JP7822984B2 - Active material, electrode, secondary battery, battery pack, and vehicle - Google Patents
Active material, electrode, secondary battery, battery pack, and vehicleInfo
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Description
本発明の実施形態は、活物質、電極、二次電池、電池パック、及び車両に関する。 Embodiments of the present invention relate to active materials, electrodes, secondary batteries, battery packs, and vehicles.
近年、高エネルギー密度電池として、リチウムイオン二次電池や非水電解質二次電池などの二次電池の研究開発が盛んに進められている。二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両用電源、又は携帯電話基地局の無停電電源用などの電源として期待されている。そのため、二次電池にはエネルギー密度に加え、急速充放電性能や長期信頼性などといった他の性能に優れることも要求されている。 In recent years, research and development of high-energy density secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries and non-aqueous electrolyte secondary batteries, has been actively pursued. Secondary batteries are expected to be used as power sources for vehicles such as hybrid and electric vehicles, as well as for uninterruptible power supplies in mobile phone base stations. Therefore, in addition to energy density, secondary batteries are also required to have excellent performance in other areas, such as rapid charge/discharge capability and long-term reliability.
一般的なリチウムイオン電池の負極としては、黒鉛などの炭素質物を活物質として用いたカーボン系負極が挙げられる。カーボン系負極を用いた電池は、急速充放電を繰り返すと、電極上に金属リチウムのデンドライト析出が生じ、内部短絡による発熱や発火の虞があった。そこで、炭素質物の代わりに金属複合酸化物を負極に用いることで、負極作動電位を高めた電池が開発された。例えば、スピネル型リチウムチタン複合酸化物Li4Ti5O12を負極に用いた電池は、平均作動電位が1.55V(vs.Li/Li+)と高いことからLiデンドライトの析出が進行しないために安定的な急速充放電が可能であり、かつ電解液の還元副反応が生じにくい電位で作動するためにカーボン系負極を用いた電池と比較して寿命も長い。しかし、Li4Ti5O12を負極に用いた電池では、活物質材料の理論容量は175 mAh/gと低く、カーボン系負極を備えた電池と比較してエネルギー密度が低いという課題があった。 Typical lithium-ion battery anodes include carbon-based anodes, which use carbonaceous materials such as graphite as the active material. Repeated rapid charge/discharge cycles of batteries using carbon-based anodes can lead to the formation of metallic lithium dendrites on the electrode, potentially resulting in internal short circuits and fires. Therefore, batteries with higher anode operating potentials have been developed by replacing carbonaceous materials with metal composite oxides. For example, batteries using spinel-type lithium-titanium composite oxide ( Li4Ti5O12 ) as anodes have a high average operating potential of 1.55 V (vs. Li / Li + ), which prevents the formation of lithium dendrites, enabling stable rapid charge/discharge. Furthermore , they operate at potentials where electrolyte reduction side reactions are unlikely to occur, resulting in longer lifespans compared to batteries using carbon-based anodes . However, batteries using Li4Ti5O12 as anodes have a low theoretical capacity of 175 mAh/g, resulting in lower energy density compared to batteries with carbon-based anodes.
そこで、単斜晶型ニオブチタン酸化物TiNb2O7が検討されている。リチウムの酸化-還元電位を基準として1V(vs.Li/Li+)近傍に作動電位を有しながらも高容量を示す活物質材料である。このために、体積エネルギー密度についてカーボン系負極を超えるエネルギー密度を得ることが期待される。しかしながら、電動車両を本格普及させるためには航続距離の向上などの観点からリチウムイオン二次電池のエネルギー密度は今後さらに高めていくことが望まれており、さらに高容量な急速充電電池を開発することが望まれている。 Therefore, monoclinic niobium titanium oxide TiNb 2 O 7 is being investigated. It is an active material that exhibits high capacity while having an operating potential of approximately 1 V (vs. Li/Li + ) based on the oxidation-reduction potential of lithium. Therefore, it is expected to achieve a volumetric energy density that exceeds that of carbon-based anodes. However, in order to fully popularize electric vehicles, it is desirable to further increase the energy density of lithium-ion secondary batteries from the perspective of improving driving range, and there is a need to develop even higher-capacity, fast-charging batteries.
実施形態の目的は、高容量な二次電池を実現できる活物質および電極、高容量な二次電池および電池パック、並びに該電池パックを搭載した車両を提供することである。 The purpose of the embodiments is to provide active materials and electrodes that can realize high-capacity secondary batteries, high-capacity secondary batteries and battery packs, and vehicles equipped with such battery packs.
実施形態によれば、大きさが異なる複数の酸化レニウム型ブロックを含み、且つ、該酸化レニウム型ブロックは少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている構造を含んだ複合酸化物を含む活物質が提供される。酸化レニウム型ブロックは、酸素と金属元素で構成される八面体構造を含み、且つ、八面体構造の頂点共有で構成される。複合酸化物は、一般式LiaMbNbMocOdで表される。ここで、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上であり、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50,である。 According to an embodiment, an active material is provided that includes a composite oxide having a structure in which a plurality of rhenium oxide type blocks of different sizes are connected aperiodically at least by octahedral edge-sharing. The rhenium oxide type blocks include an octahedral structure composed of oxygen and a metal element, and are configured by corner-sharing of the octahedral structure. The composite oxide is represented by the general formula LiaMbNbMocOd , where M is any one or more selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y, and Si, and 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50.
他の実施形態によれば、上記活物質を含む電極が提供される。 According to another embodiment, an electrode containing the above-described active material is provided.
さらに他の実施形態によれば、正極と負極と電解質とを具備する二次電池が提供される。正極または負極は、上記の電極である。 According to yet another embodiment, a secondary battery is provided comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The positive electrode or the negative electrode is the electrode described above.
ことさら他の実施形態によれば、上記二次電池を具備する電池パックが提供される。 According to yet another embodiment, a battery pack including the above-described secondary battery is provided.
また、実施形態によれば、上記電池パックを具備する車両が提供される。 Furthermore, according to an embodiment, a vehicle equipped with the above-mentioned battery pack is provided.
高容量材料を得るためには、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)挿入時の電荷補償量の大きな材料を選定することが望ましい。このために、さらに高容量な化合物として、例えば、6価の元素であるモリブデン元素(Mo)を含んだ複合酸化物が採用され得る。しかし、モリブデン-ニオブ複合酸化物材料としては、モリブデン含有比の多いものについて電池材料の報告は見られない。 To obtain a high-capacity material, it is desirable to select a material that has a large amount of charge compensation when carrier ions (e.g., lithium ions) are inserted. For this reason, a composite oxide containing molybdenum (Mo), a hexavalent element, can be used as an even higher-capacity compound. However, there have been no reports of molybdenum-niobium composite oxide materials with a high molybdenum content being used as battery materials.
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一または類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図は実施形態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点があるが、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。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following description, components that perform the same or similar functions will be given the same reference numerals throughout the drawings, and duplicate explanations will be omitted. Note that each figure is a schematic diagram intended to explain and facilitate understanding of the embodiments, and while the shapes, dimensions, ratios, etc. may differ from those of the actual device, these can be modified as appropriate in light of the following description and known technology.
(第1の実施形態)
第1の実施形態によると、大きさが異なる複数の酸化レニウム型ブロックを含む構造を含んだ複合酸化物を含む活物質が提供される。酸化レニウム型ブロックは、少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている。酸化レニウム型ブロックは、酸素と金属元素で構成される八面体構造を含んでいる。また、酸化レニウム型ブロックは、八面体構造が頂点共有で構成する。上記複合酸化物は、一般式LiaMbNbMocOdで表される。一般式において、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される少なくとも一つである。式中の各添字は、それぞれ0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50を満たす。
また、上記添字bは、0≦b≦1.4の範囲内にあり得る。
(First embodiment)
According to a first embodiment, an active material is provided that includes a composite oxide having a structure including multiple rhenium oxide blocks of different sizes. The rhenium oxide blocks are connected aperiodically at least by octahedral edge-sharing. The rhenium oxide blocks include an octahedral structure composed of oxygen and a metal element. The octahedral structure is also configured by corner-sharing. The composite oxide is represented by the general formula LiaMbNbMocOd . In the general formula, M is at least one selected from the group consisting of Ti, V , Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al , Ca, Y, and Si. The subscripts in the formula satisfy the following conditions: 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50, respectively.
Furthermore, the subscript b may be in the range of 0≦b≦1.4.
係る活物質は、電池用活物質であり得る。該活物質は、例えば、リチウムイオン電池や非水電解質電池等の二次電池の電極に用いられる電極活物質であり得る。より具体的には、活物質は、例えば、二次電池の負極に用いられる負極活物質であり得る。 The active material may be a battery active material. For example, the active material may be an electrode active material used in the electrodes of secondary batteries such as lithium-ion batteries and nonaqueous electrolyte batteries. More specifically, the active material may be, for example, a negative electrode active material used in the negative electrode of a secondary battery.
上記一般式LiaMbNbMocOd(元素M及び各添字は上述したとおり;以下、略)で表され、上述した酸化レニウム型のブロック構造を含む構造を有する複合酸化物を電極活物質として用いることで、高容量な二次電池を実現できる。 A high-capacity secondary battery can be realized by using a composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d (the element M and each subscript are as described above; hereinafter omitted) and having a structure including the above-mentioned rhenium oxide-type block structure as an electrode active material.
<結晶構造>
第1の実施形態に係る活物質が含む複合酸化物は、ニオブを含む酸化物材料における結晶相であるWadsley-Roth相の構造を有する酸化物材料の一部に対応する。Wadsley-Roth相は、組成中の酸素Oと金属元素Mとの比について、酸素の原子数及び金属元素の原子数をそれぞれAO及びAMとして、2.33≦AO/AM≦2.65の範囲で結晶構造を取ることが報告されている。例えば、TiNb2O7の場合にはAO/AM=2.33の還元側の結晶構造となる。
<Crystal structure>
The composite oxide contained in the active material according to the first embodiment corresponds to a part of oxide materials having a Wadsley-Roth phase structure, which is a crystalline phase in oxide materials containing niobium. It has been reported that the Wadsley-Roth phase has a crystalline structure in the range of 2.33≦ AO / AM ≦2.65, where AO and AM are the number of oxygen atoms and the number of metal element atoms, respectively. For example, TiNb2O7 has a crystalline structure on the reduction side , where AO / AM = 2.33.
ここで、還元とは構造内の酸素の割合が低いことを意味する。Wadsley-Roth相は酸素‐金属の八面体の頂点共有構造が酸化レニウム型のブロック構造を形成し、ブロックが八面体の菱を共有するか、あるいは四面体が間に入り頂点共有することにより酸化レニウム型のブロック(ReO3型ブロック)が二次元方向に接続するような結晶構造を取る。還元側の結晶構造は、酸化レニウム型のブロックのサイズが小さい構造を取る。酸化レニウム型の結晶構造はLiを多く挿入できる空隙を有しているものの、対称性の高い結晶構造のためにLiが挿入した際に電荷反発を解消するために金属元素と酸素元素の結合長が変化することが難しい。このため酸化レニウム型の結晶構造は、Li挿入した時の電荷反発によりLi挿入が制約される構造と言える。ここで、還元側の結晶構造とすることはAO/AMが小さくなることから構造内の酸素数が減少するため酸化レニウム型のブロックのサイズが小さくなる。この結果、Liが挿入したときに金属元素と酸素元素の結合長の変化による体積膨張が可能な結晶構造になり得る。このために酸化レニウム型の結晶構造を含むことで広い空隙を有しながらも、Liが挿入した時の構造変化にも制約がないために多くのLi挿入が達成できる。 Here, "reduced" refers to a low proportion of oxygen within the structure. The Wadsley-Roth phase is a crystal structure in which the corner-sharing structures of oxygen-metal octahedra form rhenium oxide-type block structures, with the blocks sharing rhombohedrons or tetrahedrons interposing and sharing corners, resulting in two-dimensional connections between the rhenium oxide-type blocks ( ReO3 -type blocks). The reduced crystal structure has small rhenium oxide-type blocks. Although the rhenium oxide-type crystal structure has voids that can accommodate large amounts of Li, its highly symmetric structure makes it difficult for the bond length between the metal and oxygen elements to change to resolve charge repulsion upon Li insertion. Therefore, the charge repulsion upon Li insertion restricts Li insertion. Here, the reduced crystal structure reduces the A0 / A0M ratio, thereby reducing the number of oxygen atoms in the structure and reducing the size of the rhenium oxide-type blocks. As a result, the crystal structure can expand in volume due to the change in bond length between the metal and oxygen elements upon Li insertion. For this reason, the inclusion of a rhenium oxide-type crystal structure allows for a large gap, but there are no restrictions on the structural changes that occur when Li is inserted, allowing for a large amount of Li insertion.
第1の実施形態に係る活物質が含む複合酸化物についても、TiNb2O7のように還元側の結晶構造を取ることにより、結晶構造内により多くリチウム(Li)を挿入することが可能となり、可逆容量が大きな結晶構造が得られている。つまり、係る複合酸化物の結晶構造は、ニオブに加えモリブデン及び金属元素Mを含んだ三元素からなるWadsley-Roth相に属する、還元側の結晶構造である。 The composite oxide contained in the active material according to the first embodiment also has a reduced crystal structure like TiNb 2 O 7 , which allows more lithium (Li) to be inserted into the crystal structure, resulting in a crystal structure with a large reversible capacity. In other words, the crystal structure of this composite oxide is a reduced crystal structure belonging to the Wadsley-Roth phase consisting of three elements including niobium, molybdenum, and the metal element M.
一般式LiaMbNbMocOdで表される複合酸化物が含み得る結晶構造の一例の模式図を図1に示す。この例は、構成元素として含まれる金属元素Mの原子数AMに対する酸素Oの原子数AOの比が、AO/AM=2.50となる結晶構造である。図1では、該結晶構造をc軸方向に沿って見た[001]方向の単位格子について示す。結晶構造の空間群表記はI-4に属し、空間群番号は82で帰属される。ここでいう空間群とは、International Tables for Crystallography(非特許文献3)、具体的には、当該資料のVol.A: Space-group symmetry(第2オンライン版(2016);ISBN: 978-0-470-97423-0、 doi: 10.1107/97809553602060000114)の内容に対応する。但し、空間群はP4(空間群番号75)、I4(空間群番号79)、P-4(空間群番号81)、P42/n(空間群番号86)、I4/m(空間群番号87)、P4nc (空間群番号104)、P-421c(空間群番号114)、P-4n2(空間群番号118)といったI-4(空間群番号82)に類似した四回対称軸もしくは四回反軸を有する単純立方格子による帰属で説明することも可能であり、組成比の調整によって量論組成比からずれたり、異相との混在があることで構造に歪みが生じた場合には変化することがあり得る。結晶構造10内には金属元素18と酸素元素19とでそれぞれ構成される八面体10a及び四面体10bが含まれる。八面体10aは、頂点共有で互いに結ばれて酸化レニウム型のブロック(ReO3型ブロック)を構成する。ブロックのサイズは、八面体10aが3個×3個=9個となる。酸化レニウム型の九連ブロックは八面体10aの稜を共有するか、四面体10bの頂点を共有することによってa軸方向およびb軸方向に平面を形成する。この9個の八面体10aを含む平面が、c軸側にも八面体稜共有あるいは四面体頂点共有によって複数結ばれることにより、結晶構造が構成される。 Figure 1 shows a schematic diagram of an example of a crystal structure that a composite oxide represented by the general formula LiaMbNbMocOd may contain . In this example, the ratio of the number of oxygen O atoms, A0 , to the number of metal element M atoms , A1 , is 2.50. Figure 1 shows the crystal structure in a unit cell in the [001] direction as viewed along the c-axis. The space group notation for the crystal structure belongs to I - 4, and the space group number assigned is 82. The space group referred to here corresponds to the contents of the International Tables for Crystallography (Non-Patent Document 3), specifically, Vol. A: Space-group symmetry (Second Online Edition (2016); ISBN: 978-0-470-97423-0, doi: 10.1107/97809553602060000114). However, the space group can also be explained by assignment to a simple cubic lattice with a four-fold symmetry axis or four-fold anti-axis similar to I - 4 (space group number 82), such as P4 (space group number 75), I4 (space group number 79), P - 4 (space group number 81), P42 / n (space group number 86), I4 / m (space group number 87), P4nc (space group number 104), P-421c (space group number 114), or P-4n2 (space group number 118). This may change if the stoichiometric composition is deviated by adjusting the composition ratio or if the structure is distorted due to the presence of a different phase. Crystal structure 10 contains octahedra 10a and tetrahedra 10b, each composed of metal element 18 and oxygen element 19. The octahedra 10a are connected to each other by corner-sharing to form rhenium oxide-type blocks (ReO3 - type blocks). The size of the block is 3 x 3 = 9 octahedra 10a. The nine-unit rhenium oxide block forms planes in the a-axis and b-axis directions by sharing the edges of the octahedra 10a or the vertices of the tetrahedra 10b. A crystal structure is formed by connecting multiple planes including these nine octahedra 10a on the c-axis side by octahedral edge sharing or tetrahedral vertex sharing.
一般式LiaMbNbMocOdで表される複合酸化物が含み得る結晶構造の他の例の模式図を、図2に示す。図2はReO3ブロックの積層方向より見た構造を示している。太線で囲ったReO3ブロック(例えば、ブロック15a)と細線でのみ示すReO3ブロック(例えば、ブロック15d)とは、金属元素18が配置される平面が異なる。この例は、構造の周期性を持たないことを特徴とする。サイズの異なるブロックがWadsley-Roth相の配列方式に従って接続し存在する。ブロックの一辺は、小さいものでは2個、大きいものでは6個である。例えば、ブロック15aは3個×3個の八面体11aから成り、ブロック15bは2個×3個の八面体11aから成り、ブロック15cは2個×4個の八面体11aから成り、ブロック15dは2個×2個の八面体11aから成り、ブロック15eは3個×6個の八面体11aから成り、ブロック15fは5個×3個の八面体11aから成り、ブロック15gは4個×4個の八面体11aから成る。これらのサイズは元素M、Nb、Moの混在状態による金属/酸素比に応じ自在に調整が可能であり、限定されるものではない。大多数が八面体稜共有17で接続されるが、四面体11bによる四面体頂点共有も一部に含み得る。図1と比較して四面体が少なくなっており、四面体の頂点接続が八面体の稜接続へ置き代わることにより、八面体稜共有の数が増えるので八面体格子歪みが増加する。八面体の格子歪みが大きいことでLi挿入時の結合長の変化による構造緩和が容易となり、Li挿入量を増やすことが可能となる。さらに、八面体稜共有が周期構造を持たずに含まれるために、Li挿入量を増やした状態においても骨格の非対称性が維持される。そのため、図2の結晶構造では、図1の結晶構造よりも可逆容量がさらに向上されている。このため図2の結晶構造を活物質中に含むことによって、容量を向上させることが可能となる。 Figure 2 shows a schematic diagram of another example of a crystal structure that a composite oxide represented by the general formula LiaMbNbMocOd may contain. Figure 2 shows the structure viewed from the stacking direction of the ReO3 blocks. The ReO3 blocks enclosed by thick lines (e.g., block 15a) and the ReO3 blocks indicated only by thin lines (e.g., block 15d) differ in the plane on which the metal elements 18 are arranged. This example is characterized by the absence of structural periodicity. Blocks of different sizes are connected according to the Wadsley-Roth phase arrangement. The smallest blocks have two sides, while the largest have six sides. For example, block 15a consists of 3 x 3 octahedrons 11a, block 15b consists of 2 x 3 octahedrons 11a, block 15c consists of 2 x 4 octahedrons 11a, block 15d consists of 2 x 2 octahedrons 11a, block 15e consists of 3 x 6 octahedrons 11a, block 15f consists of 5 x 3 octahedrons 11a, and block 15g consists of 4 x 4 octahedrons 11a. These sizes can be freely adjusted depending on the metal/oxygen ratio resulting from the mixed state of the elements M, Nb, and Mo, and are not limited thereto. The majority are connected by octahedral edge-sharing 17, but some may also include tetrahedral vertex-sharing by tetrahedra 11b. Compared to Figure 1, there are fewer tetrahedra, and as tetrahedral vertex connections are replaced by octahedral edge connections, the number of octahedral edge-sharing increases, resulting in increased octahedral lattice distortion. The large lattice distortion of the octahedron facilitates structural relaxation due to changes in bond length during Li insertion, making it possible to increase the amount of Li insertion. Furthermore, because the octahedral edge-sharing is included without a periodic structure, the asymmetry of the framework is maintained even when the amount of Li insertion is increased. Therefore, the crystal structure in Figure 2 has an even higher reversible capacity than the crystal structure in Figure 1. Therefore, by incorporating the crystal structure in Figure 2 into the active material, it is possible to improve the capacity.
図2の結晶構造では、組成比の変化によって変化する金属/酸素の比率をReO3型ブロックのサイズと八面体稜共有や四面体頂点共有の接続数の変化によって調整することが可能である。このため、酸素/金属の比率を組成比によって変更することが可能であり、一般式LiaMbNbMocOdの組成範囲内で自由に調整することが可能である。 In the crystal structure shown in Figure 2, the metal/oxygen ratio, which changes with the composition ratio, can be adjusted by changing the size of the ReO3 -type block and the number of octahedral edge-sharing or tetrahedral vertex-sharing connections. Therefore, the oxygen/metal ratio can be changed by the composition ratio, and can be freely adjusted within the composition range of the general formula LiaMbNbMocOd .
モリブデン元素(Mo)は、6価だけではなく4価あるいは5価の状態でも結晶構造に取り入れることができる。Moの価数は、図1或いは図2に示した結晶構造中のMo元素以外の金属元素の混在量と酸素量に応じて、電荷バランスを調整する形で決定される。6価の元素では、Ti等のM元素とのLi挿入時の電荷補償が3電子反応となることから、挿入可能なLiの理論容量を高めることができる。4価あるいは5価の状態の元素は、Mo元素のdバンドに電子が供給される形で結晶構造内に配置される。そのため、4価あるいは5価のMo元素を含むことで導電性を変化させて電池性能を向上させることができる。モリブデンを含むWadsley-Roth相は作動電位が高くなる(貴になる)ことが知られている。チタン及びニオブを含有する酸化物同士で比較するならば、例えば、第1の実施形態に係る一態様であるチタン-ニオブ-モリブデン複合酸化物では、モリブデン元素を高濃度で含んだ結晶構造を有することにより、作動電位をTiNb2O7よりも高めることができる。そのことから、作動電位が電解液の還元副反応の少ない電位領域となるために、高い寿命性能を発揮できる。 Molybdenum (Mo) can be incorporated into the crystal structure not only in a hexavalent state but also in a tetravalent or pentavalent state. The valence of Mo is determined by adjusting the charge balance depending on the amount of metal elements other than Mo and the amount of oxygen in the crystal structure shown in Figure 1 or Figure 2. With a hexavalent element, charge compensation during Li insertion with an M element such as Ti is a three-electron reaction, thereby increasing the theoretical capacity of Li that can be inserted. Elements in a tetravalent or pentavalent state are arranged in the crystal structure by supplying electrons to the d band of the Mo element. Therefore, the inclusion of a tetravalent or pentavalent Mo element can change the conductivity and improve battery performance. Wadsley-Roth phases containing molybdenum are known to have a higher operating potential (become noble). Comparing oxides containing titanium and niobium, for example, the titanium-niobium-molybdenum composite oxide, which is one aspect of the first embodiment, has a crystal structure containing a high concentration of molybdenum, thereby enabling a higher operating potential than TiNb2O7 . As a result, the operating potential is in a potential range where there is little reduction side reaction of the electrolyte, and therefore a long life performance can be achieved.
Moの価数は、図1或いは図2の結晶構造と、酸素量と金属元素のバランスから見積もられる価数よりも高い状態で結晶構造内に含まれることがあり得る。この場合、電荷バランスを調整するために、カチオン空孔を結晶構造内が形成され構造内に含まれていると推定される。カチオン空孔を構造内に含めることによって活物質の電子導電性が改善され、それによって電池性能を向上させることができる。一方で、カチオン空孔にはLiを構造内に局所的に捕捉する効果があることから、多すぎるカチオン空孔は固体内のLi移動が阻害されるという観点で好ましくない。 The valence of Mo may be higher within the crystal structure than the valence estimated from the crystal structure in Figure 1 or Figure 2 and the balance between the amount of oxygen and the metal element. In this case, it is presumed that cation vacancies are formed within the crystal structure and included within the structure to adjust the charge balance. By including cation vacancies within the structure, the electronic conductivity of the active material is improved, thereby improving battery performance. On the other hand, because cation vacancies have the effect of locally capturing Li within the structure, excessive cation vacancies are undesirable from the perspective of inhibiting Li migration within the solid.
また、係る活物質では、Mo元素の量を理想的な組成から少なく設定することによって、酸素欠損を形成することも可能である。酸素欠損を形成させることで活物質の電子導電性が向上し、それによって電池性能を向上させることができる。一方で多すぎる酸素欠損量は、Liの電荷反発を引き起こす。そのため多すぎる酸素欠損量は、Liの移動を阻害することから好ましくない。 In addition, in such active materials, it is possible to create oxygen vacancies by reducing the amount of Mo element from the ideal composition. Creating oxygen vacancies improves the electronic conductivity of the active material, thereby improving battery performance. On the other hand, too many oxygen vacancies cause charge repulsion of Li. Therefore, too many oxygen vacancies are undesirable because they inhibit the mobility of Li.
一般式LiaMbNbMocOdにおいて、添字dにはカチオン空孔及び酸素空孔の量が反映されている。 In the general formula Li a M b NbMo c O d , the subscript d reflects the amount of cation vacancies and oxygen vacancies.
図2で示した様な構造は、後述する走査透過電子顕微鏡を用いた高角環状暗視野法による観察で確認することができる。また、複合酸化物に含まれる、図1及び図2にそれぞれ示した結晶構造の組成の状態については、Cu-Kα線源を用いた粉末X線回折の回折図(回折スペクトル)に基づいて見積もることができる。Cu-Kα線源を用いた粉末X線回折による回折スペクトルにおいて、2θ=25.05±0.25°の範囲内に現れる最強度ピークP1のピーク強度I1と、2θ=24.00±0.2°の範囲内に現れる最強度ピークP2のピーク強度I2との強度比には、複合酸化物における図1の結晶構造と図2の結晶構造の混在の程度が表れる。 The structure shown in Figure 2 can be confirmed by observation using a scanning transmission electron microscope with a high-angle annular dark-field method, as described below. Furthermore, the compositional state of the crystalline structures contained in the complex oxides shown in Figures 1 and 2 can be estimated based on the diffraction pattern (diffraction spectrum) of powder X-ray diffraction using a Cu-Kα radiation source. In the diffraction spectrum of powder X-ray diffraction using a Cu-Kα radiation source, the intensity ratio between the peak intensity I1 of the most intense peak P1, which appears within the range of 2θ = 25.05 ± 0.25°, and the peak intensity I2 of the most intense peak P2, which appears within the range of 2θ = 24.00 ± 0.2°, indicates the degree to which the crystalline structure of Figure 1 and the crystalline structure of Figure 2 are mixed in the complex oxide.
ピークP2の位置は、図1及び図2それぞれの結晶構造の間で積層軸方向長さに大きな違いが無いことから大きく変化せず、ピークの位置が重なるために見かけ上一つのピークで存在するように見える。一方、図1の構造についてのメインピークは2θ=25.4±0.10の位置に現れ(420)面に帰属されるが、結晶構造の変化によって図2の構造ではReO3ブロックの平面方向に沿った見かけの平均周期によるメインピーク位置が低角方向に変化する。I1/I2≦0.1である場合は、複合酸化物の結晶構造は主に図1の構造で構成されていることを意味する。I1/I2>0.1である場合は、少なくとも一部の結晶構造が図2の結晶構造に変化していることを意味する。また、I1/I2≧1である場合は、複合酸化物の結晶構造の大部分を図2の構造が占める状態に在り得る。 The position of peak P2 does not change significantly between the crystal structures shown in Figures 1 and 2 because there is no significant difference in the length along the stacking axis. Because the peak positions overlap, it appears as if there is a single peak. Meanwhile, the main peak for the structure shown in Figure 1 appears at 2θ = 25.4 ± 0.10 and is assigned to the (420) plane. However, due to changes in the crystal structure, the main peak position, due to the apparent average period along the planar direction of the ReO3 blocks, shifts toward lower angles in the structure shown in Figure 2. When I1/I2 ≦ 0.1, the crystal structure of the composite oxide is primarily composed of the structure shown in Figure 1. When I1/I2 > 0.1, at least a portion of the crystal structure has changed to the crystal structure shown in Figure 2. Furthermore, when I1/I2 ≧ 1, the structure shown in Figure 2 may occupy the majority of the crystal structure of the composite oxide.
一般式LiaMbNbMocOdで表される複合酸化物は、金属元素としてNb元素およびMo元素に加え、それらと異なる元素Mをさらに含むことができる。図2における構造は電荷補償による酸素/金属の組成比の変化をReO3型ブロックのサイズの変化と接続部の八面体稜共有及び四面体頂点共有の変化によって構造を維持出来る。Mo元素は、構造中の価数を4価から6価の範囲で調整して構造内に含めることが可能である。また、係る活物質は、上述したとおり酸素欠損やカチオン空孔を構造内に作ることも容易である。このため、構造中の電荷バランスの調整の自由度が高く、それにより元素Mについては自由に選択することが可能である。M元素としては、Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y, Zr 及びSiから成る群より少なくとも1つを選択することができる。上記一般式にて、添字bは、例えば、0<bを満たし得る。 A composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d can contain, in addition to the metal elements Nb and Mo, a different element M. The structure shown in Figure 2 can maintain the oxygen/metal composition ratio due to charge compensation by changing the size of the ReO 3 -type blocks and by varying the octahedral edge-sharing and tetrahedral corner-sharing at the connecting portions. The valence of Mo can be adjusted from tetravalent to hexavalent and incorporated into the structure. Furthermore, as mentioned above, such active materials can easily create oxygen vacancies and cation vacancies within the structure. This allows for a high degree of freedom in adjusting the charge balance within the structure, allowing for the free selection of element M. The element M can be at least one selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y, Zr, and Si. In the above general formula, the subscript b can, for example, satisfy the condition 0<b.
上記M元素は、例えば、上述した四面体や八面体を構成する金属元素として結晶構造内に含まれ得る。また、M元素は、複合酸化物の結晶構造には含まれない形態で活物質中に存在し得る。 The M element may be included in the crystal structure, for example, as a metal element constituting the tetrahedron or octahedron described above. The M element may also exist in the active material in a form that is not included in the crystal structure of the composite oxide.
例えばバナジウム(V)及びリン(P)の元素は、5価元素として結晶構造内に含めることが可能である。チタン(Ti)、ジルコニア(Zr)、及びシリコン(Si)は、4価の元素として構造内に含めることが可能である。鉄(Fe)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb),ホウ素(B)、ヒ素(As)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、及びイットリウム(Y)は、3価の元素として結晶構造内に取りこむことができる。マグネシウム(Mg)及びカルシウム(Ca)は、2価の元素として結晶構造内に取りこむことができる。カリウム(K)及びナトリウム(Na)は、1価の元素として結晶構造内に取りこむことができる。これらの元素のうち、4価の元素は3価以下の元素よりも電荷が高いために、構造内の酸素/金属比を低下させずに多く含めることが可能であり、構造内のMo比率を高めることが可能であることから好ましい。特に、チタン(Ti)元素は最も構造内に多く含めることが可能な元素であり、イオン半径が5価のNb元素に近いことから構造内に取り入れやすく、M元素の中で最も好ましい。 For example, vanadium (V) and phosphorus (P) can be incorporated into the crystal structure as pentavalent elements. Titanium (Ti), zirconia (Zr), and silicon (Si) can be incorporated into the structure as tetravalent elements. Iron (Fe), chromium (Cr), aluminum (Al), bismuth (Bi), antimony (Sb), boron (B), arsenic (As), cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), and yttrium (Y) can be incorporated into the crystal structure as trivalent elements. Magnesium (Mg) and calcium (Ca) can be incorporated into the crystal structure as divalent elements. Potassium (K) and sodium (Na) can be incorporated into the crystal structure as monovalent elements. Of these elements, tetravalent elements are preferred because they have a higher charge than elements with a valence of less than three, allowing for greater inclusion without decreasing the oxygen/metal ratio within the structure and increasing the Mo ratio within the structure. In particular, titanium (Ti) is the element that can be included in the largest amount within the structure, and because its ionic radius is similar to that of pentavalent Nb, it is easy to incorporate into the structure, making it the most preferable of the M elements.
タンタル(Ta)は、5価の元素としてNb元素を置き換えることが可能である。Ta及びNbは周期表上で同族の元素に該当することから、物理的及び化学的な性質が類似している。そのため、NbをTaで置換しても同等の電池性能を得ることが可能である。 Tantalum (Ta), as a pentavalent element, can replace Nb. Ta and Nb are in the same group on the periodic table, and therefore have similar physical and chemical properties. Therefore, equivalent battery performance can be achieved even when Nb is replaced with Ta.
タングステン(W)は、6価の元素としてMo元素の一部を置き換えることが可能である。一般に、Wを含有するWadsley-Roth相は固体内Li拡散速度が速いことから、レート性能が高いことが知られている。従って、Wを含むことは、活物質のレート性能をさらに高めることが可能とされる。 Tungsten (W) is a hexavalent element that can partially replace Mo. Generally, Wadsley-Roth phases containing W are known to have high rate performance due to the fast Li diffusion rate within the solid. Therefore, the inclusion of W can further improve the rate performance of the active material.
<活物質粒子>
第1の実施形態に係る活物質は、例えば、粒子の形態を取り得る。即ち、係る活物質は、一般式LiaMbNbMocOdで表され、上述した結晶構造を含む複合酸化物の粒子からなり得る。活物質は、単独の一次粒子、複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子、又はこれらの混合物であり得る。
<Active material particles>
The active material according to the first embodiment may be in the form of particles. That is, the active material may be composed of particles of a composite oxide represented by the general formula Li a M b Nb Mo c O d and having the above-described crystal structure. The active material may be a single primary particle, a secondary particle formed by agglomeration of a plurality of primary particles, or a mixture thereof.
係る活物質の平均一次粒子径は、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることが更に好ましい。活物質の平均一次粒子径が小さいと、一次粒子内でのリチウムイオンの拡散距離が短いため、リチウムイオン拡散性が高まる傾向にある。また、活物質の平均一次粒子径が小さいと、反応面積が増加するため、活物質とリチウムイオンとの反応性が高まり、リチウムイオン挿入脱離反応が向上する傾向にある。 The average primary particle diameter of such active material is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. When the average primary particle diameter of the active material is small, the diffusion distance of lithium ions within the primary particles is short, which tends to increase lithium ion diffusibility. Furthermore, when the average primary particle diameter of the active material is small, the reaction area increases, which increases the reactivity between the active material and lithium ions and tends to improve the lithium ion insertion/extraction reaction.
係る活物質の平均二次粒子径は、1μm以上50μm以下であることが好ましい。活物質の平均二次粒子径をこの範囲にすることにより、電極製造時の生産性を向上させると共に、良好な性能の電池を得ることができる。この平均二次粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求めた粒度分布において、体積積算値が50%となる粒径を意味している。 The average secondary particle diameter of such active material is preferably 1 μm or more and 50 μm or less. By keeping the average secondary particle diameter of the active material within this range, productivity during electrode production can be improved and batteries with good performance can be obtained. This average secondary particle diameter refers to the particle size at which the volume cumulative value is 50% in the particle size distribution determined using a laser diffraction particle size distribution analyzer.
活物質のBET比表面積は、3.0m2/g以上120m2/g以下であることが望ましく、4.0m2/g以上110m2/g以下であることがより望ましい。比表面積が高い活物質を用いると、電池の放電レート性能を高めることができる。また、比表面積の低い活物質を用いると、電池の寿命性能を向上させることができ、第2の実施形態にて後述する電極の製造工程において、活物質を含むスラリーの塗工性を良好なものにすることができる。 The BET specific surface area of the active material is preferably 3.0 m 2 /g or more and 120 m 2 /g or less, and more preferably 4.0 m 2 /g or more and 110 m 2 /g or less. Using an active material with a high specific surface area can improve the discharge rate performance of the battery. Using an active material with a low specific surface area can improve the battery life performance and improve the coatability of a slurry containing the active material in the electrode manufacturing process described later in the second embodiment.
BET比表面積は、窒素BET(Brunauer, Emmet and Teller)法により求めた比表面積を意味している。この窒素BET法に基づく比表面積を求める方法は、後段にて詳述する。 BET specific surface area refers to the specific surface area determined by the nitrogen BET (Brunauer, Emmet and Teller) method. The method for determining specific surface area based on this nitrogen BET method is described in detail below.
<製造方法>
第1の実施形態に係る活物質は、下記のとおり製造することができる。
<Manufacturing method>
The active material according to the first embodiment can be produced as follows.
(液相合成)
複合酸化物の製造は特に限定されるものではないが、例えば固相反応法、ゾルゲル法、水熱合成法などの方法により合成することができる。この一例としてゾルゲル法を用いたチタン-ニオブ-モリブデン複合酸化物(即ち、元素M=Ti)の製造方法について記載する。
(liquid phase synthesis)
The method for producing the composite oxide is not particularly limited, but it can be synthesized by, for example, a solid-state reaction method, a sol-gel method, a hydrothermal synthesis method, etc. As an example, a method for producing a titanium-niobium-molybdenum composite oxide (i.e., element M=Ti) using the sol-gel method will be described.
出発原料としては、チタン化合物、ニオブ化合物、モリブデン化合物を用いる。チタン化合物としては、例えば、チタンテトライソプロポキシド、硫酸チタニル、塩化チタン、シュウ酸チタンアンモニウム及びその水和物、水酸化チタン、酸化チタンが挙げられる。ニオブ化合物としては、例えば、塩化ニオブ、シュウ酸ニオブアンモニウム及びその水和物、水酸化ニオブ、酸化ニオブが挙げられる。モリブデン化合物としては、例えば、塩化モリブデン、モリブデン酸アンモニウム及びその水和物、水酸化モリブデン、酸化モリブデンが挙げられる。元素MとしてTi以外の元素を選択またはTiと共に他の元素を選択する場合は、選択した元素Mを含有する化合物で上記チタン化合物を適宜置き換えるか併用する。 The starting materials used are titanium compounds, niobium compounds, and molybdenum compounds. Examples of titanium compounds include titanium tetraisopropoxide, titanyl sulfate, titanium chloride, ammonium titanium oxalate and its hydrates, titanium hydroxide, and titanium oxide. Examples of niobium compounds include niobium chloride, ammonium niobium oxalate and its hydrates, niobium hydroxide, and niobium oxide. Examples of molybdenum compounds include molybdenum chloride, ammonium molybdate and its hydrates, molybdenum hydroxide, and molybdenum oxide. When an element other than Ti is selected as element M, or when another element is selected together with Ti, the titanium compound is appropriately replaced with or used in combination with a compound containing the selected element M.
出発原料は、事前に純水、あるいは酸に溶解させて溶解液としておくことが好ましい。溶液化することによって各元素が均質に混合した乾燥ゲルを得ることが可能であるため、反応性を高めることができる。純水に溶解できない場合は、酸を用いて溶解を行う。 It is preferable to dissolve the starting materials in pure water or acid beforehand to create a solution. By creating a solution, it is possible to obtain a dry gel in which each element is homogeneously mixed, thereby increasing reactivity. If the material cannot be dissolved in pure water, it is dissolved using acid.
原料を溶解させるために使用する酸としては、例えば、クエン酸やシュウ酸が挙げられるが、溶解性の観点からシュウ酸を用いることが好ましい。例えばシュウ酸を用いる場合には、0.5M以上1M以下の濃度とすることが好ましい。溶解させる際には、反応時間を短縮するために70℃以上の温度を用いることが好ましい。 Examples of acids used to dissolve the raw materials include citric acid and oxalic acid, but oxalic acid is preferred from the standpoint of solubility. For example, when using oxalic acid, it is preferable to use a concentration of 0.5M to 1M. When dissolving, it is preferable to use a temperature of 70°C or higher to shorten the reaction time.
原料の溶解が難しい場合には、分散液としても反応を進めることができる。この場合の分散液中に含まれる原料の平均粒子径については、3μm以下、より好ましくは1μmであると良い。各化合物について所定の組成比に調整した溶液(又は分散液)を調製した後、溶液を加熱・攪拌させながらアンモニア水溶液による中和を行いpHの調整を行う。pH調整によりゲル液を得る。pHは5以上8以下とすることにより、各原料を均質に含むゲルを形成することが可能であり、これにより焼成時の反応性が良好な乾燥ゲルを取得することができる。 If the raw materials are difficult to dissolve, the reaction can also be carried out as a dispersion. In this case, the average particle size of the raw materials contained in the dispersion should be 3 μm or less, and more preferably 1 μm. After preparing a solution (or dispersion) with the specified composition ratio for each compound, the solution is heated and stirred while being neutralized with an aqueous ammonia solution to adjust the pH. A gel solution is obtained by adjusting the pH. By setting the pH to between 5 and 8, it is possible to form a gel that uniformly contains each raw material, which allows for the production of a dry gel that has good reactivity when fired.
続いて、ゲル液を沸点近傍まで加熱することによって水分を蒸発させてゲル化を進行させる。ゲル化を行った後、さらに水分を蒸発させて乾燥を行うことによって乾燥ゲルを取得する。ゲル化及び乾燥の際は、例えば、溶液全量を蒸発濃縮して乾燥ゲルを得ることができる。溶液全量を蒸発濃縮して製造した乾燥ゲルは、焼成前に粉砕を行うことによって平均粒子径を10μm以下、より好ましくは5μm以下まで小さくすることが好ましい。これにより焼成後の粒子径を小さくすることができる。得られた乾燥ゲルを焼成する。 Next, the gel liquid is heated to near its boiling point to evaporate the water and promote gelation. After gelation, the water is further evaporated and the liquid is dried to obtain a dry gel. During gelation and drying, for example, the entire solution can be evaporated and concentrated to obtain a dry gel. The dried gel produced by evaporating and concentrating the entire solution is preferably crushed before firing to reduce the average particle size to 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. This reduces the particle size after firing. The resulting dry gel is then fired.
溶媒を蒸発させてゲル化及び乾燥ゲルを取得する工程において、噴霧乾燥機を用いることがより好ましい。噴霧によって、微小なゾル溶液の液滴を形成することが可能である。微小な液滴の状態で乾燥させることで、溶媒乾燥時に進行する粒子凝集を防いで乾燥させることが可能であることから、乾燥後の粒子径をより小さくすると共に、粗大粒子を低減させることが可能である。これによって前駆体の焼成時の反応の均質性を高めるとともに、焼成時の粒子の凝集も抑制することが可能である。噴霧乾燥の時の乾燥温度は100℃以上200℃以下であることが好ましい。 It is more preferable to use a spray dryer in the process of evaporating the solvent to gel and obtain a dried gel. Spraying makes it possible to form tiny droplets of the sol solution. By drying in the form of tiny droplets, it is possible to prevent particle agglomeration that occurs during solvent drying, thereby reducing the particle size after drying and reducing the number of coarse particles. This increases the uniformity of the reaction during the precursor calcination and also suppresses particle agglomeration during calcination. The drying temperature during spray drying is preferably between 100°C and 200°C.
乾燥ゲルの焼成にあたって、200℃以上500℃以下、焼成時間1時間以上10時間以下で仮焼成を行う。これによって余分な有機成分を焼失させることが可能であることから、本焼成時の反応性を高めることが可能である。 When baking the dried gel, it is pre-baked at a temperature of 200°C to 500°C for a baking time of 1 hour to 10 hours. This allows excess organic components to be burned off, thereby increasing reactivity during the main baking.
本焼成は、600℃以上、800℃以下の焼成温度とし、焼成時間は1時間以上10時間以下で実施することが好ましい。このような温度範囲で焼成を行うことによって、モリブデンの昇華を抑制しながら、目的の相を取得することが可能である。 The firing temperature is preferably between 600°C and 800°C, and the firing time is preferably between 1 hour and 10 hours. By firing within this temperature range, it is possible to obtain the desired phase while suppressing the sublimation of molybdenum.
焼成後の粉末は凝集体を形成することで平均粒子径が高いことがあり得る。この場合には、粉砕を行うことで所定の平均粒子径を調整することが好ましい。 The powder after firing may form agglomerates, resulting in a high average particle size. In this case, it is preferable to adjust the specified average particle size by pulverizing.
機械的な粉砕を実施した後の粉末は、表面がアモルファス状に変化することがあり得る。この場合は、電池用活物質として用いた時にLi挿入・脱離時の過電圧を発生させることから、副反応を増加させることがあり得る。このため、再度アニール処理を実施することが好ましい。アニール温度は、本焼成温度以下であり、500℃以上800℃以下とすることが好ましい。 After mechanical pulverization, the powder may have an amorphous surface. In this case, when used as a battery active material, overvoltage may be generated during Li insertion and desorption, potentially increasing side reactions. For this reason, it is preferable to perform an annealing treatment again. The annealing temperature should be below the main firing temperature, preferably between 500°C and 800°C.
<各種測定方法>
以下、活物質の測定方法を説明する。具体的には、複合酸化物の確認、活物質粒子の平均粒子径の測定、及び活物質の比表面積の測定を説明する。
<Various measurement methods>
The measurement methods for the active material will be described below. Specifically, the confirmation of the composite oxide, the measurement of the average particle size of the active material particles, and the measurement of the specific surface area of the active material will be described.
電池の電極に含まれている活物質を試料とする場合、以下の方法により前処理を行って、測定試料を準備する。先ず、電池を完全に放電状態とする。次いで、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中で電池を分解し、電極を取り出す。次いで、取り出した電極をエチルメチルカーボネートなどの溶媒を用いて洗浄する。実施する測定ごとにさらに加工を行って、適切な形態の試料を準備する。 When using the active material contained in a battery electrode as a sample, the measurement sample is prepared by pre-treating it using the following method. First, the battery is fully discharged. Next, the battery is disassembled in a glove box under an argon atmosphere, and the electrodes are removed. The removed electrodes are then washed using a solvent such as ethyl methyl carbonate. Further processing is performed for each measurement to prepare a sample in the appropriate form.
(複合酸化物の確認)
活物質が上述した結晶構造を有するとともに一般式LiaMbNbMocOdで表される複合酸化物を含むことの確認は、広角X線回折(XRD)法、高角環状暗視野(High Angle Annular Dark-Field;HAADF)法、並びに誘導結合プラズマ(Inductively coupled plasma:ICP)発光分析法および不活性ガス溶解-赤外線吸収分光法を組合わせることで行うことができる。広角XRD法およびHAADF法により結晶構造を求め、ICP発光分析法および不活性ガス溶解-赤外線吸収分光法により元素組成を求めることができる。また、XRD測定により得られたスペクトルにおいて、上述したメインピークの強度比(I1/I2)を判断することができる。元素の価数測定は、例えば、特性X線を用いる光電子分光法(X-ray photoelectron spectroscopy;XPS)により実施することが可能である。
(Confirmation of complex oxides)
Confirmation that the active material has the above-described crystal structure and contains a composite oxide represented by the general formula LiaMbNbMocOd can be performed by combining wide-angle X-ray diffraction (XRD), high-angle annular dark-field (HAADF), inductively coupled plasma (ICP) optical emission spectroscopy, and inert gas dissolution-infrared absorption spectroscopy. The crystal structure can be determined using wide-angle XRD and HAADF, and the elemental composition can be determined using ICP optical emission spectroscopy and inert gas dissolution-infrared absorption spectroscopy. Furthermore, the intensity ratio (I1/I2) of the above-described main peaks can be determined from the spectrum obtained by XRD measurement. The valence of elements can be measured, for example, by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) using characteristic X-rays.
XRD測定は、次のとおり行う。先ず、活物質粒子を十分に粉砕して、粉末状試料を得る。粉末状試料の平均粒子径は、20μm以下とすることが好ましい。この平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置により求めることができる。 XRD measurements are performed as follows. First, the active material particles are thoroughly pulverized to obtain a powdered sample. The average particle size of the powdered sample is preferably 20 μm or less. This average particle size can be determined using a laser diffraction particle size distribution analyzer.
次いで、この粉末状試料を、ガラス試料板のホルダー部分に充填し、その表面を平坦にする。ガラス試料板としては、例えば、ホルダー部分の深さが0.2mmのものを用いることができる。 Next, fill the holder portion of the glass sample plate with this powdered sample and smooth the surface. For example, a glass sample plate with a holder depth of 0.2 mm can be used.
次いで、このガラス試料板を粉末X線回折装置に設置し、Cu-Kα線を用いてXRDスペクトルを測定する。具体的な測定条件は、例えば、以下のとおりとする:
X線回折装置:株式会社リガク社製 SmartLab
X線源:CuKα線
出力:40kV,200mA
パッケージ測定名称:汎用測定(集中法)
入射並行スリット開口角:5°
入射長手制限スリット長さ:10mm
受光PSA:無し
受光並行スリット開口角:5°
単色化法:Kβフィルター法
測定モード:連続
入射スリット幅:0.5°
受光スリット幅:20mm
測定範囲(2θ):5~70°
サンプリング幅(2θ):0.01°
スキャン速度:1° ~ 20°/分。
Next, the glass sample plate is placed in a powder X-ray diffractometer, and an XRD spectrum is measured using Cu-Kα radiation. Specific measurement conditions are, for example, as follows:
X-ray diffraction equipment: Rigaku Corporation SmartLab
X-ray source: CuKα ray Output: 40 kV, 200 mA
Package measurement name: General purpose measurement (concentration method)
Incident parallel slit aperture angle: 5°
Length of entrance longitudinal limiting slit: 10 mm
Light receiving PSA: None Light receiving parallel slit aperture angle: 5°
Monochromatization method: Kβ filter method Measurement mode: Continuous Entrance slit width: 0.5°
Receiving slit width: 20 mm
Measurement range (2θ): 5 to 70°
Sampling width (2θ): 0.01°
Scan speed: 1° to 20°/min.
このようにして、活物質に係るXRDスペクトルを得る。このXRDスペクトルにおいて、横軸は入射角(2θ)を示し、縦軸は回折強度(cps)を示す。スキャン速度は、XRDスペクトルのメインピークのカウント数が5万カウント以上、15万カウント以下となるような範囲で調整することができる。 In this way, an XRD spectrum of the active material is obtained. In this XRD spectrum, the horizontal axis represents the angle of incidence (2θ) and the vertical axis represents the diffraction intensity (cps). The scan speed can be adjusted so that the count number of the main peak in the XRD spectrum is between 50,000 and 150,000.
電池の電極に含まれている活物質を試料とする場合、上述した前処理を行って得られた洗浄後の電極を、ガラス試料板のホルダーの面積とほぼ同じ面積に切断し、測定試料とする。 When using the active material contained in a battery electrode as a sample, the electrode after cleaning, obtained by the pretreatment described above, is cut into a piece of glass sample plate with an area approximately the same as the holder area, and used as the measurement sample.
次に、得られた測定試料を、ガラスホルダーに直接貼り付け、XRD測定を行う。 The resulting measurement sample is then attached directly to a glass holder and XRD measurement is performed.
XRDスペクトルにおけるピーク強度の導出は下記の方法で実施する。スペクトル上のピーク高さ(Signal=S)とノイズ(Noise=N)との比率(S/N比)は、ピーク強度の算出に影響を与えないように十分に大きくする。バックグラウンドを適当な関数で見積もり除した後、Kα2線に該当するピークを見積もり除する。バックグラウンドは、例えばSonneveld-Visser法、スプライン関数法、バックグラウンド関数法などの方法によって見積もることができる。Kα2線の除去は、Rachinger法、Ladell法によって実施する。処理をしたスペクトルについて、2θ=20°~30°の範囲に含まれるピークを全て特定した後、最小二乗法によるピークフィッティングを実施する。ピーク関数には、例えば、疑フォークト関数を用いる。ピークの算出にあたっては、他に混合される活物質や、導電剤、集電体などの電池部材に由来するピークが重なる場合は、それぞれに該当するピークを排除するように注意する。例えば、集電体、導電剤、及びバインダなど、電極に含まれ得る活物質以外の材料についてXRDを用いて測定し、これらに由来するXRDパターンを把握する。次いで、測定試料において活物質に由来すると考えられるピークと、その他の材料のピークとで重なるピークがある場合、活物質以外の材料のピークを分離する。このようにして活物質が含む結晶構造に係るメインピークを分離したXRDスペクトルを得る。メインピークのピークトップ位置に基づいてピークP1及びP2を判別し、それらのピーク強度比I1/I2を求める。 Peak intensities in XRD spectra are derived using the following method. The ratio of peak height (Signal = S) to noise (Noise = N) on the spectrum (S/N ratio) should be large enough so as not to affect the calculation of peak intensities. After estimating and dividing the background using an appropriate function, the peak corresponding to the Kα2 line is estimated and divided. The background can be estimated using methods such as the Sonneveld-Visser method, spline function method, and background function method. The Kα2 line is removed using the Rachinger method or Ladell method. After identifying all peaks within the 2θ = 20° to 30° range for the processed spectrum, peak fitting using the least-squares method is performed. For example, the pseudo-Voigt function is used as the peak function. When calculating the peaks, care should be taken to eliminate any overlapping peaks from other battery components such as mixed active materials, conductive agents, and current collectors. For example, materials other than the active material that may be contained in the electrode, such as current collectors, conductive agents, and binders, are measured using XRD to determine the XRD patterns derived from these. Next, if there are peaks in the measured sample that are thought to be derived from the active material and peaks from other materials, the peaks from the materials other than the active material are separated. In this way, an XRD spectrum is obtained in which the main peak associated with the crystalline structure of the active material is separated. Peaks P1 and P2 are identified based on the peak top position of the main peak, and their peak intensity ratio I1/I2 is calculated.
測定した試料が含む結晶構造が上述した図1の正方晶型の結晶構造に帰属されるかをさらに厳密に確認するためには、リートベルト法を用いる。解析プログラムとしては、例えばRIETAN-FPを用い、信頼度因子であるRwp値について少なくとも20%以下、より好ましくは15%以下となることを確認することによって確かめることができる。この時、不純物を含むピークが存在し、解析目的とする相と重複する場合には解析精度を悪化させることがあり得る。この場合には、不純物由来のピークと重複することが明瞭な箇所について、解析範囲から除外した解析を行う方法が好ましい。但し、第1の実施形態に係る活物質以外の材料が試料に含まれる場合や、試料の配向性が著しく高い場合、粗大粒子が混在している場合については強度比が変化するためにこの限りでは無く、結晶構造に帰属される全てのピークの位置や相対強度に矛盾が無いことを確認することで構造を確かめる。また、スペクトルの強度が低くてバックグラウンド強度が低い状態にあるとRwp値が小さくなることがあり、信頼度因子はその絶対値に意味を持つものではなく、一定の測定条件においてフィッティングの良さを相対的に判断することに意味を有するものである。 To more precisely confirm whether the crystal structure of the measured sample corresponds to the tetragonal crystal structure shown in Figure 1, the Rietveld method is used. For example, an analysis program such as RIETAN-FP can be used to confirm that the reliability factor, R wp , is at least 20% or less, preferably 15% or less. The presence of peaks containing impurities that overlap with the target phase can degrade the analytical accuracy. In this case, it is preferable to perform an analysis that excludes from the analysis area any areas that clearly overlap with peaks derived from impurities. However, this does not apply when the sample contains materials other than the active material according to the first embodiment, when the sample has a significantly high degree of orientation, or when coarse particles are present, as the intensity ratio will change. The structure can be confirmed by confirming that there are no inconsistencies in the positions and relative intensities of all peaks attributed to the crystal structure. Furthermore, when the spectral intensity and background intensity are low, the R wp value may be small. The reliability factor does not have any significance in its absolute value, but rather in assessing the relative quality of the fit under certain measurement conditions.
RIETAN-FPを用いた解析方法については、例えば、非特許文献4(「粉末X線解析の実際」初版(2002年)日本分析化学会X線分析研究懇談会編 中井泉、泉富士夫編著(朝倉書店))の第9章「RIETAN-FPを使ってみよう」に詳細に説明されている。 Analysis methods using RIETAN-FP are explained in detail, for example, in Chapter 9, "Let's try using RIETAN-FP," of Non-Patent Document 4 ("Practical X-Ray Powder Analysis," First Edition (2002), edited by the X-Ray Analysis Research Forum of the Japan Society for Analytical Chemistry, edited by Izumi Nakai and Fujio Izumi (Asakura Shoten)).
なお、RIETAN-FPは、その開発者のインターネット上のウェブページ(http://fujioizumi.verse.jp/)にて無料配布されている(2022年8月現在)リートベルト解析用プログラムである。 RIETAN-FP is a Rietveld analysis program that is distributed free of charge (as of August 2022) on its developer's online webpage (http://fujioizumi.verse.jp/).
図2の構造は、構造の周期性を有さないためにXRD測定で解析を実施することが困難である。図2の構造を確かめるためには、微細構造を直接観察することが好ましい。観察は、走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope;STEM)を用いた高角環状暗視野(High Angle Annular Dark-Field;HAADF)法による観察によって実施することが可能である。測定分解能を向上させる観点から、球面収差補正を用いることが好ましい。ReO3型ブロックに垂直な方向から原子像(10 nm × 10 nm)を取得し、ReO3ブロックを構成する金属元素の位置関係を確認することによって、その構造を確かめることができる。 The structure shown in Figure 2 is difficult to analyze by XRD measurement because it lacks periodicity. To confirm the structure shown in Figure 2, direct observation of the microstructure is preferable. Observation can be performed using a scanning transmission electron microscope (STEM) with a high-angle annular dark-field (HAADF) technique. To improve measurement resolution, spherical aberration correction is preferable. The structure can be confirmed by acquiring an atomic image (10 nm × 10 nm) perpendicular to the ReO 3 block and confirming the relative positions of the metal elements that make up the ReO 3 block.
試料に含まれている活物質粒子における各元素の含有量は、金属元素に関してはICP発光分析法により確かめることができる。O元素については不活性ガス溶解-赤外線吸収分光等の方法によって定量することができるが、厳密な定量は難しい。 The content of each element in the active material particles contained in the sample can be confirmed using ICP atomic emission spectrometry for metal elements. Quantitative determination of the oxygen element can be performed using methods such as inert gas dissolution-infrared absorption spectroscopy, but precise quantitation is difficult.
電極に含まれている活物質粒子については、上述した前処理後、次の処理をさらに行う。洗浄後の電極から、活物質を含んでいる部材(例えば、第2の実施形態で説明する活物質含有層)を、例えば、電極の集電体から剥離する。電極から剥離した部分を大気中で短時間加熱(500℃で1時間程度)して、バインダー成分やカーボンなど不要な部分を焼失させる。その後、ICP発光分析などを行うことによって各元素の含有量を定量することができる。 After the pretreatment described above, the active material particles contained in the electrode are further subjected to the following treatment. After cleaning, the active material-containing component (e.g., the active material-containing layer described in the second embodiment) is peeled off, for example, from the electrode's current collector. The portion peeled off from the electrode is heated in air for a short period of time (approximately 1 hour at 500°C) to burn off unnecessary components such as binder components and carbon. The content of each element can then be quantified by ICP emission spectrometry or similar.
XPS法による複合酸化物が含む金属元素の価数の測定は、次のとおり実施することができる。測定に用いるX線には、検出深さが深くバルクにより近い状態を測定することが可能であることから、硬X線を用いることが好ましい。硬X線を用いる分光手法はHAXPESとも呼ばれる。各元素のナロースペクトルの結合エネルギーの位置を確認することにより、価数を判定することが可能である。例えば、Ti元素については、Ti2p3/2に由来する4価のピークが459.0±0.4eVに観察される。Mo元素については、Mo3d5/2に由来する6価のピークが232.2±0.4eVに観察される。Nb元素については、Nb3d5/2に由来する5価のピークが207.5±0.4eVに観察される。低価数元素を含む場合は、先の価数よりも低いエネルギー位置にピークが検出されることで判別が可能である。特に、Mo元素は5価以下の価数を含む可能性があり得る。 The valence of metal elements contained in a composite oxide can be measured using XPS as follows. It is preferable to use hard X-rays for the measurement, as they have a deep detection depth and can measure a state closer to the bulk. Spectroscopic techniques using hard X-rays are also called HAXPES. The valence can be determined by checking the binding energy position of each element's narrow spectrum. For example, for Ti, a tetravalent peak due to Ti2p3 /2 is observed at 459.0±0.4 eV. For Mo, a hexavalent peak due to Mo3d5 /2 is observed at 232.2±0.4 eV. For Nb, a pentavalent peak due to Nb3d5 /2 is observed at 207.5±0.4 eV. Low-valence elements can be identified by detecting peaks at lower energy positions than the previous valences. In particular, Mo may contain valences of five or less.
元素価数が変化しないよう、サンプル測定は非破壊で行う。従って、電極に含まれている複合酸化物に対する測定は、材料抽出を行わずに電極を試料とする。サンプルの測定中のチャージアップがピーク位置に影響を与えないように注意して測定を行う。チャージアップによるピークのシフトが無いようにするために、完全放電状態の電極を測定することが好ましい。電極に導電剤が含まれている場合は、チャージアップを少なくできる。長時間のX線照射が試料にダメージを与えることでも元素価数が変化するため、注意する。また、異なる構造の材料が混在する場合は結合状態の変化のためにピークがシフトする可能性があるため、価数の変化と混同しないように注意する。異なる価数の元素が混在する場合、すなわち複数のピークでスペクトルが混在する場合は、スペクトルを最小二乗フィッティングで分離し、分離したピークの面積比から混在比を推定することができる。 Sample measurements are performed non-destructively to prevent changes in element valence. Therefore, when measuring complex oxides contained in electrodes, the electrode is used as the sample without material extraction. Measurements are performed carefully to ensure that charge-up during sample measurement does not affect the peak position. To prevent peak shifts due to charge-up, it is preferable to measure the electrode in a fully discharged state. Charging can be reduced if the electrode contains a conductive agent. Care must be taken, as prolonged X-ray irradiation can damage the sample and change element valence. Furthermore, when materials with different structures are mixed, peak shifts may occur due to changes in bonding state, so care must be taken not to confuse this with changes in valence. When elements with different valences are mixed, i.e., when the spectrum is a mixture of multiple peaks, the spectra can be separated using least-squares fitting, and the mixing ratio can be estimated from the area ratio of the separated peaks.
なお、一般式LiaMbNbMocOdにて添字aで表されるLiの含有割合は、複合酸化物が活物質に用いられた電極の充電状態に応じて変化する。例えば、負極に含まれている複合酸化物では、電池の充電に伴ってLiが挿入されて添字aが増加し、放電に伴ってLiが脱離して添字aが減少する。 The Li content, represented by the subscript a in the general formula LiaMbNbMocOd , varies depending on the state of charge of the electrode in which the composite oxide is used as the active material. For example, in the composite oxide contained in the negative electrode, Li is inserted as the battery is charged, increasing the subscript a, and Li is desorbed as the battery is discharged, decreasing the subscript a.
(平均粒子径の測定)
活物質の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope : SEM)を用いた観察により求めることができる。具体的には、SEM観察による平均一次粒子径は、以下の方法により算出することができる。
(Measurement of average particle size)
The average primary particle size of the active material can be determined by observation using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, the average primary particle size determined by SEM observation can be calculated by the following method.
先ず、SEM観察により得られたSEM画像の一次粒子において、最も長軸な部分の長さと、最も短軸な部分の長さとを測定し、これらの相加平均値を一次粒子径とする。この一次粒子径の測定を、任意に選出した100個の粒子で行い、それらの平均値を平均一次粒子径とする。 First, the length of the longest axis and the length of the shortest axis of the primary particles in the SEM image obtained by SEM observation are measured, and the arithmetic mean of these is taken as the primary particle diameter. This primary particle diameter measurement is performed on 100 randomly selected particles, and the average value of these measurements is taken as the average primary particle diameter.
活物質の平均二次粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置を用いて測定される粒度分布から求めることができる。この粒度分布測定を行う際の試料としては、活物質の濃度が0.1質量%乃至1質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドンで希釈した分散液を用いる。得られた粒度分布において体積積算値が50%となる粒径を、平均二次粒子径とする。 The average secondary particle diameter of the active material can be determined from the particle size distribution measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer. The sample used for this particle size distribution measurement is a dispersion diluted with N-methyl-2-pyrrolidone so that the active material concentration is 0.1% to 1% by mass. The particle size at which the volumetric cumulative value is 50% in the obtained particle size distribution is taken as the average secondary particle diameter.
(BET比表面積の測定)
活物質粒子についてのBET比表面積は、以下の方法により求めることができる。
(Measurement of BET specific surface area)
The BET specific surface area of the active material particles can be determined by the following method.
先ず、試料として、4gの活物質を採取する。次いで、測定装置の評価用セルを、100℃以上の温度で15時間にわたって減圧乾燥させ、脱ガス処理を行う。評価用セルとしては、例えば、1/2インチのものを使用することができる。次いで、試料を測定装置に設置する。測定装置としては、例えば、島津製作所-マイクロメリティックス社製トライスターII3020を用いることができる。次いで、77K(窒素の沸点)の窒素ガス中で、窒素ガスの圧力P(mmHg)を徐々に高めながら、各圧力P毎に、試料の窒素ガス吸着量(mL/g)を測定する。次いで、圧力P(mmHg)を窒素ガスの飽和蒸気圧P0(mmHg)で除した値を相対圧力P/P0として、各相対圧力P/P0に対する窒素ガス吸着量をプロットすることにより吸着等温線を得る。次いで、この窒素吸着等温線とBET式とからBETプロットを算出し、このBETプロットを利用して比表面積を得る。なお、BETプロットの算出には、BET多点法を用いる。 First, 4 g of active material is collected as a sample. Next, the evaluation cell of the measurement device is dried under reduced pressure at a temperature of 100°C or higher for 15 hours to perform a degassing treatment. For example, a 1/2-inch evaluation cell can be used. Next, the sample is placed in the measurement device. For example, a Shimadzu Micromeritics Tristar II 3020 can be used as the measurement device. Next, the nitrogen gas pressure P (mmHg) is gradually increased in nitrogen gas at 77 K (the boiling point of nitrogen), and the nitrogen gas adsorption amount (mL/g) of the sample is measured at each pressure P. Next, the pressure P (mmHg) is divided by the saturated vapor pressure P 0 (mmHg) of nitrogen gas to obtain the relative pressure P/P 0. The nitrogen gas adsorption amount is plotted against each relative pressure P/P 0 to obtain an adsorption isotherm. Next, a BET plot is calculated from this nitrogen adsorption isotherm and the BET equation, and the specific surface area is obtained using this BET plot. The BET plot is calculated using the BET multipoint method.
第1の実施形態に係る活物質は、酸素と金属元素で構成される八面体構造が頂点共有で構成する酸化レニウム型ブロックを含む構造を含んでおり、一般式LiaMbNbMocOdで表される複合酸化物を含む。上記構造では、大きさが異なる複数の酸化レニウム型ブロックが、少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている。上記一般式において、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上である。添字a,b,c及びdは、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50を満たす数である。上記複合酸化物を電極活物質として用いた電極は、体積当たりの容量が高い。また、上記複合酸化物を電極活物質として用いた二次電池および電池パックは、体積当たりの容量が高い。即ち、係る活物質は、高容量を示す。 The active material according to the first embodiment includes a composite oxide having a structure including rhenium oxide blocks in which an octahedral structure composed of oxygen and a metal element is configured by corner-sharing, and the composite oxide is represented by the general formula LiaMbNbMocOd . In the structure, multiple rhenium oxide blocks of different sizes are connected aperiodically at least by octahedral edge-sharing. In the general formula, M is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y, and Si. The subscripts a, b, c, and d are numbers satisfying the following conditions: 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50. An electrode using the composite oxide as an electrode active material has a high capacity per volume. Furthermore, secondary batteries and battery packs using the composite oxide as an electrode active material have a high capacity per volume, i.e., the active material exhibits a high capacity.
(第2の実施形態)
第2の実施形態によると、電極が提供される。
Second Embodiment
According to a second embodiment, an electrode is provided.
第2の実施形態に係る電極は、第1の実施形態に係る活物質を含む。この電極は、第1の実施形態に係る活物質を電池用活物質として含む電池用電極であり得る。電池用電極としての電極は、例えば、第1の実施形態に係る活物質を負極活物質として含む負極であり得る。或いは、電極は、第1の実施形態に係る活物質を正極活物質として含む正極であり得る。 The electrode according to the second embodiment includes the active material according to the first embodiment. This electrode may be a battery electrode that includes the active material according to the first embodiment as a battery active material. The electrode as a battery electrode may be, for example, a negative electrode that includes the active material according to the first embodiment as a negative electrode active material. Alternatively, the electrode may be a positive electrode that includes the active material according to the first embodiment as a positive electrode active material.
係る電極は、集電体と活物質含有層とを含むことができる。活物質含有層は、集電体の片面又は両面に形成され得る。活物質含有層は、活物質と、任意に導電剤及び結着剤とを含むことができる。 Such an electrode may include a current collector and an active material-containing layer. The active material-containing layer may be formed on one or both sides of the current collector. The active material-containing layer may include an active material and, optionally, a conductive agent and a binder.
活物質含有層は、第1の実施形態に係る活物質を単独で含んでもよく、第1の実施形態に係る活物質を2種類以上含んでもよい。さらに、第1の実施形態に係る活物質を1種又は2種以上と、更に1種又は2種以上の他の活物質とを混合した混合物を含んでもよい。第1の実施形態に係る活物質と他の活物質との総質量に対する第1の実施形態に係る活物質の含有割合が10質量%以上100質量%以下であることが望ましい。 The active material-containing layer may contain the active material according to the first embodiment alone, or may contain two or more types of active material according to the first embodiment. Furthermore, it may contain a mixture of one or more types of active material according to the first embodiment mixed with one or more types of other active materials. It is desirable that the content ratio of the active material according to the first embodiment relative to the total mass of the active material according to the first embodiment and the other active materials be 10% by mass or more and 100% by mass or less.
例えば、第1の実施形態に係る活物質を負極活物質として含む場合は、他の活物質の例には、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2+xTi3O7、0≦x≦3)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えば、Li4+xTi5O12、0≦x≦3)、二酸化チタン(TiO2)、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、五酸化ニオブ(Nb2O5)、ホランダイト型チタン複合酸化物、直方晶型(orthorhombic)チタン複合酸化物、及び単斜晶型ニオブチタン酸化物、ニオブ酸化物、ニオブチタン酸化物、ニオブモリブデン複合酸化物、ニオブタングステン複合酸化物が挙げられる。 For example, when the active material according to the first embodiment is contained as a negative electrode active material, examples of other active materials include lithium titanate having a ramsdellite structure (e.g., Li2 + xTi3O7 , 0 ≦ x≦3), lithium titanate having a spinel structure (e.g., Li4 + xTi5O12 , 0≦x≦ 3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), anatase titanium dioxide, rutile titanium dioxide, niobium pentoxide ( Nb2O5 ), hollandite titanium composite oxide, orthorhombic titanium composite oxide, and monoclinic niobium titanium oxide, niobium oxide, niobium titanium oxide, niobium molybdenum composite oxide, and niobium tungsten composite oxide.
上記直方晶型チタン含有複合酸化物の例として、Li2+eMI 2-fTi6-gMII hO14+σで表される化合物が挙げられる。ここで、MIは、Sr,Ba,Ca,Mg,Na,Cs,Rb及びKからなる群より選択される少なくとも1つである。MIIはZr,Sn,V,Nb,Ta,Mo,W,Y,Fe,Co,Cr,Mn,Ni,及びAlからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦e≦6、0≦f<2、0≦g<6、0≦h<6、-0.5≦σ≦0.5である。直方晶型チタン含有複合酸化物の具体例として、Li2+eNa2Ti6O14(0≦e≦6)が挙げられる。 An example of the orthorhombic titanium - containing composite oxide is a compound represented by Li2 +eMI2 - fTi6 - gMIIhO14 +σ . Here, MI is at least one selected from the group consisting of Sr, Ba, Ca, Mg, Na, Cs, Rb, and K. MI is at least one selected from the group consisting of Zr, Sn, V, Nb, Ta, Mo, W, Y, Fe, Co, Cr, Mn, Ni, and Al. The subscripts in the composition formula are 0≦e≦6, 0≦f<2, 0≦g<6, 0≦h< 6 , and -0.5≦σ≦0.5. A specific example of the orthorhombic titanium-containing composite oxide is Li2 +eNa2Ti6O14 ( 0≦e≦ 6 ).
上記単斜晶型ニオブチタン酸化物の例として、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7+δで表される化合物が挙げられる。ここで、M1は、Zr,Si,及びSnからなる群より選択される少なくとも1つである。M2は、V,Ta,及びBiからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。単斜晶型ニオブチタン酸化物の具体例として、LixNb2TiO7(0≦x≦5)が挙げられる。 An example of the monoclinic niobium titanium oxide is a compound represented by Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7+δ . Here, M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si, and Sn. M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta, and Bi. The subscripts in the composition formula are 0≦x≦5, 0≦y<1, 0≦z<2, and −0.3≦δ≦0.3. A specific example of the monoclinic niobium titanium oxide is Li x Nb 2 TiO 7 (0≦x≦5).
単斜晶型ニオブチタン酸化物の他の例として、LixTi1-yM3y+zNb2-zO7-δで表される化合物が挙げられる。ここで、M3は、Mg,Fe,Ni,Co,W,Ta,及びMoからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。 Another example of monoclinic niobium titanium oxide is a compound represented by Li x Ti 1-y M3 y+z Nb 2-z O 7-δ , where M3 is at least one selected from the group consisting of Mg, Fe, Ni, Co, W, Ta, and Mo. The subscripts in the composition formula are 0≦x≦5, 0≦y<1, 0≦z<2, and −0.3≦δ≦0.3.
導電剤は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電剤の例には、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーのような炭素質物が含まれる。これらの1つを導電剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて導電剤として用いてもよい。あるいは、導電剤を用いる代わりに、活物質粒子の表面に、炭素コートや電子導電性無機材料コートを施してもよい。また、導電剤を用いると共に活物質表面に炭素や導電性材料を被覆することで、活物質含有層の集電性能を向上させることもできる。 Conductive agents are added to improve current collection performance and reduce contact resistance between the active material and the current collector. Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as vapor-grown carbon fiber (VGCF), carbon black such as acetylene black, graphite, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. One of these may be used as the conductive agent, or two or more may be used in combination. Alternatively, instead of using a conductive agent, the surfaces of the active material particles may be coated with carbon or an electronically conductive inorganic material. Furthermore, the current collection performance of the active material-containing layer can be improved by using a conductive agent and coating the active material surface with carbon or a conductive material.
結着剤は、分散された活物質の間隙を埋め、また、活物質と集電体を結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴム、ポリアクリル酸化合物、イミド化合物、カルボキシメチルセルロース(carboxymethyl cellulose;CMC)、及びCMCの塩が含まれる。これらの1つを結着剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて結着剤として用いてもよい。 Binders are added to fill the gaps between the dispersed active material and to bind the active material and current collector together. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, styrene-butadiene rubber, polyacrylic acid compounds, imide compounds, carboxymethyl cellulose (CMC), and CMC salts. These may be used alone or in combination.
活物質含有層中の活物質、導電剤及び結着剤の配合割合は、電極の用途に応じて適宜変更することができる。例えば、電極を二次電池の負極として用いる場合は、活物質(負極活物質)、導電剤及び結着剤を、それぞれ、68質量%以上96質量%以下、2質量%以上30質量%以下及び2質量%以上30質量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を2質量%以上とすることにより、活物質含有層の集電性能を向上させることができる。また、結着剤の量を2質量%以上とすることにより、活物質含有層と集電体との結着性が十分となり、優れたサイクル性能を期待できる。一方、導電剤及び結着剤はそれぞれ30質量%以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。 The blending ratios of the active material, conductive agent, and binder in the active material-containing layer can be adjusted appropriately depending on the application of the electrode. For example, when the electrode is used as the negative electrode of a secondary battery, the active material (negative electrode active material), conductive agent, and binder are preferably blended in proportions of 68% by mass or more and 96% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, and 2% by mass or more and 30% by mass or less, respectively. By using a conductive agent amount of 2% by mass or more, the current collection performance of the active material-containing layer can be improved. Furthermore, by using a binder amount of 2% by mass or more, sufficient binding between the active material-containing layer and the current collector can be achieved, and excellent cycle performance can be expected. On the other hand, it is preferable to use a conductive agent and binder amount of 30% by mass or less each in order to achieve high capacity.
活物質表面を炭素や導電性材料で被覆する場合、被覆材量は導電剤量に含めたものとみなすことができる。炭素または導電性材料による被覆量は、0.5質量%以上5質量%以下であることが好ましい。この範囲の被覆量であれば、集電性能と電極密度を高められる。 When the surface of the active material is coated with carbon or a conductive material, the amount of coating material can be considered to be included in the amount of conductive agent. The amount of carbon or conductive material coated is preferably 0.5% by mass or more and 5% by mass or less. A coating amount within this range can improve current collection performance and electrode density.
集電体は、活物質にリチウム(Li)が挿入及び脱離される電位において電気化学的に安定である材料が用いられる。例えば、活物質が負極活物質として用いられる場合は、集電体は、銅、ニッケル、ステンレス又はアルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiからなる群より選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金から作られることが好ましい。集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。このような厚さを有する集電体は、電極の強度と軽量化のバランスをとることができる。 The current collector is made of a material that is electrochemically stable at the potential at which lithium (Li) is inserted into and extracted from the active material. For example, when the active material is used as a negative electrode active material, the current collector is preferably made of copper, nickel, stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy containing one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The thickness of the current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A current collector with such a thickness can balance the strength and weight of the electrode.
また、集電体は、その表面に活物質含有層が形成されていない部分を含むことができる。この部分は、集電タブとして働くことができる。 The current collector may also include a portion on its surface where the active material-containing layer is not formed. This portion can function as a current collecting tab.
電極は、例えば次の方法により作製することができる。まず、活物質、導電剤及び結着剤を溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを、集電体の片面又は両面に塗布する。次いで、塗布したスラリーを乾燥させて、活物質含有層と集電体との積層体を得る。その後、この積層体にプレスを施す。このようにして、電極を作製する。 An electrode can be produced, for example, by the following method. First, an active material, a conductive agent, and a binder are suspended in a solvent to prepare a slurry. This slurry is then applied to one or both sides of a current collector. The applied slurry is then dried to obtain a laminate of an active material-containing layer and a current collector. This laminate is then pressed. In this manner, an electrode is produced.
或いは、電極は、次の方法により作製してもよい。まず、活物質、導電剤及び結着剤を混合して、混合物を得る。次いで、この混合物をペレット状に成形する。次いで、これらのペレットを集電体上に配置することにより、電極を得ることができる。 Alternatively, the electrode may be prepared by the following method. First, the active material, conductive agent, and binder are mixed to obtain a mixture. Next, this mixture is formed into pellets. These pellets are then placed on a current collector to obtain an electrode.
第2の実施形態に係る電極は、第1の実施形態に係る活物質を含んでいる。そのため、第2の実施形態に係る電極は、体積当たりの容量が高い二次電池を実現することができる。 The electrode according to the second embodiment contains the active material according to the first embodiment. Therefore, the electrode according to the second embodiment can realize a secondary battery with a high capacity per volume.
(第3の実施形態)
第3の実施形態によると、負極と、正極と、電解質とを含む二次電池が提供される。この二次電池は、負極または正極として、第2の実施形態に係る電極を含む。つまり、第3の実施形態に係る二次電池は、第1の実施形態に係る活物質を電池用活物質として含む電極を、電池用電極として含む。望ましい態様の二次電池は、負極として、第2の実施形態に係る電極を含む。つまり、望ましい態様の二次電池は、第1の実施形態に係る活物質を電池用活物質として含む電極を、負極として含む。以下、望ましい態様を説明する。
(Third embodiment)
According to a third embodiment, a secondary battery is provided that includes a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte. This secondary battery includes the electrode according to the second embodiment as the negative electrode or the positive electrode. That is, the secondary battery according to the third embodiment includes, as a battery electrode, an electrode that includes the active material according to the first embodiment as a battery active material. A secondary battery of a desirable aspect includes, as a negative electrode, the electrode according to the second embodiment. That is, a secondary battery of a desirable aspect includes, as a negative electrode, an electrode that includes the active material according to the first embodiment as a battery active material. Desired aspects will be described below.
係る二次電池は、正極と負極との間に配されたセパレータを更に具備することもできる。負極、正極及びセパレータは、電極群を構成することができる。電解質は、電極群に保持され得る。 Such a secondary battery may further include a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode. The negative electrode, positive electrode, and separator may constitute an electrode assembly. The electrolyte may be held in the electrode assembly.
また、係る二次電池は、電極群及び電解質を収容する外装部材を更に具備することができる。 Furthermore, such a secondary battery may further include an exterior member that houses the electrode group and electrolyte.
さらに、係る二次電池は、負極に電気的に接続された負極端子及び正極に電気的に接続された正極端子を更に具備することができる。 Furthermore, such a secondary battery may further include a negative electrode terminal electrically connected to the negative electrode and a positive electrode terminal electrically connected to the positive electrode.
第3の実施形態に係る二次電池は、例えばリチウム二次電池であり得る。また、二次電池は、非水電解質を含んだ非水電解質二次電池を含む。 The secondary battery according to the third embodiment may be, for example, a lithium secondary battery. The secondary battery also includes a non-aqueous electrolyte secondary battery containing a non-aqueous electrolyte.
以下、負極、正極、電解質、セパレータ、外装部材、負極端子及び正極端子について詳細に説明する。 The negative electrode, positive electrode, electrolyte, separator, exterior member, negative electrode terminal, and positive electrode terminal are described in detail below.
1)負極
負極は、負極集電体と、負極活物質含有層とを含むことができる。負極集電体及び負極活物質含有層は、それぞれ、第2の実施形態に係る電極が含むことのできる集電体及び活物質含有層であり得る。負極活物質含有層は、第1の実施形態に係る活物質を負極活物質として含む。
1) Negative Electrode The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material-containing layer. The negative electrode current collector and the negative electrode active material-containing layer may be the current collector and the active material-containing layer, respectively, that can be included in the electrode according to the second embodiment. The negative electrode active material-containing layer contains the active material according to the first embodiment as the negative electrode active material.
負極の詳細のうち、第2の実施形態について説明した詳細と重複する部分は、省略する。 Details of the negative electrode that overlap with those described in the second embodiment will be omitted.
負極活物質含有層の密度(集電体を含まず)は、1.8g/cm3以上2.8g/cm3以下であることが好ましい。負極活物質含有層の密度がこの範囲内にある負極は、エネルギー密度と電解質の保持性とに優れている。負極活物質含有層の密度は、2.1g/cm3以上2.6g/cm3以下であることがより好ましい。 The density of the negative electrode active material-containing layer (excluding the current collector) is preferably 1.8 g/cm or more and 2.8 g/cm or less . A negative electrode having a density of the negative electrode active material-containing layer within this range has excellent energy density and electrolyte retention. The density of the negative electrode active material-containing layer is more preferably 2.1 g/cm or more and 2.6 g/cm or less .
負極は、例えば、第2の実施形態に係る電極と同様の方法により作製することができる。 The negative electrode can be fabricated, for example, by a method similar to that used for the electrode according to the second embodiment.
2)正極
正極は、正極集電体と、正極活物質含有層とを含むことができる。正極活物質含有層は、正極集電体の片面又は両面に形成され得る。正極活物質含有層は、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含むことができる。
2) Positive Electrode The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material-containing layer. The positive electrode active material-containing layer may be formed on one or both sides of the positive electrode current collector. The positive electrode active material-containing layer may include a positive electrode active material, and optionally a conductive agent and a binder.
正極活物質としては、例えば、酸化物又は硫化物を用いることができる。正極は、正極活物質として、1種類の化合物を単独で含んでいてもよく、或いは2種類以上の化合物を組み合わせて含んでいてもよい。酸化物及び硫化物の例には、Li又はLiイオンを挿入及び脱離させることができる化合物を挙げることができる。 For example, oxides or sulfides can be used as the positive electrode active material. The positive electrode may contain one type of compound alone as the positive electrode active material, or may contain a combination of two or more types of compounds. Examples of oxides and sulfides include compounds that can insert and extract Li or Li ions.
このような化合物としては、例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4又はLixMnO2;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4;0<x≦1、0<y<2)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えばLixFePO4;0<x≦1、LixFe1-yMnyPO4;0<x≦1、0<y≦1、LixCoPO4;0<x≦1)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnzO2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。 Examples of such compounds include manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese composite oxides (e.g., Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel composite oxides (e.g., Li x NiO 2 ; 0<x≦1), lithium cobalt composite oxides (e.g., Li x CoO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel cobalt composite oxides (e.g., Li x Ni 1-y Co y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium manganese cobalt composite oxides (e.g., Li x Mn y Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), and lithium manganese nickel composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4 ; 0<x≦1, 0<y<2), lithium phosphate oxides having an olivine structure (e.g., LixFePO4 ; 0<x≦1, LixFe1 - yMnyPO4 ; 0<x≦1, 0<y≦ 1 , LixCoPO4 ; 0<x≦1), iron sulfate ( Fe2 ( SO4 ) 3 ), vanadium oxides (e.g., V2O5 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxides ( LixNi1 - yzCoyMnzO2 ; 0<x≦1 , 0<y<1 , 0 <z<1, y+z<1).
上記のうち、正極活物質としてより好ましい化合物の例には、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4;0<x≦1、0<y<2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムリン酸鉄(例えばLixFePO4;0<x≦1)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnzO2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。これらの化合物を正極活物質に用いると、正極電位を高めることができる。 Among the above, examples of more preferred compounds as the positive electrode active material include lithium manganese composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2 O 4 ; 0<x≦1), lithium nickel composite oxides (e.g., Li x NiO 2 ; 0<x≦1), lithium cobalt composite oxides (e.g., Li x CoO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel cobalt composite oxides (e.g., Li x Ni 1-y Co y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium manganese nickel composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4 ; 0<x≦1, 0<y<2), lithium manganese cobalt composite oxides (e.g., Li x Mn y Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), and lithium iron phosphate (e.g., Li x FePO 4 ; 0<x≦1) and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (Li x Ni 1-yz Co y Mn z O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1, 0<z<1, y+z<1). When these compounds are used as the positive electrode active material, the positive electrode potential can be increased.
電池の電解質として常温溶融塩を用いる場合、リチウムリン酸鉄、LixVPO4F(0≦x≦1)、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、又はこれらの混合物を含む正極活物質を用いることが好ましい。これらの化合物は常温溶融塩との反応性が低いため、サイクル寿命を向上させることができる。常温溶融塩の詳細については、後述する。 When a room-temperature molten salt is used as the battery electrolyte, it is preferable to use a positive electrode active material containing lithium iron phosphate, Li x VPO 4 F (0≦x≦1), lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, or a mixture thereof. These compounds have low reactivity with room-temperature molten salts, and therefore can improve cycle life. Details of room-temperature molten salts will be described later.
正極活物質の一次粒径は、100nm以上1μm以下であることが好ましい。一次粒径が100nm以上の正極活物質は、工業生産上の取り扱いが容易である。一次粒径が1μm以下の正極活物質は、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることが可能である。 The primary particle size of the positive electrode active material is preferably 100 nm or more and 1 μm or less. Positive electrode active materials with a primary particle size of 100 nm or more are easy to handle in industrial production. Positive electrode active materials with a primary particle size of 1 μm or less allow lithium ions to diffuse smoothly within the solid.
正極活物質の比表面積は、0.1m2/g以上10m2/g以下であることが好ましい。0.1m2/g以上の比表面積を有する正極活物質は、Liイオンの挿入脱離サイトを十分に確保できる。10m2/g以下の比表面積を有する正極活物質は、工業生産の上で取り扱い易く、かつ良好な充放電サイクル性能を確保できる。 The specific surface area of the positive electrode active material is preferably 0.1 m /g or more and 10 m /g or less. A positive electrode active material having a specific surface area of 0.1 m /g or more can ensure sufficient insertion and desorption sites for Li ions. A positive electrode active material having a specific surface area of 10 m /g or less is easy to handle in industrial production and can ensure good charge-discharge cycle performance.
結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、また、正極活物質と正極集電体とを結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、フッ素系ゴム、ポリアクリル酸化合物、イミド化合物、カルボキシメチルセルロース(carboxymethyl cellulose;CMC)、及びCMCの塩が含まれる。これらの1つを結着剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて結着剤として用いてもよい。 The binder is added to fill the gaps between the dispersed positive electrode active material and to bind the positive electrode active material to the positive electrode current collector. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, polyacrylic acid compounds, imide compounds, carboxymethyl cellulose (CMC), and CMC salts. One of these may be used as the binder, or two or more may be used in combination as binders.
導電剤は、集電性能を高め、且つ、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電剤の例には、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラックなどのカーボンブラック及び黒鉛のような炭素質物が含まれる。これらの1つを導電剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて導電剤として用いてもよい。また、導電剤を省略することもできる。 Conductive agents are added to improve current collection performance and reduce contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Examples of conductive agents include vapor-grown carbon fiber (VGCF), carbon black such as acetylene black, and carbonaceous materials such as graphite. One of these may be used as the conductive agent, or two or more may be used in combination. The conductive agent may also be omitted.
正極活物質含有層において、正極活物質及び結着剤は、それぞれ、80質量%以上98質量%以下、及び2質量%以上20質量%以下の割合で配合することが好ましい。 In the positive electrode active material-containing layer, the positive electrode active material and binder are preferably blended in proportions of 80% by mass or more and 98% by mass or less, and 2% by mass or more and 20% by mass or less, respectively.
結着剤の量を2質量%以上にすることにより、十分な電極強度が得られる。また、結着剤は、絶縁体として機能し得る。そのため、結着剤の量を20質量%以下にすると、電極に含まれる絶縁体の量が減るため、内部抵抗を減少できる。 By using a binder amount of 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be achieved. The binder can also function as an insulator. Therefore, by using a binder amount of 20% by mass or less, the amount of insulator contained in the electrode is reduced, thereby reducing internal resistance.
導電剤を加える場合には、正極活物質、結着剤及び導電剤は、それぞれ、77質量%以上95質量%以下、2質量%以上20質量%以下、及び3質量%以上15質量%以下の割合で配合することが好ましい。 When a conductive agent is added, the positive electrode active material, binder, and conductive agent are preferably blended in proportions of 77% by mass or more and 95% by mass or less, 2% by mass or more and 20% by mass or less, and 3% by mass or more and 15% by mass or less, respectively.
導電剤の量を3質量%以上にすることにより、上述した効果を発揮することができる。また、導電剤の量を15質量%以下にすることにより、電解質と接触する導電剤の割合を低くすることができる。この割合が低いと、高温保存下において、電解質の分解を低減することができる。 By setting the amount of conductive agent to 3% by mass or more, the above-mentioned effects can be achieved. Furthermore, by setting the amount of conductive agent to 15% by mass or less, the proportion of conductive agent that comes into contact with the electrolyte can be reduced. This low proportion can reduce electrolyte decomposition during high-temperature storage.
正極集電体は、アルミニウム箔、又は、Mg、Ti、Zn、Ni、Cr、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される一以上の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 positive electrode current collector is preferably aluminum foil or aluminum alloy foil containing one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, Cu, and Si.
アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましい。アルミニウム箔の純度は99質量%以上であることが好ましい。アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔に含まれる鉄、銅、ニッケル、及びクロムなどの遷移金属の含有量は、1質量%以下であることが好ましい。 The thickness of the aluminum foil or aluminum alloy foil is preferably 5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less. The purity of the aluminum foil is preferably 99% by mass or more. The content of transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium contained in the aluminum foil or aluminum alloy foil is preferably 1% by mass or less.
また、正極集電体は、その表面に正極活物質含有層が形成されていない部分を含むことができる。この部分は、正極集電タブとして働くことができる。 The positive electrode current collector may also include a portion on its surface where the positive electrode active material-containing layer is not formed. This portion can function as a positive electrode current collecting tab.
正極は、例えば、正極活物質を用いて、第2の実施形態に係る電極と同様の方法により作製することができる。 The positive electrode can be produced, for example, using a positive electrode active material in a manner similar to that used for the electrode according to the second embodiment.
3)電解質
電解質としては、例えば液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いることができる。液状非水電解質は、溶質としての電解質塩を有機溶媒に溶解することにより調製される。電解質塩の濃度は、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であることが好ましい。
3) Electrolyte The electrolyte may be, for example, a liquid nonaqueous electrolyte or a gel nonaqueous electrolyte. The liquid nonaqueous electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte salt as a solute in an organic solvent. The concentration of the electrolyte salt is preferably 0.5 mol/L or more and 2.5 mol/L or less.
電解質塩の例には、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)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、及びビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiN(SO2F)2;LiFSI)のようなリチウム塩、及び、これらの混合物が含まれる。電解質塩は、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 electrolyte salts include lithium perchlorate ( LiClO4 ), lithium hexafluorophosphate ( LiPF6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), lithium hexafluoride ( LiAsF6 ), lithium trifluoromethanesulfonate ( LiCF3SO3 ), and lithium salts such as lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN( CF3SO2 ) 2 ) and lithium bis( fluorosulfonyl )imide (LiN( SO2F ) 2 ; LiFSI), and mixtures thereof. The electrolyte salt is preferably one that is difficult to oxidize even at high potentials, and LiPF6 is most preferred.
有機溶媒の例には、プロピレンカーボネート(propylene carbonate;PC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate;EC)、ビニレンカーボネート(vinylene carbonate;VC)のような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(diethyl carbonate;DEC)、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate;DMC)、メチルエチルカーボネート(methyl ethyl carbonate;MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran;THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2-methyl tetrahydrofuran;2MeTHF)、ジオキソラン(dioxolane;DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(dimethoxy ethane;DME)、ジエトキシエタン(diethoxy ethane;DEE)のような鎖状エーテル;γ-ブチロラクトン(γ-butyrolactone;GBL)、アセトニトリル(acetonitrile;AN)、及びスルホラン(sulfolane;SL)が含まれる。これらの有機溶媒は、単独で、又は混合溶媒として用いることができる。 Examples of organic solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and vinylene carbonate (VC); linear carbonates such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC); cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF), 2-methyl tetrahydrofuran (2MeTHF), and dioxolane (DOX); linear ethers such as dimethoxyethane (DME) and diethoxyethane (DEE); γ-butyrolactone (GBL), acetonitrile (AN), and sulfolane (SL). These organic solvents can be used alone or as a mixed solvent.
ゲル状非水電解質は、液状非水電解質と高分子材料とを複合化することにより調製される。高分子材料の例には、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile;PAN)、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide;PEO)、又はこれらの混合物が含まれる。 Gel-type non-aqueous electrolytes are prepared by combining a liquid non-aqueous electrolyte with a polymer material. Examples of polymer materials include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), or mixtures thereof.
或いは、非水電解質としては、液状非水電解質及びゲル状非水電解質の他に、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)、高分子固体電解質、及び無機固体電解質等を用いてもよい。 Alternatively, in addition to liquid nonaqueous electrolytes and gel nonaqueous electrolytes, room-temperature molten salts containing lithium ions (ionic melts), polymer solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, etc. may also be used as nonaqueous electrolytes.
常温溶融塩(イオン性融体)は、有機物カチオンとアニオンとの組合せからなる有機塩の内、常温(15℃以上25℃以下)で液体として存在し得る化合物を指す。常温溶融塩には、単体で液体として存在する常温溶融塩、電解質塩と混合させることで液体となる常温溶融塩、有機溶媒に溶解させることで液体となる常温溶融塩、又はこれらの混合物が含まれる。一般に、二次電池に用いられる常温溶融塩の融点は、25℃以下である。また、有機物カチオンは、一般に4級アンモニウム骨格を有する。 A room-temperature molten salt (ionic melt) refers to an organic salt composed of a combination of organic cations and anions that can exist as a liquid at room temperature (15°C or higher and 25°C or lower). Room-temperature molten salts include room-temperature molten salts that exist as a liquid on their own, room-temperature molten salts that become liquid when mixed with an electrolyte salt, room-temperature molten salts that become liquid when dissolved in an organic solvent, and mixtures of these. Generally, the melting point of room-temperature molten salts used in secondary batteries is 25°C or lower. Furthermore, organic cations generally have a quaternary ammonium skeleton.
高分子固体電解質は、電解質塩を高分子材料に溶解し、固体化することによって調製される。 Polymer solid electrolytes are prepared by dissolving an electrolyte salt in a polymer material and solidifying it.
無機固体電解質は、Liイオン伝導性を有する固体物質である。ここでいうLiイオン伝導性を有するとは、25℃で1×10-6 S/cm以上のリチウムイオン伝導度を示すことを指す。無機固体電解質としては、例えば、酸化物系固体電解質、又は硫化物系固体電解質を挙げることができる。無機固体電解質の具体例は、下記のとおりである。 The inorganic solid electrolyte is a solid substance having Li ion conductivity. Here, "having Li ion conductivity" refers to exhibiting a lithium ion conductivity of 1×10 −6 S/cm or more at 25°C. Examples of inorganic solid electrolytes include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes. Specific examples of inorganic solid electrolytes are as follows:
酸化物系固体電解質としては、NASICON(Sodium (Na) Super Ionic Conductor)型構造を有し、一般式Li1+xMα2(PO4)3で表されるリチウムリン酸固体電解質を用いることが好ましい。上記一般式中のMαは、例えば、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、及びカルシウム(Ca)からなる群より選択される1以上である。添字xは、0≦x≦2の範囲内にある。 As the oxide-based solid electrolyte, a lithium phosphate solid electrolyte having a NASICON (Sodium (Na) Super Ionic Conductor) structure and represented by the general formula Li1 +xMα2 ( PO4 ) 3 is preferably used. In the general formula, Mα is, for example, one or more elements selected from the group consisting of titanium (Ti), germanium (Ge), strontium (Sr), zirconium (Zr), tin (Sn), aluminum (Al), and calcium (Ca). The subscript x is within the range of 0≦x≦2.
NASICON型構造を有するリチウムリン酸固体電解質の具体例としては、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3で表され0.1≦x≦0.5であるLATP化合物;Li1+xAlyMβ2-y(PO4)3で表されMβはTi,Ge,Sr,Zr,Sn,及びCaからなる群より選択される1以上であり0≦x≦1及び0≦y≦1である化合物;Li1+xAlxGe2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;及び、Li1+xAlxZr2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;Li1+x+yAlxMγ2-xSiyP3-yO12で表されMγはTi及びGeからなる群より選択される1以上であり0<x≦2、0≦y<3である化合物;Li1+2xZr1-xCax(PO4)3で表され0≦x<1である化合物を挙げることができる。 Specific examples of lithium phosphate solid electrolytes having a NASICON structure include LATP compounds represented by Li1 + xAlxTi2 -x ( PO4 ) 3 where 0.1≦x≦0.5; compounds represented by Li1 + xAlyMβ2 -y ( PO4 ) 3 where Mβ is one or more selected from the group consisting of Ti, Ge, Sr, Zr, Sn, and Ca, and where 0≦x≦1 and 0≦y≦1; compounds represented by Li1 + xAlxGe2 -x ( PO4 ) 3 where 0≦x≦2; and compounds represented by Li1 + xAlxZr2 -x ( PO4 ) 3 where 0≦x≦ 2 ; Li1 +x+ yAlxMγ2 - xSiyP3-yO 12 , where Mγ is 1 or more selected from the group consisting of Ti and Ge, and 0<x≦2, 0≦y<3; and a compound represented by Li 1+2x Zr 1-x Ca x (PO 4 ) 3 , where 0≦x<1.
また、酸化物系固体電解質としては、上記リチウムリン酸固体電解質の他にも、LixPOyNzで表され2.6≦x≦3.5、1.9≦y≦3.8、及び0.1≦z≦1.3であるアモルファス状のLIPON化合物(例えば、Li2.9PO3.3N0.46);ガーネット型構造のLa5+xAxLa3-xMδ2O12で表されAはCa,Sr,及びBaからなる群より選択される1以上でMδはNb及びTaからなる群より選択される1以上であり0≦x≦0.5である化合物;Li3Mδ2-xL2O12で表されMδはNb及びTaからなる群より選択される1以上でありLはZrを含み得0≦x≦0.5である化合物;Li7-3xAlxLa3Zr3O12で表され0≦x≦0.5である化合物;Li5+xLa3Mδ2-xZrxO12で表されMδはNb及びTaから成る群より選択される1以上であり0≦x≦2であるLLZ化合物(例えば、Li7La3Zr2O12);及びペロブスカイト型構造を有しLa2/3-xLixTiO3で表され0.3≦x≦0.7である化合物が挙げられる。 In addition to the lithium phosphate solid electrolyte, examples of oxide-based solid electrolytes include amorphous LIPON compounds (e.g., Li2.9PO3.3N0.46 ) represented by LixPOyNz , where 2.6≦x≦3.5, 1.9 ≦y≦ 3.8 , and 0.1≦z≦ 1.3 ; garnet-type compounds represented by La5 + xAxLa3 - xMδ2O12 , where A is 1 or more selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba, Mδ is 1 or more selected from the group consisting of Nb and Ta, and 0≦x≦ 0.5 ; Li3Mδ2 - xL2O12 , where Mδ is 1 or more selected from the group consisting of Nb and Ta, and L may contain Zr, and 0≦ x ≦ 0.5 ; and Li7-3xAlxLa3Zr LLZ compounds (e.g., Li7La3Zr2O12) having a perovskite structure and represented by the formula Li2 /3- xLixTiO3 , where 0≦x≦ 0.7 ; Li5 + xLa3Mδ2 - xZrxO12 , where Mδ is at least one element selected from the group consisting of Nb and Ta, and 0≦x≦ 2 ; and compounds having a perovskite structure and represented by the formula La2 /3-xLixTiO3 , where 0.3≦x≦ 0.7 .
上記化合物のうち1以上を固体電解質として用いることができる。上記固体電解質を2以上用いてもよい。 One or more of the above compounds can be used as the solid electrolyte. Two or more of the above solid electrolytes may also be used.
或いは、非水電解質の代わりに、液状水系電解質又はゲル状水系電解質を電解質として用いることができる。液状水系電解質は、溶質として、例えば、上記電解質塩を水系溶媒に溶解することにより調製される。ゲル状水系電解質は、液状水系電解質と上記高分子材料とを複合化することにより調製される。水系溶媒としては、水を含む溶液を用い得る。水を含む溶液とは、純水であってもよく、水と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。 Alternatively, instead of a nonaqueous electrolyte, a liquid aqueous electrolyte or a gelled aqueous electrolyte can be used as the electrolyte. A liquid aqueous electrolyte is prepared by dissolving, for example, the above-mentioned electrolyte salt as a solute in an aqueous solvent. A gelled aqueous electrolyte is prepared by combining a liquid aqueous electrolyte with the above-mentioned polymer material. A solution containing water can be used as the aqueous solvent. The solution containing water may be pure water or a mixed solvent of water and an organic solvent.
4)セパレータ
セパレータは、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、セルロース、若しくはポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)を含む多孔質フィルム、又は合成樹脂製不織布から形成される。安全性の観点からは、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムを用いることが好ましい。これらの多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能なためである。
4) Separator The separator is formed from, for example, a porous film containing polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), or a synthetic resin nonwoven fabric. From the viewpoint of safety, it is preferable to use a porous film formed from polyethylene or polypropylene. This is because these porous films melt at a certain temperature and are capable of interrupting current.
5)外装部材
外装部材としては、例えば、ラミネートフィルムからなる容器、又は金属製容器を用いることができる。
5) Exterior Member As the exterior member, for example, a container made of a laminate film or a metal container can be used.
ラミネートフィルムの厚さは、例えば、0.5mm以下であり、好ましくは、0.2mm以下である。 The thickness of the laminate film is, for example, 0.5 mm or less, and preferably 0.2 mm or less.
ラミネートフィルムとしては、複数の樹脂層とこれらの樹脂層間に介在した金属層とを含む多層フィルムが用いられる。樹脂層は、例えば、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)等の高分子材料を含んでいる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔からなることが好ましい。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行うことにより、外装部材の形状に成形され得る。 The laminate film used is a multilayer film containing multiple resin layers and metal layers sandwiched between these resin layers. The resin layers contain polymeric materials such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET). The metal layers are preferably made of aluminum foil or aluminum alloy foil to reduce weight. The laminate film can be molded into the shape of the exterior component by sealing it with heat.
金属製容器の壁の厚さは、例えば、1mm以下であり、より好ましくは0.5mm以下であり、更に好ましくは、0.2mm以下である。 The wall thickness of the metal container is, for example, 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and even more preferably 0.2 mm or less.
金属製容器は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、及びケイ素等の元素を含むことが好ましい。アルミニウム合金は、鉄、銅、ニッケル、及びクロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は1質量%以下であることが好ましい。 The metal container is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy preferably contains elements such as magnesium, zinc, and silicon. If the aluminum alloy contains transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium, the content of these metals is preferably 1% by mass or less.
外装部材の形状は、特に限定されない。外装部材の形状は、例えば、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、又はボタン型等であってもよい。外装部材は、電池寸法や電池の用途に応じて適宜選択することができる。 The shape of the exterior member is not particularly limited. The shape of the exterior member may be, for example, flat (thin), rectangular, cylindrical, coin-shaped, or button-shaped. The exterior member can be selected appropriately depending on the battery dimensions and intended use.
6)負極端子
負極端子は、上述の負極活物質のLi挿入脱離電位において電気化学的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成することができる。具体的には、負極端子の材料としては、銅、ニッケル、ステンレス若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。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からなることが好ましい。
6) Negative Electrode Terminal The negative electrode terminal can be formed from a material that is electrochemically stable and conductive at the Li insertion/extraction potential of the above-described negative electrode active material. Specifically, the material for the negative electrode terminal can be copper, nickel, stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. Aluminum or an aluminum alloy is preferably used as the material for the negative electrode terminal. The negative electrode terminal is preferably made of the same material as the negative electrode current collector in order to reduce contact resistance with the negative electrode current collector.
7)正極端子
正極端子は、リチウムの酸化還元電位に対し3V以上4.5V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種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から形成されることが好ましい。
7) Positive Electrode Terminal The positive electrode terminal can be formed from a material that is electrically stable and conductive in a potential range of 3 V to 4.5 V relative to the redox potential of lithium (vs. Li/Li + ). Examples of materials for the positive electrode terminal include aluminum and aluminum alloys containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The positive electrode terminal is preferably formed from the same material as the positive electrode current collector in order to reduce contact resistance with the positive electrode current collector.
以上、第2の実施形態に係る電極を負極として含む態様を説明した。第3の実施形態に係る二次電池の態様のうち、正極として第2の実施形態に係る電極を含む態様では、その対極である負極として、例えば、次のような対極を用いることができる。リチウム金属、リチウム金属合金、黒鉛、シリコン、酸化シリコン、酸化スズ、シリコン、スズ、その他合金から選ばれる少なくとも一種の電極を、負極として用いることができる。活物質中にLiを含まない材料は、Li元素のプレドープを行うことにより負極として用いることができる。 Aspects including the electrode according to the second embodiment as the negative electrode have been described above. Among the aspects of the secondary battery according to the third embodiment, in aspects including the electrode according to the second embodiment as the positive electrode, the negative electrode, which is the counter electrode, can be, for example, the following counter electrodes. At least one electrode selected from lithium metal, lithium metal alloy, graphite, silicon, silicon oxide, tin oxide, silicon, tin, and other alloys can be used as the negative electrode. Materials that do not contain Li in the active material can be used as the negative electrode by pre-doping with Li element.
第2の実施形態に係る電極を正極として含む態様において、当該正極の詳細は第2の実施形態にて説明したものと重複するため、省略する。 In the case of an embodiment in which the electrode according to the second embodiment is used as a positive electrode, details of the positive electrode overlap with those described in the second embodiment and are therefore omitted here.
次に、第3の実施形態に係る二次電池について、図面を参照しながらより具体的に説明する。 Next, the secondary battery according to the third embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
図3は、二次電池の一例を概略的に示す断面図である。図4は、図3に示す二次電池のA部を拡大した断面図である。 Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of a secondary battery. Figure 4 is an enlarged cross-sectional view of part A of the secondary battery shown in Figure 3.
図3及び図4に示す二次電池100は、図3に示す電極群1と、図3及び図4に示す袋状外装部材2と、図示しない電解質とを具備する。電極群1及び電解質は、袋状外装部材2内に収納されている。電解質(図示しない)は、電極群1に保持されている。 The secondary battery 100 shown in Figures 3 and 4 includes an electrode group 1 shown in Figure 3, a bag-shaped outer casing member 2 shown in Figures 3 and 4, and an electrolyte (not shown). The electrode group 1 and electrolyte are housed within the bag-shaped outer casing member 2. The electrolyte (not shown) is held in the electrode group 1.
袋状外装部材2は、2つの樹脂層とこれらの間に介在した金属層とを含むラミネートフィルムからなる。 The bag-shaped exterior member 2 is made of a laminate film containing two resin layers and a metal layer sandwiched between them.
図3に示すように、電極群1は、扁平状の捲回型電極群である。扁平状で捲回型である電極群1は、図4に示すように、負極3と、セパレータ4と、正極5とを含む。セパレータ4は、負極3と正極5との間に介在している。 As shown in Figure 3, the electrode group 1 is a flat, wound electrode group. As shown in Figure 4, the flat, wound electrode group 1 includes a negative electrode 3, a separator 4, and a positive electrode 5. The separator 4 is interposed between the negative electrode 3 and the positive electrode 5.
負極3は、負極集電体3aと負極活物質含有層3bとを含む。負極3のうち、捲回型の電極群1の最外殻に位置する部分は、図4に示すように負極集電体3aの内面側のみに負極活物質含有層3bが形成されている。負極3におけるその他の部分では、負極集電体3aの両面に負極活物質含有層3bが形成されている。 The negative electrode 3 includes a negative electrode current collector 3a and a negative electrode active material-containing layer 3b. In the portion of the negative electrode 3 located at the outermost shell of the wound electrode group 1, the negative electrode active material-containing layer 3b is formed only on the inner surface of the negative electrode current collector 3a, as shown in Figure 4. In other portions of the negative electrode 3, the negative electrode active material-containing layer 3b is formed on both sides of the negative electrode current collector 3a.
正極5は、正極集電体5aと、その両面に形成された正極活物質含有層5bとを含んでいる。 The positive electrode 5 includes a positive electrode current collector 5a and a positive electrode active material-containing layer 5b formed on both sides of the positive electrode current collector 5a.
図3に示すように、負極端子6及び正極端子7は、捲回型の電極群1の外周端近傍に位置している。この負極端子6は、負極集電体3aの最外殻に位置する部分に接続されている。また、正極端子7は、正極集電体5aの最外殻に位置する部分に接続されている。これらの負極端子6及び正極端子7は、袋状外装部材2の開口部から外部に延出されている。袋状外装部材2の内面には、熱可塑性樹脂層が設置されており、これが熱融着されていることにより、開口部が閉じられている。 As shown in FIG. 3, the negative electrode terminal 6 and positive electrode terminal 7 are located near the outer peripheral edge of the wound electrode group 1. The negative electrode terminal 6 is connected to the outermost portion of the negative electrode current collector 3a. The positive electrode terminal 7 is connected to the outermost portion of the positive electrode current collector 5a. The negative electrode terminal 6 and positive electrode terminal 7 extend outward from the opening of the bag-shaped exterior member 2. A thermoplastic resin layer is provided on the inner surface of the bag-shaped exterior member 2, and the opening is closed by heat sealing this.
実施形態に係る二次電池は、図3及び図4に示す構成の二次電池に限らず、例えば図5及び図6に示す構成の電池であってもよい。 The secondary battery according to the embodiment is not limited to the secondary battery having the configuration shown in Figures 3 and 4, but may also be a battery having the configuration shown in Figures 5 and 6, for example.
図5は、二次電池の他の例を模式的に示す部分切欠斜視図である。図6は、図5に示す二次電池のB部を拡大した断面図である。 Figure 5 is a partially cutaway perspective view schematically showing another example of a secondary battery. Figure 6 is an enlarged cross-sectional view of part B of the secondary battery shown in Figure 5.
図5及び図6に示す二次電池100は、図5及び図6に示す電極群1と、図5に示す外装部材2と、図示しない電解質とを具備する。電極群1及び電解質は、外装部材2内に収納されている。電解質は、電極群1に保持されている。 The secondary battery 100 shown in Figures 5 and 6 includes an electrode group 1 shown in Figures 5 and 6, an exterior member 2 shown in Figure 5, and an electrolyte (not shown). The electrode group 1 and electrolyte are housed within the exterior member 2. The electrolyte is held in the electrode group 1.
外装部材2は、2つの樹脂層とこれらの間に介在した金属層とを含むラミネートフィルムからなる。 The exterior member 2 consists of a laminate film containing two resin layers and a metal layer sandwiched between them.
電極群1は、図6に示すように、積層型の電極群である。積層型の電極群1は、負極3と正極5とをその間にセパレータ4を介在させながら交互に積層した構造を有している。 As shown in Figure 6, the electrode group 1 is a laminated electrode group. The laminated electrode group 1 has a structure in which negative electrodes 3 and positive electrodes 5 are alternately stacked with separators 4 interposed between them.
電極群1は、複数の負極3を含んでいる。複数の負極3は、それぞれが、負極集電体3aと、負極集電体3aの両面に担持された負極活物質含有層3bとを備えている。また、電極群1は、複数の正極5を含んでいる。複数の正極5は、それぞれが、正極集電体5aと、正極集電体5aの両面に担持された正極活物質含有層5bとを備えている。 The electrode group 1 includes a plurality of negative electrodes 3. Each of the plurality of negative electrodes 3 includes a negative electrode current collector 3a and a negative electrode active material-containing layer 3b supported on both sides of the negative electrode current collector 3a. The electrode group 1 also includes a plurality of positive electrodes 5. Each of the plurality of positive electrodes 5 includes a positive electrode current collector 5a and a positive electrode active material-containing layer 5b supported on both sides of the positive electrode current collector 5a.
各負極3の負極集電体3aは、その一辺において、いずれの表面にも負極活物質含有層3bが担持されていない部分を含む。この部分は、負極集電タブ3cとして働く。図6に示すように、負極集電タブ3cは、正極5と重なっていない。また、複数の負極集電タブ3cは、帯状の負極端子6に電気的に接続されている。帯状の負極端子6の先端は、外装部材2の外部に引き出されている。 The negative electrode current collector 3a of each negative electrode 3 includes a portion on one side where the negative electrode active material-containing layer 3b is not supported on any surface. This portion functions as a negative electrode current collector tab 3c. As shown in FIG. 6, the negative electrode current collector tab 3c does not overlap with the positive electrode 5. Furthermore, the multiple negative electrode current collector tabs 3c are electrically connected to a strip-shaped negative electrode terminal 6. The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 6 is extended outside the exterior member 2.
また、図示しないが、各正極5の正極集電体5aは、その一辺において、いずれの表面にも正極活物質含有層5bが担持されていない部分を含む。この部分は、正極集電タブとして働く。正極集電タブは、負極集電タブ3cと同様に、負極3と重なっていない。また、正極集電タブは、負極集電タブ3cに対し電極群1の反対側に位置する。正極集電タブは、帯状の正極端子7に電気的に接続されている。帯状の正極端子7の先端は、負極端子6とは反対側に位置し、外装部材2の外部に引き出されている。 Although not shown, the positive electrode current collector 5a of each positive electrode 5 includes a portion on one side where the positive electrode active material-containing layer 5b is not supported on any surface. This portion functions as a positive electrode current collecting tab. Like the negative electrode current collecting tab 3c, the positive electrode current collecting tab does not overlap with the negative electrode 3. The positive electrode current collecting tab is located on the opposite side of the electrode group 1 from the negative electrode current collecting tab 3c. The positive electrode current collecting tab is electrically connected to a strip-shaped positive electrode terminal 7. The tip of the strip-shaped positive electrode terminal 7 is located on the opposite side from the negative electrode terminal 6 and is extended to the outside of the exterior member 2.
第3の実施形態に係る二次電池は、第2の実施形態に係る電極を含んでいる。つまり第3の実施形態に係る二次電池は、第1の実施形態に係る活物質を含む電極を含んでいる。そのため、第3の実施形態に係る二次電池は、体積当たりの容量が高い。 The secondary battery according to the third embodiment includes the electrode according to the second embodiment. In other words, the secondary battery according to the third embodiment includes an electrode containing the active material according to the first embodiment. Therefore, the secondary battery according to the third embodiment has a high capacity per volume.
(第4の実施形態)
第4の実施形態によると、組電池が提供される。係る組電池は、第3の実施形態に係る二次電池を複数個具備している。
(Fourth embodiment)
According to a fourth embodiment, there is provided a battery pack, which includes a plurality of secondary batteries according to the third embodiment.
係る組電池において、各単電池は、電気的に直列若しくは並列に接続して配置してもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて配置してもよい。 In such a battery pack, the individual cells may be electrically connected in series or parallel, or may be connected in a combination of series and parallel.
次に、第4の実施形態に係る組電池の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a battery pack according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings.
図7は、組電池の一例を概略的に示す斜視図である。図7に示す組電池200は、5つの単電池100a~100eと、4つのバスバー21と、正極側リード22と、負極側リード23とを具備している。5つの単電池100a~100eのそれぞれは、第3の実施形態に係る二次電池である。 Figure 7 is a perspective view showing a schematic example of a battery pack. The battery pack 200 shown in Figure 7 includes five cells 100a-100e, four bus bars 21, a positive electrode lead 22, and a negative electrode lead 23. Each of the five cells 100a-100e is a secondary battery according to the third embodiment.
バスバー21は、例えば、1つの単電池100aの負極端子6と、隣に位置する単電池100bの正極端子7とを接続している。このようにして、5つの単電池100は、4つのバスバー21により直列に接続されている。すなわち、図7の組電池200は、5直列の組電池である。例を図示しないが、電気的に並列に接続されている複数の単電池を含む組電池では、例えば、複数の負極端子同士がバスバーにより接続されるとともに複数の正極端子同士がバスバーにより接続されることで、複数の単電池が電気的に接続され得る。 The bus bar 21 connects, for example, the negative terminal 6 of one cell 100a to the positive terminal 7 of the adjacent cell 100b. In this way, the five cells 100 are connected in series by four bus bars 21. In other words, the battery pack 200 in Figure 7 is a five-series battery pack. Although an example is not shown, in a battery pack including multiple cells electrically connected in parallel, the multiple cells can be electrically connected, for example, by connecting multiple negative terminals together by a bus bar and connecting multiple positive terminals together by a bus bar.
5つの単電池100a~100eのうち少なくとも1つの電池の正極端子7は、外部接続用の正極側リード22に電気的に接続されている。また、5つの単電池100a~100eうち少なくとも1つの電池の負極端子6は、外部接続用の負極側リード23に電気的に接続されている。 The positive electrode terminal 7 of at least one of the five cells 100a-100e is electrically connected to a positive electrode lead 22 for external connection. The negative electrode terminal 6 of at least one of the five cells 100a-100e is electrically connected to a negative electrode lead 23 for external connection.
第4の実施形態に係る組電池は、第3の実施形態に係る二次電池を具備する。従って、係る組電池の体積当たりの容量が高い。 The battery pack according to the fourth embodiment includes the secondary battery according to the third embodiment. Therefore, the capacity per volume of such a battery pack is high.
(第5の実施形態)
第5の実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池を具備している。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池の代わりに、単一の第3の実施形態に係る二次電池を具備していてもよい。
Fifth Embodiment
According to a fifth embodiment, there is provided a battery pack. This battery pack includes the battery assembly according to the fourth embodiment. This battery pack may include a single secondary battery according to the third embodiment instead of the battery assembly according to the fourth embodiment.
係る電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、二次電池の充放電を制御する機能を有する。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用してもよい。 Such a battery pack may further include a protection circuit. The protection circuit has the function of controlling the charging and discharging of the secondary battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses the battery pack as a power source (e.g., electronic equipment, automobiles, etc.) may be used as the protection circuit for the battery pack.
また、係る電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、外部に二次電池からの電流を出力するため、及び/又は二次電池に外部からの電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 The battery pack may also be equipped with external terminals for current flow. The external terminals for current flow are for outputting current from the secondary battery to the outside and/or inputting current from the outside to the secondary battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminals for current flow. When charging the battery pack, charging current (including regenerative energy from the power of a vehicle, etc.) is supplied to the battery pack through the external terminals for current flow.
次に、実施形態に係る電池パックの一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a battery pack according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
図8は、電池パックの一例を概略的に示す分解斜視図である。図9は、図8に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。 Figure 8 is an exploded perspective view showing an example of a battery pack. Figure 9 is a block diagram showing an example of the electrical circuit of the battery pack shown in Figure 8.
図8及び図9に示す電池パック300は、収容容器31と、蓋32と、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35と、図示しない絶縁板とを備えている。 The battery pack 300 shown in Figures 8 and 9 includes a container 31, a lid 32, a protective sheet 33, a battery pack 200, a printed wiring board 34, wiring 35, and an insulating plate (not shown).
図8に示す収容容器31は、長方形の底面を有する有底角型容器である。収容容器31は、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35とを収容可能に構成されている。蓋32は、矩形型の形状を有する。蓋32は、収容容器31を覆うことにより、上記組電池200等を収容する。収容容器31及び蓋32には、図示していないが、外部機器等へと接続するための開口部又は接続端子等が設けられている。 The storage container 31 shown in Figure 8 is a bottomed, square container with a rectangular bottom. The storage container 31 is configured to be able to accommodate a protective sheet 33, a battery pack 200, a printed wiring board 34, and wiring 35. The lid 32 has a rectangular shape. The lid 32 covers the storage container 31 to accommodate the battery pack 200 and other components. Although not shown, the storage container 31 and the lid 32 are provided with openings or connection terminals for connecting to external devices, etc.
組電池200は、複数の単電池100と、正極側リード22と、負極側リード23と、粘着テープ24とを備えている。 The battery pack 200 includes multiple cells 100, a positive electrode lead 22, a negative electrode lead 23, and adhesive tape 24.
複数の単電池100の少なくとも1つは、第3の実施形態に係る二次電池である。複数の単電池100の各々は、図9に示すように電気的に直列に接続されている。複数の単電池100は、電気的に並列に接続されていてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されていてもよい。複数の単電池100を並列接続すると、直列接続した場合と比較して、電池容量が増大する。 At least one of the multiple cells 100 is a secondary battery according to the third embodiment. Each of the multiple cells 100 is electrically connected in series as shown in FIG. 9 . The multiple cells 100 may be electrically connected in parallel, or may be connected in a combination of series and parallel connections. Connecting multiple cells 100 in parallel increases battery capacity compared to connecting them in series.
粘着テープ24は、複数の単電池100を締結している。粘着テープ24の代わりに、熱収縮テープを用いて複数の単電池100を固定してもよい。この場合、組電池200の両側面に保護シート33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複数の単電池100を結束させる。 Adhesive tape 24 fastens the multiple cells 100 together. Instead of adhesive tape 24, heat-shrinkable tape may be used to secure the multiple cells 100 together. In this case, protective sheets 33 are placed on both sides of the battery pack 200, heat-shrinkable tape is wrapped around the cells, and the heat-shrinkable tape is then thermally shrunk to bind the multiple cells 100 together.
正極側リード22の一端は、組電池200に接続されている。正極側リード22の一端は、1以上の単電池100の正極と電気的に接続されている。負極側リード23の一端は、組電池200に接続されている。負極側リード23の一端は、1以上の単電池100の負極と電気的に接続されている。 One end of the positive electrode lead 22 is connected to the battery pack 200. One end of the positive electrode lead 22 is electrically connected to the positive electrode of one or more cells 100. One end of the negative electrode lead 23 is connected to the battery pack 200. One end of the negative electrode lead 23 is electrically connected to the negative electrode of one or more cells 100.
プリント配線基板34は、収容容器31の内側面のうち、一方の短辺方向の面に沿って設置されている。プリント配線基板34は、正極側コネクタ342と、負極側コネクタ343と、サーミスタ345と、保護回路346と、配線342a及び343aと、通電用の外部端子350と、プラス側配線(正側配線)348aと、マイナス側配線(負側配線)348bとを備えている。プリント配線基板34の一方の主面は、組電池200の一側面と向き合っている。プリント配線基板34と組電池200との間には、図示しない絶縁板が介在している。 The printed wiring board 34 is installed along one of the shorter sides of the inner surface of the container 31. The printed wiring board 34 includes a positive connector 342, a negative connector 343, a thermistor 345, a protection circuit 346, wiring 342a and 343a, an external terminal 350 for supplying current, a positive wiring (positive wiring) 348a, and a negative wiring (negative wiring) 348b. One main surface of the printed wiring board 34 faces one side of the battery pack 200. An insulating plate (not shown) is interposed between the printed wiring board 34 and the battery pack 200.
正極側コネクタ342に、正極側リード22の他端22aが電気的に接続されている。負極側コネクタ343に、負極側リード23の他端23aが電気的に接続されている。 The other end 22a of the positive electrode lead 22 is electrically connected to the positive electrode connector 342. The other end 23a of the negative electrode lead 23 is electrically connected to the negative electrode connector 343.
サーミスタ345は、プリント配線基板34の一方の主面に固定されている。サーミスタ345は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路346に送信する。 The thermistor 345 is fixed to one main surface of the printed wiring board 34. The thermistor 345 detects the temperature of each battery cell 100 and transmits the detection signal to the protection circuit 346.
通電用の外部端子350は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。通電用の外部端子350は、電池パック300の外部に存在する機器と電気的に接続されている。通電用の外部端子350は、正側端子352と負側端子353とを含む。 The external terminals 350 for current flow are fixed to the other main surface of the printed wiring board 34. The external terminals 350 for current flow are electrically connected to devices external to the battery pack 300. The external terminals 350 for current flow include a positive terminal 352 and a negative terminal 353.
保護回路346は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。保護回路346は、プラス側配線348aを介して正側端子352と接続されている。保護回路346は、マイナス側配線348bを介して負側端子353と接続されている。また、保護回路346は、配線342aを介して正極側コネクタ342に電気的に接続されている。保護回路346は、配線343aを介して負極側コネクタ343に電気的に接続されている。更に、保護回路346は、複数の単電池100の各々と配線35を介して電気的に接続されている。 The protection circuit 346 is fixed to the other main surface of the printed wiring board 34. The protection circuit 346 is connected to the positive terminal 352 via the positive wiring 348a. The protection circuit 346 is connected to the negative terminal 353 via the negative wiring 348b. The protection circuit 346 is also electrically connected to the positive connector 342 via wiring 342a. The protection circuit 346 is electrically connected to the negative connector 343 via wiring 343a. The protection circuit 346 is also electrically connected to each of the multiple cells 100 via wiring 35.
保護シート33は、収容容器31の長辺方向の両方の内側面と、組電池200を介してプリント配線基板34と向き合う短辺方向の内側面とに配置されている。保護シート33は、例えば、樹脂又はゴムからなる。 The protective sheet 33 is arranged on both inner surfaces of the long sides of the container 31 and on the inner surface of the short side that faces the printed wiring board 34 via the battery pack 200. The protective sheet 33 is made of, for example, resin or rubber.
保護回路346は、複数の単電池100の充放電を制御する。また、保護回路346は、サーミスタ345から送信される検出信号、又は、個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号に基づいて、保護回路346と外部機器への通電用の外部端子350(正側端子352、負側端子353)との電気的な接続を遮断する。 The protection circuit 346 controls the charging and discharging of the multiple cells 100. Furthermore, the protection circuit 346 cuts off the electrical connection between the protection circuit 346 and the external terminals 350 (positive terminal 352, negative terminal 353) for supplying electricity to external devices based on a detection signal transmitted from the thermistor 345 or a detection signal transmitted from an individual cell 100 or the battery pack 200.
サーミスタ345から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の温度が所定の温度以上であることを検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の過充電、過放電及び過電流を検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100について過充電等を検出する場合、電池電圧を検出してもよく、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。 Examples of detection signals transmitted from the thermistor 345 include signals detecting that the temperature of a cell 100 is equal to or higher than a predetermined temperature. Examples of detection signals transmitted from an individual cell 100 or the battery pack 200 include signals detecting overcharge, overdischarge, and overcurrent of a cell 100. When detecting overcharge, etc. for an individual cell 100, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each cell 100.
なお、保護回路346としては、電池パック300を電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を用いてもよい。 The protection circuit 346 may also be a circuit included in a device (e.g., electronic equipment, automobile, etc.) that uses the battery pack 300 as a power source.
また、この電池パック300は、上述したように通電用の外部端子350を備えている。したがって、この電池パック300は、通電用の外部端子350を介して、組電池200からの電流を外部機器に出力するとともに、外部機器からの電流を、組電池200に入力することができる。言い換えると、電池パック300を電源として使用する際には、組電池200からの電流が、通電用の外部端子350を通して外部機器に供給される。また、電池パック300を充電する際には、外部機器からの充電電流が、通電用の外部端子350を通して電池パック300に供給される。この電池パック300を車載用電池として用いた場合、外部機器からの充電電流として、車両の動力の回生エネルギーを用いることができる。 Furthermore, as described above, the battery pack 300 is equipped with the external terminal 350 for current flow. Therefore, the battery pack 300 can output current from the battery assembly 200 to an external device and input current from the external device to the battery assembly 200 via the external terminal 350 for current flow. In other words, when the battery pack 300 is used as a power source, current from the battery assembly 200 is supplied to the external device via the external terminal 350 for current flow. Furthermore, when charging the battery pack 300, charging current from the external device is supplied to the battery pack 300 via the external terminal 350 for current flow. When the battery pack 300 is used as an in-vehicle battery, regenerative energy from the vehicle's power can be used as charging current from the external device.
なお、電池パック300は、複数の組電池200を備えていてもよい。この場合、複数の組電池200は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。また、プリント配線基板34及び配線35は省略してもよい。この場合、正極側リード22及び負極側リード23を通電用の外部端子350の正側端子352と負側端子353としてそれぞれ用いてもよい。 The battery pack 300 may include multiple battery assemblies 200. In this case, the multiple battery assemblies 200 may be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel connections. The printed wiring board 34 and wiring 35 may also be omitted. In this case, the positive electrode lead 22 and the negative electrode lead 23 may be used as the positive terminal 352 and the negative terminal 353, respectively, of the external terminal 350 for current supply.
このような電池パックは、例えば大電流を取り出したときにサイクル性能が優れていることが要求される用途に用いられる。この電池パックは、具体的には、例えば、電子機器の電源、定置用電池、各種車両の車載用電池として用いられる。電子機器としては、例えば、デジタルカメラを挙げることができる。この電池パックは、車載用電池として特に好適に用いられる。 Such battery packs are used in applications that require excellent cycle performance, for example, when drawing large currents. Specific examples of such battery packs include power sources for electronic devices, stationary batteries, and on-board batteries for various vehicles. Examples of electronic devices include digital cameras. This battery pack is particularly suitable for use as an on-board battery.
第5の実施形態に係る電池パックは、第3の実施形態に係る二次電池又は第4の実施形態に係る組電池を備えている。従って、係る電池パックの体積当たりの容量が高い。 The battery pack according to the fifth embodiment includes the secondary battery according to the third embodiment or the battery pack according to the fourth embodiment. Therefore, the battery pack has a high capacity per volume.
(第6の実施形態)
第6の実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。
Sixth Embodiment
According to a sixth embodiment, a vehicle is provided, which is equipped with the battery pack according to the fifth embodiment.
係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(Regenerator:再生器)を含んでいてもよい。 In such a vehicle, the battery pack, for example, recovers regenerative energy from the vehicle's motive power. The vehicle may also include a mechanism (regenerator) that converts the vehicle's kinetic energy into regenerative energy.
車両の例としては、例えば、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、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of vehicles include two- to four-wheeled hybrid electric vehicles, two- to four-wheeled electric vehicles, power-assisted bicycles, and rail vehicles.
車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The location where the battery pack is installed in a vehicle is not particularly limited. For example, when the battery pack is installed in an automobile, the battery pack can be installed in the engine compartment, the rear of the vehicle, or under the seat.
車両は、複数の電池パックを搭載してもよい。この場合、それぞれの電池パックが含む電池同士は、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。例えば、各電池パックが組電池を含む場合は、組電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、又は電気的に並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。或いは、各電池パックが単一の電池を含む場合は、それぞれの電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。 A vehicle may be equipped with multiple battery packs. In this case, the batteries included in each battery pack may be electrically connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel connections. For example, if each battery pack includes a battery assembly, the battery assembly may be electrically connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel connections. Alternatively, if each battery pack includes a single battery, the batteries may be electrically connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel connections.
次に、実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a vehicle according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
図10は、車両の一例を概略的に示す部分透過図である。 Figure 10 is a partially transparent view showing an example of a vehicle.
図10に示す車両400は、車両本体40と、第5の実施形態に係る電池パック300とを含んでいる。図10に示す例では、車両400は、四輪の自動車である。 The vehicle 400 shown in Figure 10 includes a vehicle body 40 and a battery pack 300 according to the fifth embodiment. In the example shown in Figure 10, the vehicle 400 is a four-wheeled automobile.
この車両400は、複数の電池パック300を搭載してもよい。この場合、電池パック300が含む電池(例えば、単電池または組電池)は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。 The vehicle 400 may be equipped with multiple battery packs 300. In this case, the batteries (e.g., single cells or battery packs) included in the battery packs 300 may be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel connections.
図10では、電池パック300が車両本体40の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている例を図示している。上述したとおり、電池パック300は、例えば、車両本体40の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック300は、車両400の電源として用いることができる。また、この電池パック300は、車両400の動力の回生エネルギーを回収することができる。 Figure 10 illustrates an example in which the battery pack 300 is mounted in an engine compartment located in the front of the vehicle body 40. As mentioned above, the battery pack 300 may also be mounted, for example, at the rear of the vehicle body 400 or under a seat. This battery pack 300 can be used as a power source for the vehicle 400. In addition, this battery pack 300 can recover regenerative energy for powering the vehicle 400.
次に、図11を参照しながら、実施形態に係る車両の実施態様について説明する。 Next, referring to Figure 11, we will explain the implementation of a vehicle according to an embodiment.
図11は、車両における電気系統に関する制御システムの一例を概略的に示した図である。図11に示す車両400は、電気自動車である。 Figure 11 is a diagram that shows an example of a control system for an electrical system in a vehicle. The vehicle 400 shown in Figure 11 is an electric vehicle.
図11に示す車両400は、車両本体40と、車両用電源41と、車両用電源41の上位の制御装置である車両ECU(ECU:Electric Control Unit;電気制御装置)42と、外部端子(外部電源に接続するための端子)43と、インバータ44と、駆動モータ45とを備えている。 The vehicle 400 shown in Figure 11 includes a vehicle body 40, a vehicle power supply 41, a vehicle ECU (Electric Control Unit) 42 which is a higher-level control device for the vehicle power supply 41, an external terminal (terminal for connecting to an external power supply) 43, an inverter 44, and a drive motor 45.
車両400は、車両用電源41を、例えばエンジンルーム、自動車の車体後方又は座席の下に搭載している。なお、図11に示す車両400では、車両用電源41の搭載箇所については概略的に示している。 The vehicle 400 is equipped with a vehicle power supply 41, for example, in the engine compartment, at the rear of the vehicle body, or under the seat. Note that the location of the vehicle power supply 41 in the vehicle 400 shown in Figure 11 is shown schematically.
車両用電源41は、複数(例えば3つ)の電池パック300a、300b及び300cと、電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)411と、通信バス412とを備えている。 The vehicle power supply 41 includes multiple (e.g., three) battery packs 300a, 300b, and 300c, a battery management unit (BMU) 411, and a communication bus 412.
電池パック300aは、組電池200aと組電池監視装置301a(例えば、VTM:Voltage Temperature Monitoring)とを備えている。電池パック300bは、組電池200bと組電池監視装置301bとを備えている。電池パック300cは、組電池200cと組電池監視装置301cとを備えている。電池パック300a~300cは、前述の電池パック300と同様の電池パックであり、組電池200a~200cは、前述の組電池200と同様の組電池である。組電池200a~200cは、電気的に直列に接続されている。電池パック300a、300b、及び300cは、それぞれ独立して取り外すことが可能であり、別の電池パック300と交換することができる。 Battery pack 300a includes battery pack 200a and battery pack monitoring device 301a (e.g., VTM: Voltage Temperature Monitoring). Battery pack 300b includes battery pack 200b and battery pack monitoring device 301b. Battery pack 300c includes battery pack 200c and battery pack monitoring device 301c. Battery packs 300a-300c are similar to battery pack 300 described above, and battery packs 200a-200c are similar to battery pack 200 described above. Battery packs 200a-200c are electrically connected in series. Battery packs 300a, 300b, and 300c can each be removed independently and replaced with another battery pack 300.
組電池200a~200cのそれぞれは、直列に接続された複数の単電池を備えている。複数の単電池の少なくとも1つは、第3の実施形態に係る二次電池である。組電池200a~200cは、それぞれ、正極端子413及び負極端子414を通じて充放電を行う。 Each of the assembled batteries 200a to 200c includes a plurality of cells connected in series. At least one of the cells is a secondary battery according to the third embodiment. The assembled batteries 200a to 200c are charged and discharged via the positive terminal 413 and the negative terminal 414, respectively.
電池管理装置411は、組電池監視装置301a~301cとの間で通信を行い、車両用電源41に含まれる組電池200a~200cに含まれる単電池100のそれぞれについて電圧及び温度などに関する情報を収集する。これにより、電池管理装置411は、車両用電源41の保全に関する情報を収集する。 The battery management unit 411 communicates with the assembled battery monitoring units 301a-301c and collects information on the voltage, temperature, and other characteristics of each of the cells 100 contained in the assembled batteries 200a-200c included in the vehicle power supply 41. In this way, the battery management unit 411 collects information related to the maintenance of the vehicle power supply 41.
電池管理装置411と組電池監視装置301a~301cとは、通信バス412を介して接続されている。通信バス412では、1組の通信線が複数のノード(電池管理装置411と1つ以上の組電池監視装置301a~301cと)で共有されている。通信バス412は、例えばCAN(Control Area Network)規格に基づいて構成された通信バスである。 The battery management unit 411 and the assembled battery monitoring units 301a-301c are connected via a communication bus 412. In the communication bus 412, one set of communication lines is shared by multiple nodes (the battery management unit 411 and one or more assembled battery monitoring units 301a-301c). The communication bus 412 is a communication bus configured based on, for example, the CAN (Control Area Network) standard.
組電池監視装置301a~301cは、電池管理装置411からの通信による指令に基づいて、組電池200a~200cを構成する個々の単電池の電圧及び温度を計測する。ただし、温度は1つの組電池につき数箇所だけで測定することができ、全ての単電池の温度を測定しなくてもよい。 The battery pack monitoring devices 301a-301c measure the voltage and temperature of each cell that makes up the battery packs 200a-200c based on commands received via communication from the battery management device 411. However, the temperature can be measured at only a few locations per battery pack; it is not necessary to measure the temperature of all the cells.
車両用電源41は、正極端子413と負極端子414との間の電気的な接続の有無を切り替える電磁接触器(例えば図11に示すスイッチ装置415)を有することもできる。スイッチ装置415は、組電池200a~200cへの充電が行われるときにオンになるプリチャージスイッチ(図示せず)、及び、組電池200a~200cからの出力が負荷へ供給されるときにオンになるメインスイッチ(図示せず)を含んでいる。プリチャージスイッチ及びメインスイッチのそれぞれは、スイッチ素子の近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオン又はオフに切り替わるリレー回路(図示せず)を備えている。スイッチ装置415等の電磁接触器は、電池管理装置411又は車両400全体の動作を制御する車両ECU42からの制御信号に基づいて、制御される。 The vehicle power supply 41 may also have an electromagnetic contactor (e.g., the switch device 415 shown in FIG. 11) that switches the electrical connection between the positive terminal 413 and the negative terminal 414. The switch device 415 includes a pre-charge switch (not shown) that turns on when the assembled batteries 200a-200c are being charged, and a main switch (not shown) that turns on when output from the assembled batteries 200a-200c is being supplied to a load. The pre-charge switch and the main switch each include a relay circuit (not shown) that is switched on or off by a signal supplied to a coil located near the switch element. Electromagnetic contactors such as the switch device 415 are controlled based on control signals from the battery management unit 411 or the vehicle ECU 42, which controls the operation of the entire vehicle 400.
インバータ44は、入力された直流電圧を、モータ駆動用の3相の交流(AC)の高電圧に変換する。インバータ44の3相の出力端子は、駆動モータ45の各3相の入力端子に接続されている。インバータ44は、電池管理装置411又は車両全体の動作を制御するための車両ECU42からの制御信号に基づいて、制御される。インバータ44が制御されることにより、インバータ44からの出力電圧が調整される。 The inverter 44 converts the input DC voltage into a three-phase alternating current (AC) high voltage for driving the motor. The three-phase output terminals of the inverter 44 are connected to the three-phase input terminals of the drive motor 45. The inverter 44 is controlled based on control signals from the battery management unit 411 or the vehicle ECU 42, which controls the operation of the entire vehicle. By controlling the inverter 44, the output voltage from the inverter 44 is adjusted.
駆動モータ45は、インバータ44から供給される電力により回転する。駆動モータ45の回転によって発生する駆動力は、例えば差動ギアユニットを介して車軸および駆動輪Wに伝達される。 The drive motor 45 rotates using power supplied from the inverter 44. The driving force generated by the rotation of the drive motor 45 is transmitted to the axles and drive wheels W, for example, via a differential gear unit.
また、図示はしていないが、車両400は、回生ブレーキ機構(リジェネレータ)を備えている。回生ブレーキ機構は、車両400を制動した際に駆動モータ45を回転させ、運動エネルギーを電気エネルギーとしての回生エネルギーに変換する。回生ブレーキ機構で回収した回生エネルギーは、インバータ44に入力され、直流電流に変換される。変換された直流電流は、車両用電源41に入力される。 Although not shown, the vehicle 400 is also equipped with a regenerative braking mechanism (regenerator). The regenerative braking mechanism rotates the drive motor 45 when the vehicle 400 is braked, converting kinetic energy into regenerative energy in the form of electrical energy. The regenerative energy recovered by the regenerative braking mechanism is input to the inverter 44 and converted into direct current. The converted direct current is input to the vehicle power supply 41.
車両用電源41の負極端子414には、接続ラインL1の一方の端子が接続されている。接続ラインL1の他方の端子は、インバータ44の負極入力端子417に接続されている。接続ラインL1には、負極端子414と負極入力端子417との間に電池管理装置411内の電流検出部(電流検出回路)416が設けられている。 One terminal of the connection line L1 is connected to the negative terminal 414 of the vehicle power supply 41. The other terminal of the connection line L1 is connected to the negative input terminal 417 of the inverter 44. A current detection unit (current detection circuit) 416 within the battery management device 411 is provided on the connection line L1 between the negative terminal 414 and the negative input terminal 417.
車両用電源41の正極端子413には、接続ラインL2の一方の端子が、接続されている。接続ラインL2の他方の端子は、インバータ44の正極入力端子418に接続されている。接続ラインL2には、正極端子413と正極入力端子418との間にスイッチ装置415が設けられている。 One terminal of the connection line L2 is connected to the positive terminal 413 of the vehicle power supply 41. The other terminal of the connection line L2 is connected to the positive input terminal 418 of the inverter 44. A switch device 415 is provided on the connection line L2 between the positive terminal 413 and the positive input terminal 418.
外部端子43は、電池管理装置411に接続されている。外部端子43は、例えば、外部電源に接続することができる。 The external terminal 43 is connected to the battery management device 411. The external terminal 43 can be connected to, for example, an external power source.
車両ECU42は、運転者などの操作入力に応答して電池管理装置411を含む他の管理装置及び制御装置とともに車両用電源41、スイッチ装置415、及びインバータ44等を協調制御する。車両ECU42等の協調制御によって、車両用電源41からの電力の出力及び車両用電源41の充電等が制御され、車両400全体の管理が行われる。電池管理装置411と車両ECU42との間では、通信線により、車両用電源41の残容量など、車両用電源41の保全に関するデータ転送が行われる。 In response to operational inputs from the driver and other devices, the vehicle ECU 42 coordinates control of the vehicle power supply 41, switch device 415, inverter 44, etc. together with other management and control devices, including the battery management device 411. Through coordinated control by the vehicle ECU 42 and other devices, the output of power from the vehicle power supply 41 and the charging of the vehicle power supply 41 are controlled, and the entire vehicle 400 is managed. Data related to the maintenance of the vehicle power supply 41, such as the remaining capacity of the vehicle power supply 41, is transferred via a communication line between the battery management device 411 and the vehicle ECU 42.
第6の実施形態に係る車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。電池パックの体積当たりの容量が高いため、車両の設計の自由度が高い。従って、車両の性能を損なうことなく多様な車両を提供することが可能である。 The vehicle according to the sixth embodiment is equipped with the battery pack according to the fifth embodiment. Because the battery pack has a high capacity per volume, there is a high degree of freedom in vehicle design. Therefore, it is possible to provide a wide variety of vehicles without compromising vehicle performance.
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。但し、本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。 The above embodiment will be described in more detail below based on examples. However, the present invention is not limited to the examples listed below.
<合成>
(実施例1)
次のとおり、チタン-ニオブ-モリブデン複合酸化物を合成した。
<Synthesis>
Example 1
A titanium-niobium-molybdenum composite oxide was synthesized as follows.
原料として、シュウ酸ニオブアンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、及びチタンテトライソプロポキシドを準備した。これら原料を所定の組成比により秤量した。シュウ酸ニオブアンモニウムとモリブデン酸アンモニウムについては、純水により溶解させることで溶液Aを調製した。次に、濃度1Mのシュウ酸水溶液にチタンテトライソプロポキシドを投入し、加熱・攪拌により溶解させた溶液Bを調製した。溶液Aと溶液Bとの混合を実施した後、加熱・攪拌しながらアンモニア溶液を添加してpHを7に調整することで、ゾルを得た。ゾル液について、乾燥温度180℃とするスプレードライを実施することで溶媒を蒸発させ、白色の前駆体粉末を取得した。前駆体粉末をアルミナ坩堝に投入し、600℃及び4時間の条件で大気中にて焼成を行った。その後、焼成物の乾式粉砕を行い、粉砕物に対し分級を施すことによって粒度の調整を行った。上記のようにして活物質粉末を得た。 Niobium ammonium oxalate, ammonium molybdate, and titanium tetraisopropoxide were prepared as raw materials. These raw materials were weighed according to the specified composition ratio. Solution A was prepared by dissolving niobium ammonium oxalate and ammonium molybdate in pure water. Next, titanium tetraisopropoxide was added to a 1M aqueous oxalic acid solution and dissolved by heating and stirring to prepare Solution B. After mixing Solutions A and B, an ammonia solution was added while heating and stirring to adjust the pH to 7, yielding a sol. The sol was spray-dried at 180°C to evaporate the solvent, yielding a white precursor powder. The precursor powder was placed in an alumina crucible and fired in air at 600°C for 4 hours. The fired product was then dry-pulverized, and the pulverized product was classified to adjust the particle size. This process yielded an active material powder.
(実施例2)
前駆体を焼成する温度を700℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で複合酸化物を合成し、活物質粉末を得た。
Example 2
A composite oxide was synthesized and an active material powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature for firing the precursor was changed to 700°C.
(実施例3)
前駆体を焼成する温度を800℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で複合酸化物を合成し、活物質粉末を得た。
Example 3
A composite oxide was synthesized and an active material powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature for firing the precursor was changed to 800°C.
(実施例4-7)
原料の秤量比を調整する以外は、実施例1と同様の方法で複合酸化物を合成し、活物質粉末を得た。
(Examples 4-7)
A composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the weighing ratio of the raw materials was adjusted, and an active material powder was obtained.
(比較例1)
前駆体粉末を焼成する温度を900℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で複合酸化物を合成し、活物質粉末を得た。
(Comparative Example 1)
A composite oxide was synthesized and an active material powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature for firing the precursor powder was changed to 900°C.
<測定>
上記実施例および比較例のそれぞれにて得られた粉末について、走査透過電子顕微鏡観察を行った。具体的には、先に説明した詳細のとおり、球面収差補正機能を有するSTEM-HAADF像により10 nm×10 nmの像による微細構造の観察を行った。また、広角X線散乱測定による測定を行った。測定は、先に説明した詳細に沿って行った。得られたスペクトルについてリートベルト法による結晶構造解析を行った。また、ICP発光分析およびHAXPES測定を行った。
<Measurement>
The powders obtained in the above Examples and Comparative Examples were observed using a scanning transmission electron microscope. Specifically, as described above, the microstructure was observed using a 10 nm x 10 nm image using a spherical aberration-corrected STEM-HAADF image. Wide-angle X-ray scattering measurements were also performed. The measurements were performed in accordance with the details described above. Crystal structure analysis was performed using the Rietveld method on the obtained spectra. Inductively Coupled Plasma (ICP) emission spectroscopy and HAXPES measurements were also performed.
得られたXRDスペクトルの一部を、図12-図16に示す。図12は、実施例1で得られた複合酸化物についてのスペクトルを示す。図13は、実施例2で得られた複合酸化物についてのスペクトルを示す。図14は、実施例3で得られた複合酸化物についてのスペクトルを示す。図15は、比較例1で得られた複合酸化物についてのスペクトルを示す。図16は、結晶構造のピークP1及びピークP2が含まれる範囲を拡大したスペクトルを示す。 Part of the obtained XRD spectra are shown in Figures 12 to 16. Figure 12 shows the spectrum for the composite oxide obtained in Example 1. Figure 13 shows the spectrum for the composite oxide obtained in Example 2. Figure 14 shows the spectrum for the composite oxide obtained in Example 3. Figure 15 shows the spectrum for the composite oxide obtained in Comparative Example 1. Figure 16 shows an enlarged spectrum of the range including peaks P1 and P2 of the crystal structure.
実施例1に係る複合酸化物についてのXRDスペクトルでは、主の二つのピークとしてピークP1及びP2が2θ=25.30°及び2θ=23.88°の位置にそれぞれ見られた。対して、比較例1に係る複合酸化物についてのXRDスペクトルでは、ピークP2と共に見られたメインピークは2θ=25.40°に位置しており、ピークP1ではなく、図1の結晶構造に由来する(420)面に由来するピークP420であると判断した。実施例2及び実施例3については、図1及び図2の各々の結晶構造が混在していたが、それぞれに由来するピークP420及びP1が重なり、低角側にピークP1が肩として見られるブロードな複合ピークが確認された。従って、実施例2及び3についてはさらに、疑フォークト関数を用いた簡易フィッティングを行って、重なっていたピークを分離した(図示せず)。 In the XRD spectrum of the composite oxide of Example 1, two main peaks, peaks P1 and P2, were observed at 2θ = 25.30° and 2θ = 23.88°, respectively. In contrast, in the XRD spectrum of the composite oxide of Comparative Example 1, the main peak observed together with peak P2 was located at 2θ = 25.40°, and was determined to be not peak P1 but peak P420 derived from the (420) plane derived from the crystal structure of Figure 1. In Examples 2 and 3, the crystal structures of Figures 1 and 2 were mixed, but peaks P420 and P1 derived from each overlapped, and a broad composite peak was confirmed, with peak P1 appearing as a shoulder on the low-angle side. Therefore, for Examples 2 and 3, simple fitting using a pseudo-Voigt function was further performed to separate the overlapping peaks (not shown).
実施例1で得られた複合酸化物については、STEM-HAADF像による微細構造の観察を行った結果、ReO3ブロックの視野内のサイズが異なり、周期性をもたずに八面体稜共有で接続される結晶構造を確認した。そのことから、図2の結晶構造として同定した。異なる視野では、四面体頂点共有が含まれる接続部分も確認された。 For the composite oxide obtained in Example 1, observation of the microstructure using STEM-HAADF images revealed that the size of the ReO3 blocks within the field of view varied, and that the crystal structure was non-periodic and connected by octahedral edge-sharing. Therefore, the crystal structure was identified as that shown in Figure 2. Connections involving tetrahedral corner-sharing were also confirmed in different fields of view.
実施例1で得られた複合酸化物について、ICP分析により金属比を算出したところ、Ti:Nb:Mo=0.23:1.00:0.23と算出された。HAXPES測定により価数を評価した。Ti元素は、459±0.4eVの範囲内にTi2p3/2に由来する単一ピークのピークトップが観察されたことから、4価と同定した。Nb元素は、207.5±eVの範囲内にNb5d3/2に由来する単一のピークのピークトップが観察されたことから、5価と同定した。Mo元素は、232.2±0.3 eVに6価に由来するMo3d5/2のピークが観察されると共に、そのピークよりも1 eV小さい値において異なるピークが混在していることが確認されたことから、5価のピークと6価のピークが混在して存在すること同定した。ピークの混在比から5価と6価の元素が1:1で混在すると推定して平均価数は5.5価と仮定した。本仮定により計算される組成式は、Ti0.23NbMo0.23O3.59となった。従って、b=0.23、c=0.23、d=3.59である。 The metal ratio of the composite oxide obtained in Example 1 was calculated by ICP analysis, resulting in a Ti:Nb:Mo = 0.23:1.00:0.23. The valence was evaluated by HAXPES measurement. Ti element was identified as tetravalent because a single peak derived from Ti2p3 /2 was observed within the range of 459 ± 0.4 eV. Nb element was identified as pentavalent because a single peak derived from Nb5d3 /2 was observed within the range of 207.5 ± eV. Mo element was identified as a mixed pentavalent and hexavalent peak because a peak derived from Mo3d5 /2 derived from hexavalent was observed at 232.2 ± 0.3 eV, and a different peak was confirmed to be present at a value 1 eV smaller than that peak. Based on the peak mixture ratio, it was estimated that pentavalent and hexavalent elements were present in a 1:1 ratio, and the average valence was assumed to be 5.5. The composition formula calculated based on this assumption is Ti 0.23 NbMo 0.23 O 3.59 , where b = 0.23, c = 0.23, and d = 3.59.
実施例2で得られた複合酸化物については、図1及び図2にそれぞれ示した結晶構造が混在することを確認した。 It was confirmed that the composite oxide obtained in Example 2 contained a mixture of the crystal structures shown in Figures 1 and 2.
実施例2で得られた複合酸化物について、ICP分析により金属比を算出したところ、Ti:Nb:Mo=0.23:1.00:0.18と算出された。実施例1と同様の方法でHAXPES測定により価数を評価したところ、Tiが4価、Nbが5価、Mo価数は5.3価と同定された。価数から計算される組成式は、Ti0.23NbMo0.18O3.47となった。従って、b=0.23、c=0.18、d=3.47である。 The metal ratio of the composite oxide obtained in Example 2 was calculated by ICP analysis, and was found to be Ti:Nb:Mo = 0.23:1.00:0.18. The valences were evaluated by HAXPES measurement using the same method as in Example 1, and Ti was identified as tetravalent, Nb as pentavalent, and the Mo valence as 5.3 . The composition formula calculated from the valences was Ti0.23NbMo0.18O3.47 . Therefore, b = 0.23, c = 0.18, and d = 3.47.
実施例3で得られた複合酸化物については、図1及び図2の結晶構造が混在して存在することを確認した。 It was confirmed that the composite oxide obtained in Example 3 contained a mixture of the crystal structures shown in Figures 1 and 2.
実施例3で得られた複合酸化物について、ICP分析により金属比を算出したところ、Ti:Nb:Mo=0.23:1.00:0.18と算出された。実施例1と同様の方法でHAXPES測定により価数を評価したところ、Tiが4価、Nbが5価、Mo価数は5.6価とした。価数から計算される組成式は、Ti0.23NbMo0.18O3.49となった。従って、b=0.23、c=0.18、d=3.49である。 The metal ratio of the composite oxide obtained in Example 3 was calculated by ICP analysis, and was found to be Ti:Nb:Mo = 0.23:1.00:0.18. The valences were evaluated by HAXPES measurement using the same method as in Example 1, and Ti was tetravalent, Nb was pentavalent, and the Mo valence was 5.6 . The composition formula calculated from the valences was Ti0.23NbMo0.18O3.49 . Therefore, b = 0.23, c = 0.18, and d = 3.49 .
比較例1で得られた複合酸化物については、図1に示した結晶構造が確認された。またXRDによる構造解析の結果も、図1に示した結晶構造と一致した。具体的には、空間群表記をI-4(空間群番号:82)で帰属される結晶構造であり、四面体の頂点共有構造を含む酸化レニウム型のブロック構造を3×3=9個とし、単位格子内の酸素数と金属元素数との比をAO/AM=2.50とする結晶構造を推定モデルとした。このような結晶構造を推定モデルとした場合に、5°~70°で現れる異相を除いた全てのピークについてリートベルト法の信頼度因子であるRwp値について9.11%となるフィッティングを行うと共に、ピーク位置や相対強度について矛盾がないことを確認できたことから、上記結晶構造として同定した。格子定数は、a=b=15.703Å、c=3.803Å、937.77Å3として算出された。 The composite oxide obtained in Comparative Example 1 was confirmed to have the crystalline structure shown in Figure 1. Furthermore, structural analysis by XRD also confirmed the crystalline structure shown in Figure 1. Specifically, the estimated model was a crystalline structure assigned to space group I - 4 (space group number: 82), with 3 x 3 = 9 rhenium oxide-type block structures including tetrahedral corner-sharing structures, and a ratio of the number of oxygen atoms to the number of metal elements in the unit cell of AO / AM = 2.50. When this crystalline structure was used as the estimated model, fitting was performed to a Rietveld reliability factor R wp value of 9.11% for all peaks excluding the heterophase appearing between 5° and 70°, and consistent peak positions and relative intensities were confirmed, confirming the above crystalline structure. The lattice constants were calculated as a = b = 15.703 Å, c = 3.803 Å, and 937.77 ų .
なお、図15及び図16に示した比較例1に係る複合酸化物についてのXRDスペクトルにおけるメインピークは、上述したとおり図1の結晶構造に由来する(420)面に由来するピークP420であると判断される。上記のとおり、比較例1については図1に示した結晶構造として同定しており、当該構造では原子位置から(420)面が大きく出現し、ピークP1は判別できるような強度で現れない。また、四面体を多く含む分格子定数が大きくなるため、2θ=25.05±0.25°の範囲にピークP1が現れない。 The main peak in the XRD spectrum of the composite oxide according to Comparative Example 1 shown in Figures 15 and 16 is determined to be peak P420 , which originates from the (420) plane derived from the crystal structure of Figure 1, as described above. As described above, Comparative Example 1 is identified as having the crystal structure shown in Figure 1, and in this structure, the (420) plane appears prominently from the atomic positions, and peak P1 does not appear with a distinguishable intensity. Furthermore, since the lattice constant is large due to the large amount of tetrahedrons included, peak P1 does not appear in the range of 2θ = 25.05 ± 0.25°.
比較例1で得られた複合酸化物について、ICP分析により金属比を算出したところ、Ti:Nb:Mo=0.23:1.00:0.15と算出された。元素数と結晶構造から計算される組成式はTi0.23NbMo0.15O3.45であった。HAXPES測定により価数を評価したところ、Ti価数は4価、Nb価数は5価、Mo価数は6価とした。価数から計算される組成式は、Ti0.23NbMo0.15O3.41となった。従って、b=0.23、c=0.15、d=3.41である。 The metal ratio of the composite oxide obtained in Comparative Example 1 was calculated by ICP analysis, and was found to be Ti:Nb:Mo = 0.23:1.00: 0.15 . The composition formula calculated from the number of elements and crystal structure was Ti0.23NbMo0.15O3.45 . The valences were evaluated by HAXPES measurement, and the Ti valence was found to be tetravalent, the Nb valence was pentavalent, and the Mo valence was hexavalent . The composition formula calculated from the valences was found to be Ti0.23NbMo0.15O3.41 . Therefore, b = 0.23, c = 0.15 , and d = 3.41.
下記表1に、各実施例および比較例で合成した複合酸化物の構造解析の結果をまとめる。具体的には、ICP分析にHAXPES測定を加えて導き出した組成式、及びXRDスペクトル中のピークP1とピークP2とのピーク強度比I1/I2を示す。 Table 1 below summarizes the results of structural analysis of the composite oxides synthesized in each example and comparative example. Specifically, it shows the composition formula derived by combining ICP analysis with HAXPES measurement, and the peak intensity ratio I1/I2 between peak P1 and peak P2 in the XRD spectrum.
表1が示すとおり、実施例1-7及び比較例1の何れについても上述した一般式LiaMbNbMocOdで表す組成を有し、八面体構造より構成された酸化レニウム型のブロック構造を含む複合酸化物を合成できた。また、実施例1-7については、STEM-HAADF観察により、結晶構造の少なくとも一部が図2で示した構造を含んでいたことを確認した。特に、実施例1及び4-6ではXRDスペクトルにおけるピーク強度比I1/I2が1以上だったことから、図2に示す結晶構造を主の構造として含んでいたと判断できる。対して、上述したとおり比較例1のSTEM-HAADF像およびXRDスペクトルの何れも図1に示す結晶構造と一致した。なお、上述したとおり比較例1のスペクトルにおけるメインピークは(420)面に帰属され、ピークP1はスペクトル中に現れない。そのため、比較例1ではピーク強度I1をゼロとし、それによりピーク強度比I1/I2がゼロとなった。 As shown in Table 1, in both Examples 1-7 and Comparative Example 1, composite oxides having compositions represented by the general formula Li a M b NbMo c O d and containing rhenium oxide-type block structures composed of octahedral structures were synthesized. Furthermore, for Examples 1-7, STEM-HAADF observation confirmed that at least a portion of the crystal structure contained the structure shown in Figure 2. In particular, since the peak intensity ratio I1/I2 in the XRD spectra for Examples 1 and 4-6 was 1 or greater, it can be determined that the crystal structure shown in Figure 2 was the primary structure. In contrast, as described above, both the STEM-HAADF image and XRD spectrum for Comparative Example 1 were consistent with the crystal structure shown in Figure 1. Note that, as described above, the main peak in the spectrum of Comparative Example 1 is assigned to the (420) plane, and peak P1 does not appear in the spectrum. Therefore, in Comparative Example 1, peak intensity I1 was set to zero, which resulted in a peak intensity ratio I1/I2 of zero.
<電池性能の評価>
上記実施例および比較例にて各々得られた活物質粉末をそれぞれ用いて、次のとおり電極を作製した。
<Evaluation of battery performance>
Using the active material powders obtained in the above Examples and Comparative Examples, electrodes were fabricated as follows.
先ず、100質量部の活物質、6質量部の導電剤、及び4質量部の結着剤を、溶媒に分散してスラリーを調製した。活物質としては、上述した方法で得られた複合材料粉末をそれぞれ用いた。導電剤としては、アセチレンブラックとカーボンナノチューブ及びグラファイトとの混合物を用いた。結着剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレンブタジェンゴム(SBR)との混合物を用いた。溶媒としては、純水を用いた。 First, 100 parts by weight of active material, 6 parts by weight of conductive agent, and 4 parts by weight of binder were dispersed in a solvent to prepare a slurry. The composite material powders obtained using the method described above were used as the active materials. The conductive agent was a mixture of acetylene black, carbon nanotubes, and graphite. The binder was a mixture of carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR). Pure water was used as the solvent.
次いで、得られたスラリーを、集電体の片面に塗布し、塗膜を乾燥させることで活物質含有層を形成した。集電体としては、厚さ12μmのアルミニウム箔を用いた。次いで、集電体と活物質含有層とをプレスして、電極を得た。電極の目付は、60g/m2であった。 The resulting slurry was then applied to one side of a current collector, and the coating was dried to form an active material-containing layer. The current collector was an aluminum foil with a thickness of 12 μm. The current collector and the active material-containing layer were then pressed together to obtain an electrode. The electrode had a basis weight of 60 g/ m² .
次のとおり、非水電解質を調製した。電解質塩を有機溶媒に溶解させて、液状非水電解質を得た。電解質塩としては、LiPF6を用いた。非水電解質におけるLiPF6のモル濃度は、1mol/Lとした。有機溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒を用いた。ECとDECとの体積比は、1:2であった。 A non-aqueous electrolyte was prepared as follows. An electrolyte salt was dissolved in an organic solvent to obtain a liquid non-aqueous electrolyte. LiPF6 was used as the electrolyte salt. The molar concentration of LiPF6 in the non-aqueous electrolyte was 1 mol/L. A mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used as the organic solvent. The volume ratio of EC to DEC was 1:2.
上述した方法で得られた電極を作用極とし、金属リチウム箔を対極及び参照極とし、上述した方法で調製した非水電解質を用いて、三電極式ビーカーセルを作製した。 A three-electrode beaker cell was fabricated using the electrode obtained by the above-mentioned method as the working electrode, metal lithium foil as the counter electrode and reference electrode, and the nonaqueous electrolyte prepared by the above-mentioned method.
作製した各セルについて、初回充放電性能を評価した。具体的には、先ず、セルを25℃の温度下で、0.2Cの充電電流で電池電圧が0.7Vとなるまで充電し、続いて充電時間が10時間に達するまで定電圧充電した。その後、0.2Cの放電電流で電池電圧が3.0Vとなるまで放電した。このときの充放電容量を測定し、電極活物質含有層の体積(集電体を含まず)あたりの容量値を、充電および放電のそれぞれについて算出した。また、上記初回充放電における充放電効率を算出した(初回充放電効率=[(初回放電容量/初回充電容量)×100%])。 The initial charge/discharge performance of each fabricated cell was evaluated. Specifically, the cell was first charged at a temperature of 25°C with a charging current of 0.2 C until the battery voltage reached 0.7 V, and then subjected to constant voltage charging for 10 hours. The cell was then discharged with a discharge current of 0.2 C until the battery voltage reached 3.0 V. The charge/discharge capacity at this time was measured, and the capacity value per volume of the electrode active material-containing layer (excluding the current collector) was calculated for each charge and discharge. The charge/discharge efficiency during the initial charge/discharge was also calculated (initial charge/discharge efficiency = [(initial discharge capacity/initial charge capacity) × 100%]).
図17に、一部のビーカーセルの初回充放電曲線を表すグラフを示す。充電曲線は、グラフの左上から右下へ伸びる曲線で示す。放電曲線は、グラフの左下から右上へ伸びる曲線で示す。 Figure 17 shows a graph showing the initial charge/discharge curves of some beaker cells. The charge curve is shown as the curve extending from the upper left to the lower right of the graph. The discharge curve is shown as the curve extending from the lower left to the upper right of the graph.
下記表2に、各実施例および比較例で合成した複合酸化物の電池用活物質としての性能をまとめる。具体的には、体積あたりの充電容量および放電容量、並びに初回充放電効率を示す。 Table 2 below summarizes the performance of the composite oxides synthesized in each example and comparative example as active materials for batteries. Specifically, it shows the charge capacity and discharge capacity per volume, as well as the initial charge/discharge efficiency.
実施例1-7で得られた活物質が含む複合酸化物は、上述した一般式LiaMbNbMocOdで表すとともに、図2に示した結晶構造を少なくとも一部含んでいたことに対し、比較例1で得られた複合酸化物は上記一般式を満たすものの主要の結晶構造は図1に示した構造であった。表2が示すとおり、実施例1-7の活物質は、比較例1の複合酸化物と比較して高い充電容量および放電容量を示した。また、実施例1-7の活物質を用いて得られた初回充放電効率は、比較例1を用いた場合と同程度だった。 The composite oxide contained in the active material obtained in Example 1-7 was represented by the general formula Li a M b NbMo c O d described above and contained at least a portion of the crystal structure shown in FIG. 2, whereas the composite oxide obtained in Comparative Example 1 satisfied the general formula but had the main crystal structure shown in FIG. 1. As shown in Table 2, the active material of Example 1-7 exhibited higher charge capacity and discharge capacity than the composite oxide of Comparative Example 1. In addition, the initial charge/discharge efficiency obtained using the active material of Example 1-7 was comparable to that when Comparative Example 1 was used.
従って、上述した酸化レニウム型のブロック構造を含む結晶構造を有し、上記一般式LiaMbNbMocOdで表され、且つ、図2に示した結晶構造を含んだ複合酸化物は、電極活物質として良好な初回充放電効率を示すとともに、体積あたりの充放電容量が高いことがわかる。 Therefore, it can be seen that a composite oxide having a crystal structure including the above-mentioned rhenium oxide-type block structure, represented by the above general formula Li a M b Nb Mo c O d , and including the crystal structure shown in FIG. 2, exhibits good initial charge-discharge efficiency as an electrode active material and also has a high charge-discharge capacity per volume.
以上説明した1以上の実施形態および実施例によれば、複合酸化物を含む活物質が提供される。該複合酸化物は、酸素と金属元素で構成される八面体構造が頂点共有で構成する酸化レニウム型ブロックを含み、且つ大きさが異なる複数の酸化レニウム型ブロックが少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている構造を含み、一般式LiaMbNbMocOdで表される。ここで、式中のMは、Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つである。式中の各添字は、それぞれ0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50の関係を満たす。係る活物質は、高容量な二次電池を実現できる電極、高容量な二次電池および電池パック、並びに該電池パックを搭載した車両を提供することができる。 According to one or more of the above-described embodiments and examples, an active material containing a composite oxide is provided. The composite oxide includes rhenium oxide blocks in which an octahedral structure composed of oxygen and a metal element is formed by corner-sharing, and includes a structure in which multiple rhenium oxide blocks of different sizes are connected aperiodically by at least octahedral edge- sharing . The composite oxide is represented by the general formula LiaMbNbMocOd . Here, M in the formula is any one selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y, and Si. The subscripts in the formula satisfy the relationships 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50, respectively. This active material can provide electrodes capable of realizing high-capacity secondary batteries, high-capacity secondary batteries and battery packs, and vehicles equipped with such battery packs.
以下に、本発明に係る幾つかの実施形態を附記する。 The following describes several embodiments of the present invention.
[1] 酸素と金属元素で構成される八面体構造を含み、且つ、前記八面体構造が頂点共有で構成する酸化レニウム型ブロックを含み、大きさが異なる複数の前記酸化レニウム型ブロックを含み、且つ、前記酸化レニウム型ブロックは少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている構造を含み、
一般式LiaMbNbMocOdで表され、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上であり、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.4,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50である複合酸化物を含む活物質。
[2] 酸素と金属元素で構成される八面体構造を含み、且つ、前記八面体構造が頂点共有で構成する酸化レニウム型ブロックを含み、大きさが異なる複数の前記酸化レニウム型ブロックを含み、且つ、前記酸化レニウム型ブロックは少なくとも八面体稜共有で周期性を持たずに接続されている構造を含み、
一般式LiaMbNbMocOdで表され、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上であり、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50である複合酸化物を含む活物質。
[1] A structure including an octahedral structure composed of oxygen and a metal element, the octahedral structure including rhenium oxide type blocks configured by corner sharing, the octahedral structure including a plurality of rhenium oxide type blocks of different sizes, and the rhenium oxide type blocks including a structure in which the rhenium oxide type blocks are connected at least by octahedral edge sharing without periodicity,
An active material comprising a composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d , where M is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y and Si, and where 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.4, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50.
[2] A structure including an octahedral structure composed of oxygen and a metal element, the octahedral structure including rhenium oxide type blocks configured by corner sharing, the octahedral structure including a plurality of rhenium oxide type blocks of different sizes, and the rhenium oxide type blocks including a structure in which the rhenium oxide type blocks are connected at least aperiodically by octahedral edge sharing,
An active material comprising a composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d , where M is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y and Si, and where 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50.
[3] 前記複合酸化物のCu-Kα線源を用いた粉末X線回折による回折スペクトルにおいて、2θ=25.05±0.25°の範囲内に現れるピークP1のピーク強度I1と、2θ=24.00±0.20°の範囲内に現れるピークP2のピーク強度I2とが、I1/I2>0.1の関係を満たす、[1]又は[2]に記載の活物質。 [3] The active material according to [1] or [2], wherein in a diffraction spectrum of the composite oxide by powder X-ray diffraction using a Cu-Kα radiation source, the peak intensity I1 of peak P1 appearing within the range of 2θ = 25.05 ± 0.25° and the peak intensity I2 of peak P2 appearing within the range of 2θ = 24.00 ± 0.20° satisfy the relationship I1/I2 > 0.1.
[4] [1]から[3]の何れか1つに記載の活物質を含む、電極。 [4] An electrode containing the active material described in any one of [1] to [3].
[5] 前記活物質を含んだ活物質含有層を含む、[4]に記載の電極。 [5] The electrode described in [4], which includes an active material-containing layer containing the active material.
[6] 正極と、
負極と、
電解質と
を具備する二次電池であって、
前記正極または前記負極は、[4]又は[5]に記載の電極である、二次電池。
[6] a positive electrode;
a negative electrode;
and an electrolyte,
The secondary battery, wherein the positive electrode or the negative electrode is the electrode according to [4] or [5].
[7] [6]に記載の二次電池を具備する、電池パック。 [7] A battery pack comprising the secondary battery described in [6].
[8] 通電用の外部端子と、
保護回路と
を更に具備する、[7]に記載の電池パック。
[8] An external terminal for supplying current;
The battery pack according to [7], further comprising a protection circuit.
[9] 複数の前記二次電池を具備し、
前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、[7]又は[8]に記載の電池パック。
[9] A battery comprising a plurality of the secondary batteries,
The battery pack according to [7] or [8], wherein the secondary batteries are electrically connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
[10] [7]から[9]の何れか1つに記載の電池パックを具備する、車両。 [10] A vehicle equipped with the battery pack described in any one of [7] to [9].
[11] 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、[10]に記載の車両。 [11] The vehicle described in [10], including a mechanism for converting the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
1…電極群、2…外装部材、3…負極、3a…負極集電体、3b…負極活物質含有層、4…セパレータ、5…正極、5a…正極集電体、5b…正極活物質含有層、6…負極端子、7…正極端子、10…結晶構造、10a…八面体、10b…四面体、11…結晶構造、11a…八面体、11b…四面体、18…金属元素、19…酸素元素、21…バスバー、22…正極側リード、23…負極側リード、24…粘着テープ、31…収容容器、32…蓋、33…保護シート、34…プリント配線基板、35…配線、40…車両本体、41…車両用電源、42…電気制御装置、43…外部端子、44…インバータ、45…駆動モータ、100…二次電池、200…組電池、200a…組電池、200b…組電池、200c…組電池、300…電池パック、300a…電池パック、300b…電池パック、300c…電池パック、301a…組電池監視装置、301b…組電池監視装置、301c…組電池監視装置、342…正極側コネクタ、343…負極側コネクタ、345…サーミスタ、346…保護回路、342a…配線、343a…配線、350…通電用の外部端子、352…正側端子、353…負側端子、348a…プラス側配線、348b…マイナス側配線、400…車両、411…電池管理装置、412…通信バス、413…正極端子、414…負極端子、415…スイッチ装置、416…電流検出部、417…負極入力端子、418…正極入力端子、L1…接続ライン、L2…接続ライン、W…駆動輪。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Electrode group, 2... Exterior member, 3... Negative electrode, 3a... Negative electrode current collector, 3b... Negative electrode active material containing layer, 4... Separator, 5... Positive electrode, 5a... Positive electrode current collector, 5b... Positive electrode active material containing layer, 6... Negative electrode terminal , 7... Positive electrode terminal, 10... Crystal structure, 10a... Octahedron, 10b... Tetrahedron, 11... Crystal structure, 11a... Octahedron, 11b... Tetrahedron, 18... Metal element, 19... Oxygen element, 21... Bus bar , 22...positive electrode side lead, 23...negative electrode side lead, 24...adhesive tape, 31...container, 32...lid, 33...protective sheet, 34...printed wiring board, 35...wiring, 40...vehicle body, 41...vehicle power supply, 42...electrical control device, 43...external terminal, 44...inverter, 45...drive motor, 100...secondary battery, 200...assembled battery, 200a...assembled battery, 200b...assembled battery, 200c...assembled battery, 300...battery pack, 300a...battery pack, 300b...battery pack, 300c...battery pack, 301a...assembled battery monitoring device, 301b...assembled battery monitoring device, 301c...assembled battery monitoring device, 342...positive electrode side connector, 343...negative electrode side connector, 345...thermistor, 346...protection circuit, 342a...wiring, 343a...wiring, 350...external terminal for supplying current terminal, 352...positive terminal, 353...negative terminal, 348a...positive wiring, 348b...negative wiring, 400...vehicle, 411...battery management device, 412...communication bus, 413...positive terminal, 414...negative terminal, 415...switch device, 416...current detection unit, 417...negative input terminal, 418...positive input terminal, L1...connection line, L2...connection line, W...drive wheel.
Claims (11)
一般式LiaMbNbMocOdで表され、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上であり、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.4,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50である複合酸化物を含む活物質。 The present invention relates to a structure comprising an octahedral structure composed of oxygen and a metal element, the octahedral structure comprising rhenium oxide type blocks formed by corner sharing, the octahedral structure comprising a plurality of rhenium oxide type blocks of different sizes, and the rhenium oxide type blocks being connected at least by octahedral edge sharing without periodicity,
An active material comprising a composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d , where M is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y and Si, and where 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.4, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50.
一般式LiaMbNbMocOdで表され、MはTi, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y 及び Siからなる群より選択される何れか一つ以上であり、0≦a≦b+2+3c,0≦b≦1.5,0≦c≦0.5,及び2.33≦d/(1+b+c)≦2.50である複合酸化物を含む活物質。 The present invention relates to a structure comprising an octahedral structure composed of oxygen and a metal element, the octahedral structure comprising rhenium oxide type blocks formed by corner sharing, the octahedral structure comprising a plurality of rhenium oxide type blocks of different sizes, and the rhenium oxide type blocks being connected at least by octahedral edge sharing without periodicity,
An active material comprising a composite oxide represented by the general formula Li a M b NbMo c O d , where M is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Ta, Fe, Co, Mn, Ni, Bi, Sb, As, P, Cr, W, B, Na, K, Mg, Al, Ca, Y and Si, and where 0≦a≦b+2+3c, 0≦b≦1.5, 0≦c≦0.5, and 2.33≦d/(1+b+c)≦2.50.
負極と、
電解質と
を具備する二次電池であって、
前記正極または前記負極は、請求項4に記載の電極である、二次電池。 A positive electrode and
a negative electrode;
and an electrolyte,
The secondary battery, wherein the positive electrode or the negative electrode is the electrode according to claim 4 .
保護回路と
を更に具備する、請求項7に記載の電池パック。 An external terminal for applying current;
8. The battery pack according to claim 7, further comprising a protection circuit.
前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、請求項7に記載の電池パック。 A battery includes a plurality of the secondary batteries,
The battery pack according to claim 7 , wherein the secondary batteries are electrically connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
The vehicle of claim 10, further comprising a mechanism for converting kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
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