[发明专利]电极、二次电池、电池包及车辆

说明书

本发明的实施方式涉及电极、二次电池、电池包及车辆。提供能量密度高、循环特性优异的电极、二次电池以及具备该二次电池的电池包及车辆。根据实施方式，提供一种含有活性物质粒子(50)的电极。活性物质粒子(50)含有单斜晶系铌‑钛复合氧化物粒子(501)、和被覆单斜晶系铌‑钛复合氧化物粒子(501)的表面的至少一部分的非晶质碳体(502)。对电极表面通过X射线光电子能谱分析法得到的碳原子浓度S2与铌原子浓度S1的比S2/S1为5以上且100以下。

技术领域

本发明的实施方式涉及电极、二次电池、电池包及车辆。

背景技术

近年来，作为高能量密度电池，在开发锂离子二次电池及非水电解质二次电池等二次电池。期待着二次电池作为混合动力汽车及电动汽车等车辆用电源或大型蓄电用电源的使用。在将二次电池用作车辆用电源时，除了高的能量密度以外，还要求实现快速充放电性能及长期可靠性等。

快速充放电可通过分别使锂离子及电子在可嵌入脱嵌锂离子及电子的正极与负极之间，通过电解质及外部电路快速移动来进行。可进行这样的快速充放电的电池具有充电时间大幅度缩短的优点。此外，如果将可进行这样的快速充放电的电池用作车辆用电源，则能够提高汽车的动力性能，而且能够高效率地回收动力的再生能量。

作为可嵌入脱嵌锂离子及电子的负极，使用将石墨等碳质物用于负极活性物质的碳系负极。但是，具备碳系负极的电池因反复进行快速充放电，有时在负极上析出金属锂的枝晶。这样的金属锂的枝晶可成为内部短路的原因。所以，在具备碳系负极的电池中，如果反复进行快速充放电，则有产生发热或着火的顾虑。

因此，在开发具备作为负极活性物质使用金属复合氧化物来替代碳质物的负极的电池。特别是，作为金属复合氧化物使用钛氧化物作为负极活性物质的电池与具备碳系负极的电池相比，即使反复进行快速充放电也难析出金属锂的枝晶，可进行稳定的快速充放电，具有寿命也长的特性。

但是，钛氧化物与碳质物相比，相对于金属锂的电位高(贵)。而且，钛氧化物与碳质物相比，单位质量的理论容量低。因此，具备作为负极活性物质使用钛氧化物的负极的电池与具备碳系负极的电池相比，有能量密度低的问题。

例如，Li₄Ti₅O₁₂那样的锂钛复合氧化物的以金属锂为基准的电位大约为1.5V以上。另一方面，石墨的以金属锂为基准的电位大约为0.1V以上。这里，钛氧化物的以金属锂为基准的电位起因于钛氧化物在电化学嵌入脱嵌锂离子时，在3价的钛离子与4价的钛离子之间产生的氧化还原反应。即，钛氧化物的以金属锂为基准的电位是钛氧化物中固有的，要使其降低则有电化学上的制约。因此，要通过使钛氧化物的以金属锂为基准的电位降低来提高能量密度，实质上是困难的。此外，由于钛氧化物的相对于金属锂的电位高，所以具备含有钛氧化物的负极的电池还有可稳定地进行快速充放电的方面。

此外，Li₄Ti₅O₁₂那样的锂钛复合氧化物的单位质量的理论容量为175mAh/g。另一方面，石墨的单位质量的理论容量为372mAh/g。另外，钛氧化物与碳质物相比，其晶体结构中可嵌入锂离子的位点少，此外，其晶体结构中锂离子容易稳定化。因此，钛氧化物的实际容量在理论容量中所占的比例低于碳质物的实际容量在理论容量中所占的比例。

由以上得知，具备含有钛氧化物的负极的电池的能量密度与具备碳系负极的电池的能量密度相比非常低。

鉴于以上情况，在研究含有钛和铌的新型的电极材料。特别是，用TiNb₂O₇表示的单斜晶系铌-钛复合氧化物在嵌入锂离子时，四价的钛离子向三价的钛离子还原，而且五价的铌离子向三价的铌离子还原。所以，该单斜晶系铌-钛复合氧化物与钛氧化物相比，即使嵌入许多锂离子，也可保持晶体结构的电中性。其结果是，用TiNb₂O₇表示的单斜晶系Nb-Ti系复合氧化物的理论容量为387mAh/g的高容量。

发明内容