及电池组。
技术介绍
已处于实际应用的具有尖晶石结构的锂钛氧化物(Li4Ti5O12)每单位化学式具有三个能够吸收和释放的锂离子。由于该原因，能够吸收和释放的锂离子的数量为每个钛离子3/5；也即0.6为其理论上的最大值。这类具有尖晶石结构的锂钛氧化物的理论容量为约170mAh/g。最近，具有单斜晶β型结构的钛氧化物作为大容量的负极材料引起了人们注意。在具有单斜晶β型结构的钛氧化物中，能够吸收和释放的锂离子的数量最多为每个钛离子1.0。相应地，所述钛氧化物的高理论容量为约330mAh/g，可逆容量为约240mAh/g。然而，当具有单斜晶β型结构的钛氧化物单独用作负极活性材料时，包括负极活性材料的层与集电体之间的粘合性降低，因此包含负极活性材料的层会与集电体分离，不能得到出色的循环特性。
技术实现思路
一个实施方案的目的是提供能够提供大容量、长循环寿命和出色的比率性能(rateperformance)的电极。根据一个实施方案，电极包括集电体和和包含活性材料的层。所述包含活性材料的层包括第一层和第二层。第一层提供在集电体的表面上，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物。第二层提供在第一层上，并包括单斜晶的β型钛复合氧化物。根据一个实施方案的电极，所述电极可以提供高的容量，以及长的循环寿命和出色的比率性能。附图说明图1所示为根据第一实施方案的电极的示意图；图2所示为根据第二实施方案的非水电解质电池的剖视图；图3所示为图2中的部分A的放大的剖视图；图4所示为根据第三实施方案的电池组的分解透视图；图5所示为图4中的电池组电路的框图；图6所示为实施例和比较例1～4的电池的充电/放电周期数量与放电容量之间的关系图；图7所示为实施例和比较例1～4的电池的放电比率与放电容量保持率之间的关系图；图8所示为实施例和比较例1～4的电池的充电/放电周期数量与放电容量保持率之间的关系图；图9所示为在所述实施例的负极中的第二层的扫描电子显微照片；图10所示为在所述实施例负极中的第一层的扫描电子显微照片；图11所示为在所述实施例中第一层中的负极活性材料的粒径的频率分布图；以及图12所示为所述实施例中第二层中的负极活性材料的粒径的频率分布图。具体实施方式根据一个实施方案，提供了包括集电体、第一层和第二层的电极。第一层提供在集电体的表面上，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物。第二层提供在第一层上，并包括单斜晶的β型钛复合氧化物。根据一个实施方案，提供了包括正极、负极和非水电解质的非水电解质电池。负极包括根据所述实施方案的电极。根据进一步的实施方案，提供了包括根据所述实施方案的非水电解质电池的电池组。以下参考附图对实施方案进行说明。各实施方案自始至终相同的附图标记用于共同的结构，并且略去重复的说明。每个图均为示意图，目的是为了说明实施方案并且帮助其理解。附图中的形状、大小和比例有时可能与器件中实际使用的不同，但是参考以下所述的说明以及已知的技术，其可以适宜地在设计时变化。(第一实施方案)根据第一实施方案，电极包括集电体和包含活性材料的层。包含活性材料的层包括第一层和第二层。第一层形成在集电体的两侧或一侧上，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物作为活性材料。第二层形成在第一层上，并包括单斜晶的β型钛复合氧化物作为活性材料。具有尖晶石结构的锂钛氧化物优选表示为Li4+xTi5O12(0≤x≤3)。由于Li4+xTi5O12(0≤x≤3)为弱碱性，可以抑制集电体(例如，含铝的集电体)的腐蚀，由此可以改善集电体与活性材料之间的粘合性。单斜晶β型钛复合氧化物满意地为具有单斜晶二氧化钛晶体结构的钛复合氧化物。单斜晶二氧化钛晶体结构主要属于空间群C2/m，并且具有隧道结构。G.Armstrong,A.R.Armstrong,J.Canales,P.G.Bruce,ElectrochemSolid-StateLett.,9,A139(2006)中详细地报告了单斜晶二氧化钛的晶体结构。使用单斜晶β型钛复合氧化物时，可以得到大的容量。单斜晶β型钛复合氧化物例如可以通过以下方法合成。使诸如Na2Ti3O7、K2Ti4O9或Cs2Ti5O11的碱性钛酸盐化合物进行质子交换，用质子交换碱性钛酸盐化合物的碱金属。加热经质子交换的化合物，得到单斜晶β型钛复合氧化物。碱金属有时可能会在质子交换中留在经质子交换的化合物中。因此，单斜晶β型钛复合氧化物允许内含碱金属，如Na、K或Cs。但是，碱金属含量优选为低的，单斜晶β型钛复合氧化物中的碱金属含量优选为2质量%或更低，更优选为1质量%或更低。具有尖晶石结构的锂钛氧化物和单斜晶β型钛复合氧化物可以在电极中以初级粒子状态存在，或者可以以二级团聚体状态存在于电极中。满意地，具有尖晶石结构的锂钛氧化物粒子处于初级粒子状态，而单斜晶β型钛复合氧化物粒子处于二级团聚体状态。第二层可以还包括锐钛矿型钛复合氧化物。第一层和第二层优选满足以下式(1)：0<(F1/F2)≤1.5(1)其中，F1为第一层中具有尖晶石结构的锂钛氧化物的粒径频率分布中的峰的频率；而F2为第二层中单斜晶β型钛复合氧化物的粒径频率分布中的峰的频率。当第一和第二层满足式(1)时，可使电解溶液对第一和第二层的渗透率令人满意，因此可导致实现电解溶液充分渗透直至第一层，从而接触集电体。结果是，可以使第一层和第二层中锂离子的扩散令人满意，因此可以改善非水电解质电池的比率性能。第一层中锂钛氧化物粒径的频率分布中的峰值粒径(以下称为“第一峰(mode)直径”)优选小于第二层中单斜晶β型钛复合氧化物粒径的频率分布中的峰值粒径(以下称为“第二峰直径”)。通过以上结构可以促进电解溶液向第一层的扩散，因此可以进一步改善非水电解质电池的比率性能。可以例如从粒径的频率分布获得比例(F1/F2)，所述比例从电极沿厚度方向切割时得到的截面的扫描电镜(SEM)照片得到。例如，通过蚀刻包含活性材料的层的表面，取其一部分，可以识别活性材料的组成，然后进行X射线衍射(XRD)或者拉曼光谱法。满意地是，包含活性材料的层的密度在2g/cm3或更高和2.4g/cm3或更低的范围内。当密度在该范围之内时，可以改善非水电解质电池的容量和比率性能。第一层和第二层可以包括活性材料以外的材料。这类材料的实例包括导电剂(conductingagent)和粘结剂。加入导电剂是用于提高电流收集性能，并且用于抑制活性材料与集电体之间的接触电阻。导电剂的实例可以包括含碳材料，如乙炔黑、炭黑或石墨。加入粘结剂是用于填充分散的活性材料之间的间隙，并且可以将活性材料粘结至集电体。粘结剂的实例可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)、含氟橡胶、和苯乙烯-丁二烯橡胶。在第一层和第二层中，优选包含其含量分别为70质量%或更高和96质量%或更低、2质量%或更高和28质量%或更低、和2质量%或更高和28质量%或更低的活性材料、导电剂、和粘结剂。当导电剂的含量为2质量%或更高时，含负极活性材料的层的集电性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极，该电极包括：集电体，和包含活性材料的层，所述层包括第一层和第二层，所述第一层在集电体表面上提供，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物，所述第二层在第一层上提供，并包括单斜晶β型钛复合氧化物。

【技术特征摘要】
2013.02.07 JP 2013-0222121.一种电极，该电极包括：集电体，和包含活性材料的层，所述层包括第一层和第二层，所述第一层在集电体表面上提供，并包括具有尖晶石结构的锂钛氧化物，所述第二层在第一层上提供，并包括单斜晶β型钛复合氧化物；并且其中所述第一层和第二层满足以下式(1)：0<(F1/F2)≤1.5(1)其中F1为第一层中锂钛氧化物的粒径频率分布中的峰的频率，F2为第二层中单斜晶β型钛复合氧化物的粒径频率分布中的峰的频率。2.权利要求1的电极，其中锂钛氧化物表示为Li4+xTi5O12，0≤x≤3。3.权利要求1的电极，其中包含活性材料的层的密度在2～2.4g/cm3的范围内。4.权利要求1的电极，其中所述第二层还包括锐钛矿型钛复合氧化物。5.一种非...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉田赖司，安田一浩，岸敬，稻垣浩贵，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