锂离子二次电池、正极活性物质、正极、以及电动工具制造技术

本发明专利技术提供了一种锂离子二次电池、正极活性物质、正极、以及电动工具。所述锂离子二次电池包括正极、负极和电解液，其中所述正极包含第一锂复合氧化物和由下式(1)表示的第二锂复合氧化物作为正极活性物质，且所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量大于所述第一锂复合氧化物。Li1+a(NibM1cM21-b-c)1.5-0.5aO2…??(1)，其中，M1表示选自长周期型元素周期表中除了硼B、或碳C或氮N之外的第13族至第15族的元素中的至少一种，M2表示选自第3族至第12族的元素中的至少一种，并且a、b和c满足0.95≤a≤1.05，0＜b≤0.99和0＜c≤0.15的关系。

【技术实现步骤摘要】
锂离子二次电池、正极活性物质、正极、以及电动工具
本专利技术涉及包含复合氧化物的正极活性物质、使用所述正极活性物质的正极和锂离子二次电池、使用所述锂离子二次电池的电动工具和电动车辆以及电力存储系统，所述复合氧化物包含锂和过渡金属作为构成元素。
技术介绍
近年来，由便携式终端装置等代表的小尺寸电子设备变得普遍，并且强烈要求尺寸和重量的进一步下降以及长的使用寿命。伴随此，促进了作为电源的电池，特别是二次电池的开发，所述二次电池尺寸小且重量轻，并且可以获得高能量密度。近年来，已经考察了这种二次电池用于大尺寸电子设备如车辆的应用，而不限于用于小尺寸电子设备的应用。作为二次电池，已经提出了使用各种充放电原理的二次电池，但是其中，使用锂离子的吸留(嵌入)和放出(脱嵌)的锂离子二次电池引起了关注。这是因为，可以获得比铅蓄电池、镍镉电池等中更高的能量密度。锂离子二次电池包括正极、负极和电解液，并且所述正极和负极包括分别吸留和放出锂离子的正极活性物质和负极活性物质。作为正极活性物质，广泛使用包含锂和过渡金属作为构成元素的复合氧化物。直接涉及充放电反应的正极活性物质对电池性能具有较大的影响，使得已经对于复合氧化物的种类和组成等进行了各种研究。具体地，提出了其中将与LiCoO2相比具有更低的电位和更高的容量密度的含锂化合物与LiCoO2一起使用以防止由于锂进入到负极中而造成的容量下降的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号06-342673)。这种含锂化合物包含Li2NiO2等，其由通式LixMOy(在此，M表示过渡金属如Mo，且x/y≥0.5)表示。另外，提出了其中将锂铜复合氧化物用于防止由于充放电引起的充放电容量下降的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号2006-127911)。这种锂铜复合氧化物包含Li2(Cu0.8Al0.1Zr0.1)O2等，其由通式Li2(Cu1-x-yMxDy)O2(M是选自第13族元素等的一种或多种元素，D是选自Ti等的一种或多种元素，0＜x＜0.5，0＜y＜0.5且x+y＜0.5)表示。另外，提出了其中将锂锌铜复合氧化物用于提高充放电容量的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号2000-348721)。这种锂锌铜复合氧化物包含Li1.98Zn0.01CuO2等，其由通式Li2-2xZnxCuO2(0.01≤x≤0.49)表示。另外，提出了其中将锂镍复合氧化物用于实现大容量的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号09-241027和09-241026)。这种锂镍复合氧化物包含Li2NiO2.2等，其由通式Li2NiO2+y(0＜y＜0.3)表示，或者Li2.05Ni0.95O2等，其由通式Li2+xNi1-xO2(0＜y＜1/7)表示。另外，提出了以下方法：其中将第一锂层状化合物和第二锂层状化合物用于提高电池容量和循环特性，在所述第一锂层状化合物中，在4.5V至3V的条件下，锂离子的再插入量相对于锂离子的初始收回量(初始提取量，initialwithdrawalamount)为80％以上，并且在所述第二锂层状化合物中，该比率为15％以下(例如，参考日本未审查专利申请公开号2010-009806)。所述第一锂层状化合物包含LiCoO2等，其包含选自Co和Ni的至少一种。所述第二锂层状化合物包含Li1.29(Ni0.33Fe0.33Mn0.33)0.71O2等，其包含选自Fe、Mn和Ni的至少一种。除此之外，作为相关技术，对于负极进行了回顾。具体地，提出了其中将含锂金属化合物用作负极活性物质以补偿在初始充放电期间发生的不可逆容量的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号2007-172954)。这种含锂金属化合物可以在至少放电期间放出锂。另外，提出了其中将金属锂用于补偿不可逆容量并由此将锂直接用于负极的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开号2008-293954)。
技术实现思路
为了即使当重复充放电时也可以获得高电池容量，如已经提议的，补偿在初始充放电期间在负极中发生的不可逆容量是有效的。因此，作为正极活性物质，将用于补偿的Li2NiO2基复合氧化物与用于通常的高容量的复合氧化物如LiCoO2一起使用。这种Li2NiO2基复合氧化物是其中Li2NiO2的一部分或Ni用一种或两种以上过渡金属取代的材料。然而，当使用Li2NiO2基复合氧化物时，因在充放电期间产生的Ni2O的分解反应而产生氧气，使得安全性成为问题。因此，在相关技术中，电池性能(电池容量特性)和安全性(气体排出特性)具有折衷关系，使得难以让它们两者相互兼容。另外，已经提议了直接补偿金属锂的方法，但是这种金属锂对于湿气(水分)非常活泼，使得难以处理电极并且存在制造成本可能增加的可能性。考虑到上述问题而完成了本专利技术，并且期望提供正极活性物质、正极、锂离子二次电池、电动工具、电动车辆和电力存储系统，其中能够获得优异的电池容量特性和气体排出特性(气体放出特性)。根据本专利技术的一个实施方式，提供了一种正极活性物质，其包含第一锂复合氧化物和由下式(1)表示的第二锂复合氧化物。然而，所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量大于所述第一锂复合氧化物。Li1+a(NibM1cM21-b-c)1.5-0.5aO2…(1)其中，M1表示选自长周期型元素周期表(extendedperiodictableofelements)中除了硼B或碳C或氮N之外的第13族至第15族的元素中的至少一种，M2表示选自第3族至第12族的元素中的至少一种，且a、b和c满足0.95≤a≤1.05，0＜b≤0.99和0＜c≤0.15的关系。根据本专利技术的另一个实施方式，提供了包含上述正极活性物质的正极。另外，根据本专利技术的又一个实施方式，提供了包括正极、负极和电解液的锂离子二次电池，其中所述正极包含上述正极活性物质。另外，根据本专利技术的其他实施方式，提供了使用上述锂离子二次电池的电动工具、电动车辆和电力存储系统。这里，所述锂复合氧化物可以是包含一种或两种以上过渡金属与锂Li一起作为构成元素的复合氧化物。所述锂复合氧化物还可以包含不同于所述过渡金属元素的另一种元素。所述第一锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量可以是第一锂复合氧化物中的固有充电性能的实际值并且可以通过制造其中将锂金属用于对电极的试验二次电池而获得。具体地，可以制造其中分别将第一锂复合氧化物和锂金属用于试验电极和对电极的试验二次电池，且可以对所述二次电池进行充电并可以测量充电容量mAh。将参考后面描述的实施例来描述在测量充电容量的情况下的详细条件。从测得的充电容量、所述第一锂复合氧化物的重量g和真密度g/cm3，可以计算每单位体积的充电容量mAh/cm3：[充电容量mAh/重量g]×真密度g/cm3。另外，这对于计算所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量的方法也可以是正确的。根据本专利技术实施方式的正极活性物质、正极和锂离子二次电池，包含第一锂复合氧化物和由下式(1)表示的第二锂复合氧化物作为正极活性物质，且所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量大于所述第一锂复合氧化物。在这种情况下，当对使用所述正极活性物质或所述正极的锂离子二次电池进行充放电时，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.12.28 JP 2010-2932691.一种锂离子二次电池，包括：正极；负极；以及电解液，其中，所述正极包含第一锂复合氧化物和第二锂复合氧化物作为正极活性物质，所述第二锂复合氧化物由下式(1)表示，并且所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量大于所述第一锂复合氧化物，Li1+a(NibM1cM21-b-c)1.5-0.5aO2…(1)其中，M1表示选自长周期型元素周期表中除了硼B和碳C和氮N之外的第13族至第15族的元素中的至少一种，M2表示选自第3族至第12族的元素中的至少一种，且a、b和c满足0.95≤a≤1.05、0<b≤0.99和0<c≤0.15的关系，在所述第一锂复合氧化物中每单位体积的充电容量为800mAh/cm3至1000mAh/cm3，而在所述第二锂复合氧化物的基础材料Li2NiO2中每单位体积的充电容量为1300mAh/cm3至1451mAh/cm3，在所述锂离子二次电池的初始充放电期间先消耗所述第二锂复合氧化物。2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，在式(1)中，M1表示选自铝Al、硅Si、铟In和锡Sn中的至少一种，并且M2表示选自铜Cu、钴Co、锰Mn、铁Fe、锌Zn、钇Y、钛Ti和钼Mo中的至少一种。3.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，所述第一锂复合氧化物包含由下式(2)至(4)表示的化合物中的至少一种，LidNi1-e-fMneM3fO2-gXh…(2)其中，M3表示选自长周期型元素周期表中除了镍和锰之外的第2族至第15族的元素中的至少一种，X表示选自除了氧O之外的第16族和第17族的元素中的至少一种，并且d、e、f、g和h满足0≤d≤1.5、0≤e≤1、0≤f≤1、-0.1≤g≤0.2和0≤h≤0.2的关系，LijMn2-kM4kOmFn…(3)其中，M4表示选自钴、镍、镁Mg、铝Al、硼、钛、钒V、铬Cr、铁、铜、锌、钼、锡、钙Ca、锶Sr和钨W中的至少一种，并且j、k、m和n满足j≥0.9、0≤k≤0.6、3.7≤m≤4.1和0≤n≤0.1的关系，LipM5qPO4…(4)其中，M5表示选自长周期型元素周期表中第2族至第15族的元素中的至少一种，并且p和q满足0≤p≤2和0.5≤q≤2的关系。4.根据权利要求3所述的锂离子二次电池，其中，在式(2)中，M3表示选自钴、镁、铝、硼、钛、钒、铬、铁、铜、锌、锆Zr、钼、锡、钙、锶和钨中的至少一种，并且在式(4)中，M5表示选自钴、锰、铁、镍、镁、铝、硼、钛、钒、铌Nb、铜、锌、钼、钙、锶、钨和锆中的至少一种。5.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，当在初始充放电期间在所述负极中产生的不可逆容量为所述负极的相对于正极的总充电容量的Z％时，所述第二锂复合氧化物相对于所述第一锂复合氧化物和所述第二锂复合氧化物的比率被设定为使得所述第二锂复合氧化物的相对于负极的充电容量为所述正极的总充电容量的Z％以下。6.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，所述负极包含含有硅和锡中的至少一种作为构成元素的材料作为负极活性物质。7.根据权利要求6所述的锂离子二次电池，其中，所述负极活性物质包含硅氧化物SiOx，其中0.2<x<1.4。8.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，在所述第二锂复合氧化物中，以摩尔比计，M1相对于除了锂和氧之外的成分NibM1cM21-b-c的比率c为15％以下。9.一种正极活性物质，包含：第一锂复合氧化物；和由下式(1)表示的第二锂复合氧化物，其中，所述第二锂复合氧化物的每单位体积的相对于锂金属的充电容量大于所述第一锂复合氧化物，Li1+a(NibM1cM21-b-c)1.5-0.5aO2…(1)其中，M1表示选自长周期型元素周期表中除了硼和碳和氮之外的第13族至第15族的元素中的至少一种，M2表示选自第3族至第12族的元素中的至少一种，并且a、b和c满足0.95≤a≤1.05、0<b≤0.99和0<c≤0.15的关系，在所述第一锂复合氧化物中每单位体积的充电容量为800mAh/cm3至1000mAh/cm3，而在所述第二锂复合氧化物的基础材料Li2NiO2中每...

【专利技术属性】
技术研发人员：濑上正晴，川濑贤一，广濑贵一，井原将之，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：