[發明專利]負電極活性材料、負電極和電池

有效

• 申請號: 201210339991.7
• 申請日: 2012-09-13
• 公開（公告）號: CN103000869A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 當寺盛健志
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M4/131
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;王春偉

通過引用并入

2011年9月15日提交的日本專利申請號2011-201548的公開內容(包括說明書、附圖和摘要)通過引用全文并入本文。

技術領域

本發明涉及相對于鋰具有低電勢的負電極活性材料。

背景技術

近年來，從環境保護的角度，要求可應用于低排放車輛如電動車輛和混合動力車輛的高輸出和高容量的電源。此外，在除了機動車以外的領域中，移動工具如與信息相關的設備和通信設備的全球擴散引起了可以提高移動工具性能的電源的必要性。有前景的高性能電源之一是鋰電池，其具有高的能密度并且可在高電壓下操作。

鋰電池具有與其正電極材料相對于鋰的電位和其負電極材料相對應鋰的電位之差相等的電壓。換言之，當負電極材料(具體而言，負電極活性材料)的電位降低時，可以從電池獲得高電壓和高輸出并且能量密度增加。然而，負電極活性材料相對于鋰的電位降低過多可導致金屬鋰沉淀在電池中。例如，相對于鋰具有0V電位的石墨導致在使用時金屬鋰的沉淀。

用于防止金屬鋰的沉淀的一個可能解決方案是將工作電壓增加至金屬鋰不沉淀的水平(換言之，使用相對于鋰具有高電位的負電極活性材料)。一些電池使用尖晶石型鈦酸鋰(Li4Ti₅O₁₂)或其部分替代產品，其是這類負電極活性材料的典型例子(日本專利申請公開號2009-199798(JP2009-199798A)、日本專利申請公開號2011-086464(JP?2011-086464A)和日本專利申請公開號10-251020(JP?10-251020A))。這樣的材料已經實際應用于一些應用中。

尖晶石型鈦酸鋰相對于鋰具有1.5V的電位，并且不導致金屬鋰的沉淀，但是具有對于用作負電極活性材料而言過高的電位。換言之，使用尖晶石型鈦酸鋰作為負電極活性材料的電池不適合獲得高電壓和高輸出。

TiO₂和F₂O₃是除了尖晶石型鈦酸鋰之外可用作負電極活性材料的過渡金屬氧化物的一些另外的例子，但是它們相對于鋰分別具有約1.8V和1.3V的高電位。換言之，使用TiO₂或F₂O₃作為負電極活性材料的電池也不適合獲得高電位和高輸出。

發明內容

本發明提供相對于鋰具有低電位的負電極活性材料。

本發明人進行了認真的研究，結果得到以下結論。(1)由于作為在活性材料中過渡金屬和氧之間的鍵的電離度的誘導效應較高，所以負電極活性材料傾向于具有較高的氧化-還原電位。換句話說，認為尖晶石型鈦酸鋰或TiO₂中Ti-O鍵的電離度和Fe₂O₃中Fe-O鍵的電離度是高的。(2)當負電極活性材料除了過渡金屬原子(A)還包含陽離子(B)時，負電極活性材料相對于鋰具有低電位，其中所述陽離子(B)不促進充電-放電反應或相對于過渡金屬原子(A)相對較不可能促進充電-放電反應，所述過渡金屬原子(A)促進充電-放電反應或相對于陽離子(B)相對更可能促進充電-放電反應。據認為，因為在負電極活性材料中的陽離子(B)和氧原子之間形成離子鍵，所以過渡金屬原子(A)和氧原子之間的鍵的電離度降低，導致過渡金屬原子(A)和氧原子之間的鍵的共價性增加，導致負電極活性材料的氧化-還原電位降低。(3)更具體而言，當使用具有包括兩種類型的陽離子的假板鈦礦結構的化合物作為負電極活性材料時，因為上述原理，所以可以獲得相對于鋰具有低電位的負電極活性材料。

本發明的第一方面提供包括具有假板鈦礦結構的化合物的負電極活性材料。

術語“假板鈦礦結構”是指具有空間群BBMM、CCMM、CMCM、PNMA或PBCN并且包括至少兩種類型的陽離子的結構。在至少兩種類型的陽離子中的至少一種類型的陽離子相對于其它陽離子相對更可能促進充電-放電反應，并且所述其它陽離子相對于所述至少一種類型的陽離子相對較不可能促進充電-放電反應。