[发明专利]电池活性材料、非水电解质电池和电池组

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于2011年3月22日提交的日本专利申请号2011-063289并要求该申请的优先权，这里将该申请的全部内容通过引用并入。

技术领域

本文描述的实施方案总体上涉及一种电池活性材料、使用该活性材料的非水电解质电池和电池组。

背景技术

近年来，诸如锂离子二次电池等非水电解质电池已经被开发作为高能量密度的电池。这些非水电解质电池被预期作为混合动力车辆和电动车辆的动力源。此外，它们被预期作为手提电话等基站的不间断电源。为此，非水电解质电池需要具有其他性能，如快速充电/放电性能和长期可靠性。能够快速充电/放电的非水电解质电池不仅显著缩短了充电时间，而且也使得可以提高混合动力车辆等的动力性能，并有效地恢复它们的再生能源。

为了能够快速充电/放电，电子和锂离子必须能够在正极和负极之间快速迁移。当负极中使用基于碳的材料的电池反复快速充电/放电时，在电极上发生金属锂的枝晶析出，从而增大了因造成内部短路造成的生热和火灾的危险。

鉴于这种情况，已经研制了在负极中使用金属复合氧化物取代碳质材料的电池。特别地，在使用基于钛的氧化物作为负极活性材料的电池中，可以稳定地进行快速充电/放电。这种电池还比使用碳质材料的那些电池具有更长的寿命。

然而，基于钛的氧化物比基于金属锂的碳质材料具有更高的电势。此外，基于钛的氧化物每单位质量具有更低的容量。因此，使用基于钛的氧化物作为负极活性材料的电池具有能量密度低的问题。

按金属锂计，使用基于钛的氧化物的电极的电势为约1.5V，并且比使用碳质材料的电极更贵。基于钛的氧化物的电势是由于在锂被电化学插入和释放时Ti³⁺和Ti⁴⁺之间的氧化还原反应，并因此在电化学方面受到限制。此外，存在在高达约1.5V的电极电势下锂离子可以因快速充电/放电而插入和释放的事实。因此，很难使电极的电势下降而提高能量密度。

至于每单位质量的电池容量，具有锐钛矿结构的二氧化钛的理论容量为约165mAh/g，诸如Li₄Ti₅O₁₂等锂-钛复合氧化物的理论容量为约180mAh/g。另一方面，普通的基于石墨电极材料的理论容量为385mAh/g以上。因此，基于钛的氧化物的容量密度明显比基于碳的材料的低。这是因为由于在晶体结构中仅有少量的相当于吸收锂的部位并且锂在结构中趋于稳定而使真实容量降低。

鉴于上述情况，含有Ti和Nb的新型电极材料得到了发展。这种材料预期具有高的充电/放电容量。特别地，由TiNb₂O₇代表的复合氧化物具有超过300mAh/g的高理论容量。然而，诸如TiNb₂O₇等复合氧化物具有生产率低下的问题。

附图说明

图1是示出单斜晶TiNb₂O₇的晶体结构的典型图；

图2是从另一个方向观察时图1的晶体结构的典型图；

图3是根据第二实施方案的扁平型非水电解质电池的截面图；

图4是图3中部分A的放大截面图；

图5是根据第二实施方案的另一种扁平型非水电解质电池的部分剖切立体图；

图6是图5中部分B的放大截面图；

图7是根据第三实施方案的电池组的分解立体图；

图8是图7所示的电池组的电路的框图；和

图9示出分别测量根据实施例1和2及比较例1和2的电池的第一次充电/放电曲线。

发明内容

总体上，根据一个实施方案，提供一种电池活性材料，其包含含有Nb和Ti的复合氧化物以及元素M。在活性材料中，元素M与Ti的摩尔比(M/Ti)满足下式(I)。

0＜M/Ti≤0.5    (I)

此外，在含有Nb和Ti的复合氧化物中，Nb与Ti的摩尔比(Nb/Ti)满足下式(II)。

1≤Nb/Ti≤5    (II)

这里，元素M是选自B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、Ni和Fe中的至少一种元素。

下面参照附图说明实施方案。

(第一实施方案)