活性物质、电极、二次电池、电池包及车辆的制作方法

本发明的实施方案涉及活性物质、电极、二次电池、电池包(battery pack)及车辆。

背景技术：

1、近年来，作为高能量密度电池，正在积极推进锂离子二次电池这种非水电解质二次电池等二次电池的研究开发。非水电解质二次电池等二次电池作为用于混合动力电动汽车或电动汽车等车辆、用于移动电话基站的不间断电源等用途的电源备受期待。因此，对于二次电池而言，除了高能量密度以外，还要求诸如快速充放电性能、长期可靠性的其他性能也优异。例如，能够快速充放电的二次电池不仅可大幅缩短充电时间，还可实现混合动力电动汽车等车辆的动力性能的提升、动力的再生能源的高效回收。

2、为了实现快速充放电，需要使电子和锂离子能够在正极与负极之间迅速地移动。然而，使用了碳系负极的电池在反复进行快速充放电时，可能会在电极上发生金属锂的枝晶析出，导致内部短路引起的发热或起火。

3、对此，开发了一种将金属复合氧化物代替碳系物质用于负极的电池。其中，将钛氧化物用于负极的电池可以实现稳定的快速充放电，具有与使用碳系负极时相比寿命更长的特性。

4、然而，与碳系物质相比，钛氧化物相对于金属锂的电势更高，即电势更正。除此以外，钛氧化物的单位重量的容量低。因此，将钛氧化物用于负极的电池存在能量密度低的问题。

5、例如，钛氧化物的电极电势在金属锂基准下约为1.5v(vs.li/li+)，比碳系负极的电势更高(更正)。钛氧化物的电势起因于将锂以电化学形式嵌入并脱嵌时的ti3+与ti4+之间的氧化还原反应，因此受到电化学方面的限制。此外，还存在在1.5v(vs.li/li+)左右的高电极电势下能够稳定进行锂离子的快速充放电这一实事。因此，为了提高能量密度而降低电极电势在以往是比较困难的。

6、另一方面，关于每单位重量的容量，二氧化钛(锐钛矿结构)的理论容量为165mah/g左右，li4ti5o12(tlo)这种尖晶石型锂钛复合氧化物的理论容量也在180mah/g左右。然而，常规的石墨系电极材料的理论容量则为385mah/g以上。可知钛氧化物的容量密度显著低于碳系负极。这是由于，因为在钛氧化物的晶体结构中，吸留锂的位点少或者锂容易在结构中变得稳定，从而导致实质容量降低。

7、鉴于此，对包含ti和nb的新型电极材料进行了研究。这种铌钛氧化物材料在具有高充放电容量这一点上备受期待。特别是，以tinb2o7表示的氧化物(tno)具有大于380mah/g的高理论容量。因此，铌钛氧化物作为代替li4ti5o12的高容量材料备受期待。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题

2、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够实现显示出优异的充放电效率和循环寿命性能的二次电池的活性物质与电极、显示出优异的充放电效率和循环寿命性能的二次电池与电池包、以及具备该电池包的车辆。

3、解决技术问题的技术手段

4、根据实施方案，可提供一种包含具有单斜晶体结构的铌钛氧化物相的活性物质。铌钛氧化物相在其晶格中具有在晶胞中包含至少一个以仅共享顶点的方式构成的(nb,ti)o6八面体位点的键角畸变为0.8σ2/deg2以下的八面体位点的晶体结构。铌钛氧化物相的晶粒尺寸在85nm以上且130nm以下的范围内。

5、根据其他实施方案，可提供一种包含上述实施方案的活性物质的电极。

6、进一步，根据其他实施方案，可提供一种具备正极、负极及电解质的二次电池。负极为上述实施方案的电极。

7、此外，进一步根据其他实施方案，可提供一种具备二次电池的电池包。电池包的二次电池包含上述实施方案的二次电池。

8、进一步根据其他实施方案，可提供一种搭载有上述实施方案的电池包的车辆。

9、发明效果

10、根据上述构成的活性物质，能够提供一种显示出优异的充放电效率和循环寿命性能的二次电池与电池包、以及具备该电池包的车辆。

技术特征：

1.一种活性物质，其包含具有单斜晶体结构的铌钛氧化物相，所述铌钛氧化物相在其晶格中具有在晶胞中包含至少一个以仅共享顶点的方式构成的(nb,ti)o6八面体位点的键角畸变为0.8σ2/deg2以下的八面体位点的晶体结构，所述铌钛氧化物相的晶粒尺寸在85nm以上且130nm以下的范围内。

2.根据权利要求1所述的活性物质，其中，所述晶粒尺寸为128nm以下。

3.根据权利要求1所述的活性物质，其中，所述晶粒尺寸为98nm以上且110nm以下。

4.根据权利要求1所述的活性物质，其中，所述晶粒尺寸为98nm以上且105nm以下。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的活性物质，其包含所述铌钛氧化物相的一次颗粒，所述一次颗粒的平均粒径d50在0.1μm以上且10μm以下的范围内。

6.根据权利要求5所述的活性物质，其中，所述一次颗粒的平均粒径d50为0.95μm以上。

7.根据权利要求5或6所述的活性物质，其中，所述一次颗粒的平均粒径d50为8.86μm以下。

8.根据权利要求5所述的活性物质，其中，所述一次颗粒的平均粒径d50为1.21μm以上且2.01μm以下。

9.根据权利要求5所述的活性物质，其中，所述一次颗粒的平均粒径d50为3.18μm以上且3.34μm以下。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的活性物质，其中，所述铌钛氧化物相包含选自由nb2tio7相及nb10ti2o29相组成的组中的至少一种相。

11.根据权利要求10所述的活性物质，其中，所述至少一种相含有选自由k、zr、sn、v、ta、mo、w、p、y、fe、co、cr、mn、ni及al组成的组中的至少一种。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的活性物质，其中，所述键角畸变为0.001σ2/deg2以上。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的活性物质，其中，所述键角畸变为0.797σ2/deg2以下。

14.根据权利要求1～11中任一项所述的活性物质，其中，所述键角畸变为0.006σ2/deg2以上且0.489σ2/deg2以下。

15.根据权利要求1～11中任一项所述的活性物质，其中，所述键角畸变为0.006σ2/deg2以上且0.018σ2/deg2以下。

16.根据权利要求1～11中任一项所述的活性物质，其中，所述键角畸变为0.199σ2/deg2以上且0.489σ2/deg2以下。

17.根据权利要求1～11中任一项所述的活性物质，其中，所述铌钛氧化物相具有属于空间群c2/m的单斜晶体型晶体结构，在所述单斜晶体型晶体结构中，晶体学国际表卷a的对称性中所记载的2a位点的键角畸变为0.8σ2/deg2以下。

18.一种电极，其包含权利要求1～17中任一项所述的活性物质。

19.根据权利要求18所述的电极，其包含含有所述活性物质的活性物质含有层。

20.一种二次电池，其具备正极、负极及电解质，其中，所述负极为权利要求18或19所述的电极。

21.一种电池包，其具备权利要求20所述的二次电池。

22.根据权利要求21所述的电池包，其进一步具备用于通电的外部端子和保护电路。

23.根据权利要求21或22所述的电池包，其具备多个所述二次电池，所述二次电池以串联、并联或组合串联与并联的方式电连接。

24.一种车辆，其搭载有权利要求21～23中任一项所述的电池包。

25.根据权利要求24所述的车辆，其包含将所述车辆的动能转化为再生能源的机构。

技术总结
本发明的实施方案涉及活性物质、电极、二次电池、电池包及车辆。本发明提供一种能够实现显示出优异的充放电效率和循环寿命性能的二次电池的活性物质与电极、显示出优异的充放电效率和循环寿命性能的二次电池与电池包、以及具备该电池包的车辆。根据实施方案，提供一种包含具有单斜晶体结构的铌钛氧化物相的活性物质。铌钛氧化物相在其晶格中具有在晶胞中包含至少一个以仅共享顶点的方式构成的(Nb,Ti)O<subgt;6</subgt;八面体位点的键角畸变为0.8σ<supgt;2</supgt;/deg<supgt;2</supgt;以下的八面体位点的晶体结构。铌钛氧化物相的晶粒尺寸在85nm以上且130nm以下的范围内。

技术研发人员：原田康宏,伊勢一树,山下泰伸,植田格弥,村田芳明,高见则雄
受保护的技术使用者：株式会社东芝
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23