活性材料、非水电解质电池和电池组制造技术

根据一个实施方案，提供包括单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子和碳材料层的活性材料。所述单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子可以吸收和释放Li离子或Na离子并满足下式(1)。所述碳材料层覆盖所述铌钛复合氧化物粒子的表面的至少一部分并满足下式(2)：0.5≤(α/β)≤2  (1)0≤(γ/σ)≤0.1  (2)。

Active materials, non-aqueous electrolyte batteries and battery packs

【技术实现步骤摘要】
活性材料、非水电解质电池和电池组本申请是2014年7月8日递交的申请号为201410322915.4、名称为“活性材料、非水电解质电池和电池组”的申请的分案申请。相关申请的交叉参考本申请是基于并要求2013年7月8日提交的现有日本专利申请2013-142497号的优先权，通过参考将其全部内容并入本文中。
本文所述的实施方案一般涉及活性材料、非水电解质电池和电池组。
技术介绍
通过将吸收和释放锂离子的石墨材料或含碳材料用于负极而制备的非水电解质电池已被商业化作为便携式设备的高能量密度电池。近年来，已经实际使用含Ni的锂金属氧化物如LiNiaCobAl1-a-bO2或LiNiaCobMn1-a-bO2作为正极活性材料来代替LiCoO2或LiMn2O4以改进电池的能量密度。另一方面，在诸如汽车或火车等车辆中安装电池的情况下，鉴于在高温环境中的储存性能、循环性能和长期高功率可靠性，需要正极和负极由在化学和电化学稳定性、机械强度和耐腐蚀性方面优异的材料形成。此外，需要正极和负极由在寒冷气候中具有高性能、在低温环境(-40℃)中具有高输出性能以及具有长寿命性能的材料形成。另一方面，从提高安全性的观点来看，已经开发了非挥发性和不燃性电解质溶液作为非水电解质；然而，由于其伴随着输出性能、低温性能和长寿命性能的降低，它尚未投入实际使用。如上所述，为了将锂离子电池安装在车辆上，目的在于实现高温耐久性、循环寿命、安全性和输出性能。当使用钛基氧化物如TiO2或Li4Ti5O12代替石墨材料或含碳材料作为负极时，电池的寿命性能和安全性得到改进。然而，能量密度降低。电池的能量密度降低是由于钛基氧化物(相对于Li)的负极电位高达约1.5V，电池电压降低，并且负极的容量较小。因此，为了增大电池的容量，有必要使用具有高容量并且输出性能和寿命性能优异的钛基氧化物。
技术实现思路
实施方案的目的是提供一种具有高容量并且大电流放电性能和循环寿命性能优异的活性材料、包括所述活性材料的非水电解质电池以及包括所述活性材料的电池组。根据一个实施方案，提供包括单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子和碳材料层的活性材料。所述单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子可以吸收和释放Li离子或Na离子并满足下式(1)。所述碳材料层覆盖所述铌钛复合氧化物粒子的表面的至少一部分并满足下式(2)：0.5≤(α/β)≤2(1)0≤(γ/σ)≤0.1(2)其中α表示铌钛复合氧化物粒子的Nb的摩尔数，β表示铌钛复合氧化物粒子的Ti的摩尔数，γ表示碳材料层中的氢原子数目，并且σ表示碳材料层中的碳原子数目。根据实施方案，提供一种非水电解质电池，其包括：正极；包含所述实施方案的活性材料的负极；以及非水电解质。根据实施方案，提供一种包括根据所述实施方案的非水电解质电池的电池组。根据实施方案，提供一种具有高容量并且大电流放电性能和循环寿命性能优异的活性材料、包括所述活性材料的非水电解质电池，以及包括所述活性材料的电池组。附图说明图1是一个实施方案的非水电解质电池的局部剖切横截面图；图2是图1的电池的侧视图；以及图3是示出一个实施方案的电池组所用的电池模块的实施例的透视图。具体实施方式(第一实施方案)根据第一实施方案，提供包括单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子和碳材料层的活性材料。所述单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子可以吸收和释放Li离子或Na离子并满足下式(1)。所述碳材料层覆盖所述铌钛复合氧化物粒子的表面的至少一部分并满足下式(2)：0.5≤(α/β)≤2(1)0≤(γ/σ)≤0.1(2)其中α表示铌钛复合氧化物粒子的Nb的摩尔数，β表示铌钛复合氧化物粒子的Ti的摩尔数，γ表示碳材料层中的氢原子数目，并且σ表示碳材料层中的碳原子数目。单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子中Nb的摩尔数与Ti的摩尔数的较高比率(α/β)意味着活性材料的容量可得到提高，但铌钛复合氧化物的电子传导性降低。为了改进活性材料的电子传导性，可用碳材料覆盖铌钛复合氧化物粒子的表面。然而，较高的摩尔比(α/β)意味着碳材料(C)更容易造成Nb的还原反应。因此，通过用碳材料层覆盖活性材料不能改进活性材料的电子传导性。因此，实际上，在实践中难以改进通过使用单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子制备的活性材料的容量和电子传导性。本专利技术人已经指明碳材料中Nb的摩尔数与Ti的摩尔数的比率(α/β)与氢原子数目与碳原子数目的比率(γ/σ)之间的关系并且因此他们已经成功地改进了通过使用单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子制备的活性材料的容量和电子传导性。为了改进大电流放电性能，比率(α/β)理想地为0.8≤(α/β)≤1.9。除了单斜晶系的LixTiNb2O7和NaxTiNb2O7之外，所述范围中的比率得到含有钛氧化物相(例如，金红石TiO2和TiO)的铌钛复合氧化物。因此，复合氧化物的电子传导性得到改进并且大电流放电性能是优异的。这被认为是由于以下事实：在对电池充电之后锂离子被吸收在钛氧化物相的TiO2中，并且所生成的LixTiO2留在铌钛复合氧化物粒子中，从而导致电子传导性增加。此外，铌钛复合氧化物粒子与钛氧化物粒子的混合物可用作活性材料。钛氧化物的实例包括具有尖晶石结构的Li4Ti5O12和TiO2(B)。单斜晶系的铌钛复合氧化物理想地由AxTiMyNb2-yO7±z(0≤x≤5，0≤y≤0.5，-0.3≤z≤0.3；M表示除Ti和Nb之外的至少一种金属，并且A表示Li或Na)表示。由AxTiMyNb2-yO7±z表示的单斜晶系的铌钛复合氧化物的实例包括TiNb2O7、能够吸收和释放Li离子的LixTiNb2O7(0≤x≤5)和能够吸收和释放Na离子的NaxTiNb2O7(0≤x≤5)。z根据单斜晶系的铌钛复合氧化物的还原条件而改变。在z超过-0.3的氧化物中，铌被预先还原，电极性能降低，并且可能发生相分离。另一方面，测量误差范围至多z＝+0.3。铌钛复合氧化物中M的实例包括除Nb和Ti之外的一种或多种过渡金属。M更优选为选自由Mg、Al、V、Fe、Mo、Sn和W组成的组中的至少一种。通过用选自由Mg、Al、V、Fe、Mo、Sn和W组成的组中的至少一种或多种元素取代Nb位点的一部分使铌钛复合氧化物的结晶性增加，从而导致电极容量增加。丰度比y为0至0.5。如果比率超过这个范围，则其超过溶解度极限并且发生相分离。因此，电极容量可能降低。更优选的范围为0.05≤y≤0.2。当碳材料层的氢原子数目与碳原子数目的比率(γ/σ)被设定为0≤(γ/σ)≤0.1时，则在改进电极的电子传导性的同时，非水电解质的还原分解可以得到抑制，并且循环寿命性能可以得到改进。如果原子比(γ/σ)超过0.1，则电极的电子传导性降低。因此，循环寿命性能降低。更优选的原子比(γ/σ)为0≤(γ/σ)≤0.05。为了将原子比(γ/σ)设定为0≤(γ/σ)≤0.1的范围，有必要将碳材料前体添加至铌钛复合氧化物粒子(其中摩尔比(α/β)满足0.5≤(α/β)≤2)并且将它们均匀混合，或者有必要将碳材料前体气相沉积在铌钛复合氧化物粒子上并且在惰性气氛中在600℃以上进行热处理。如果热处理温度小于600℃，则活性材料的电子传导性低，并且循环寿命性能降低。另一方面，如果用碳材料前体覆盖铌钛复合氧化物粒子(其中摩尔比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种活性材料，其包含：满足下式(1)并且能够吸收和释放Li离子或Na离子的单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子；和覆盖所述铌钛复合氧化物粒子的表面的至少一部分并满足下式(2)的碳材料层：0.5≤(α/β)≤2  (1)0≤(γ/σ)≤0.1  (2)其中α表示所述铌钛复合氧化物粒子的Nb的摩尔数，β表示所述铌钛复合氧化物粒子的Ti的摩尔数，γ表示所述碳材料层中的氢原子数目，并且σ表示所述碳材料层中的碳原子数目。

【技术特征摘要】
2013.07.08 JP 2013-1424971.一种活性材料，其包含：满足下式(1)并且能够吸收和释放Li离子或Na离子的单斜晶系的铌钛复合氧化物粒子；和覆盖所述铌钛复合氧化物粒子的表面的至少一部分并满足下式(2)的碳材料层：0.5≤(α/β)≤2(1)0≤(γ/σ)≤0.1(2)其中α表示所述铌钛复合氧化物粒子的Nb的摩尔数，β表示所述铌钛复合氧化物粒子的Ti的摩尔数，γ表示所述碳材料层中的氢原子数目，并且σ表示所述碳材料层中的碳原子数目。2.根据权利要求1所述的活性材料，其中所述铌钛复合氧化物粒子包含由AxTiMyNb2-yO7±z(0≤x≤5，0≤y≤0.5，-0.3≤z≤0.3，M表示除Ti和Nb之外的至少一种金属，并且A表示Li或Na)表示的单斜晶系的铌钛复合氧化物。3.根据权利要求2所述的活性材料，其中所述M为选自由Mg、Al、V、Fe、Mo、Sn和W组成的组中的至少一种金属。4.根据权利要求1所述的活性材料，其具有1μm或以下的平均初级粒径。5.根据权利要求1所述的活性材料，其具有1至2...

【专利技术属性】
技术研发人员：高见则雄，原田康宏，伊势一树，吉田赖司，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：日本,JP