活性物質、其制造方法、電極、二次電池和電池組技術

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及作為具有橄欖石晶體結構的Li磷酸鹽的活性物質、其制造方法、使用該活性物質的電極、使用該活性物質的二次電池、使用該二次電池的電池組、使用該二次電池的電動車輛、使用該二次電池的電力存儲系統、使用該二次電池的電動工具和使用該二次電池的電子裝置。
技術介紹
近年來，已經廣泛使用了由移動電話、個人數字助理(PDA)等代表的電子裝置，并且已經強烈要求要求進一步減小它們的尺寸和重量并實現它們的長壽命。因此，作為用于電子裝置的電源，已經開發了電池，特別是能夠提供高能量密度的小且輕量化的二次電池。近年來，已經考慮將這種二次電池不僅應用于前述電子裝置，而且還應用于由可附接且可 拆卸地裝載在電子裝置等上的電池組、電動車輛如電動汽車、電力存儲系統如家用電力服務器、或電動工具如電鉆表不的各種應用。作為二次電池，已經廣泛地提出了利用各種充放電原理的二次電池。特別地，利用鋰離子作為電極反應物的二次電池等被認為是有前景的，因為與鉛電池、鎳鎘電池等相比，這種二次電池等提供更高的能量密度。該二次電池包括正極、負極和電解液。正極包含插入和提取(放出)電極反應物的正極活性物質。為了獲得高電池容量，作為正極活性物質，廣泛使用了包含Li和過渡金屬作為構成元素的Li復合氧化物。Li復合氧化物的實例包括具有層狀鹽晶體結構(空間群R3m)的LiCoO2或LiNiO2和具有尖晶石晶體結構(空間群Fd3m)的LiMn204。特別地，作為層狀鹽Li復合氧化物，LiNiO2比LiCoO2更有前景。這是因為，LiNiO2的放電容量(約180mAh/g以上至200mAh/g以下)高于LiCoO2的放電容量(約150mAh/g)。而且，因為Ni比Co更便宜，并且具有優異的供應穩定性。在使用LiNiO2的情況下，獲得了高理論容量和高放電電位。另一方面，在重復充電和放電的情況下，LiNiO2的晶體結構易于塌陷，因此電池性能(放電容量等)和安全性(熱穩定性等)可能會降低。因此，提出了使用具有橄欖石晶體結構(空間群Pnma)且包含Li和過渡金屬作為構成元素的Li磷酸鹽來解決關于電池性能和安全性的上述缺點。這是因為，由于在充放電時其晶體結構變化很小，因此獲得了優異的循環特性。而且，這是因為O和P在其晶體結構中穩定地共價結合，即使在高溫環境下，也抑制了氧釋放，因此還獲得了優異的穩定性。具體地,使用了包含Fe (其作為來源豐富存在且便宜)作為構成元素的Fe-基Li磷酸鹽(LiFePO4)(例如，參見日本未審查專利申請公開號09-134724)。在這種情況下，提出了在第一階段燒制后將二次粒子(一次粒子的聚集體)壓縮低至預定的體積密度，并且隨后進行在第二階段的燒制從而增加能夠立刻燒制的量且改善制造效率(例如，參見日本未審查專利申請公開號2008-257894)。Fe-基Li磷酸鹽具有上述優點。同時，Fe-基Li磷酸鹽具有其能量密度低的缺點。因此，使用了進一步包含Mn作為構成元素的Mn-基Li磷酸鹽(LiMnxFeyPO4 (x+y=l))。在Mn-基Li磷酸鹽的充電和放電曲線中，對應于Mn的平臺區域存在于4V附近，因此獲得了高能量密度。在這種情況下，提出了在燒制步驟之前加入碳材料以進行壓縮以便確實地進行復合物和碳材料的單相合成(例如，參見日本未審查專利申請公開號2002-117848)。在一些情況下，Mn-基Li磷酸鹽還包含其他過渡金屬等作為構成元素。
技術實現思路
在確保優異的電池性能方面，作為正極活性物質，Mn-基Li磷酸鹽(Mn-based Liphosphate)是主要的候選者。然而，Mn-基Li磷酸鹽具有其中其電導率(電子傳導性)比Fe-基Li磷酸鹽(Fe-based Li phosphate)低約IxlO-3的較大缺點。而且,Mn和Fe的固溶度傾向于低。因此，基本上仍未完全地利用Mn-基Li磷酸鹽的能力。因此，在高負荷條件下，仍未獲得充分的放電容量。期望提供即使在高負荷條件下也能夠獲得高放電容量的活性物質、其制造方法、 電極、二次電池、電池組、電動車輛、電力存儲系統、電動工具和電子裝置。根據本專利技術的實施方式，提供了活性物質，該活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成。該活性物質的中位直徑(median diameter) (D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，該中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的。活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(half bandwidth)(2 θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下,該半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的。LiaMnbFecMdPO4... (I)其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并且規定7 0〈a ( 2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l 和 b+c+d=l。根據本專利技術的實施方式，提供了包括活性物質的電極，該活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成。該活性物質的中位直徑(D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，該中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的。活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(2Θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下，該半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的。LiaMnbFecMdPO4…(I)其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并且規定7 0〈a ( 2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l 和 b+c+d=l。根據本專利技術的實施方式，提供了二次電池，包括包含活性物質的正極；負極；和電解液。該活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成。該活性物質的中位直徑(D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，該中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的。活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(2 Θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下，該半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的。LiaMnbFecMdPO4…(I)其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并且規定7 0〈a ( 2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l 和 b+c+d=l。根據本專利技術的實施方式，提供了電池組，包括二次電池，該二次電池包括包含活性物質的正極、負極和電解液；控制二次電池的使用狀態的控制部；和根據控制部的指示來切換二次電池的使用狀態的開關部(轉換部，切換部)。該活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成。該活性物質的中位直徑(D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，該中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的。活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(2Θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下，該半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的。LiaMnbFecMdPO4... (I)其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并且規定7 0〈a ( 2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l 和 b+c+d=l。根據本專利技術的實施方式，提供了電動車輛，包括二次電池，該二次電池包括包含活性物質的正極、負極和電解液；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二次電池，包括：包含活性物質的正極；負極；以及電解液，其中所述活性物質具有由下面描述的式（1）表示的組成，所述活性物質的中位直徑（D90）為約10.5微米以上至約60微米以下，所述中位直徑（D90）是通過激光衍射法測量的，并且所述活性物質的對應于（020）晶面的衍射峰的半峰寬（2θ）為約0.15度以上至約0.24度以下，所述半峰寬（2θ）是通過X？射線衍射法測量的，LiaMnbFecMdPO4…（1）其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并0

【技術特征摘要】
2011.07.28 JP 2011-1655141.一種二次電池，包括 包含活性物質的正極； 負極；以及 電解液，其中 所述活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成， 所述活性物質的中位直徑(D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，所述中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的，并且所述活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(2 Θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下，所述半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的，LiaMnbFecMdPO4... (I) 其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種；并0〈a彡2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l和 b+c+d=l。2.根據權利要求I所述的二次電池，其中，所述活性物質具有由下面描述的式(2)表示的組成，LiMnblFeclPO4- (2)其中 0〈bl〈l、0〈cl〈l 和 bl+cl=l。3.根據權利要求I所述的二次電池，其中， 所述正極包括包含所述活性物質的活性物質層，并且 相對于所述正極活性物質層的汞滲透量的變化率的最大峰值孔徑為約O. 023 μ m以上至約O. 06 μ m以下，所述汞滲透量是通過壓汞法測量的。4.根據權利要求I所述的二次電池，所述二次電池是鋰離子二次電池。5.一種活性物質，所述活性物質具有由下面描述的式(I)表示的組成， 其中， 所述活性物質的中位直徑(D90)為約10. 5微米以上至約60微米以下，所述中位直徑(D90)是通過激光衍射法測量的，并且 所述活性物質的對應于(020)晶面的衍射峰的半峰寬(2 Θ )為約O. 15度以上至約O. 24度以下，所述半峰寬(2 Θ )是通過X-射線衍射法測量的，LiaMnbFecMdPO4... (I) 其中M表示Mg、Ni、Co、Al、W、Nb、Ti、Si、Cr、Cu和Zn中的一種或多種;并且0〈a ( 2、0〈b〈l、0〈c〈l、0 ( d〈l和 b+c+d=l。6.—種制造活性物質的方法，所述方法包括 壓縮粉末狀原料以形成成型產品；以及 隨后對所述成型產品進行燒成和粉碎從而形成具有由下面描述的式(I)表示的組成的活性物質，其中 在壓縮所述粉末狀原料中所述成型產品的密度為約O. 5毫克/立方厘...

【專利技術屬性】
技術研發人員：松井貴昭，松下忠史，石井武彥，
申請(專利權)人：索尼公司，
類型：發明
國別省市：