[发明专利]负电极活性材料、负电极和电池

说明书

通过引用并入

2011年9月15日提交的日本专利申请号2011-201548的公开内容(包括说明书、附图和摘要)通过引用全文并入本文。

技术领域

本发明涉及相对于锂具有低电势的负电极活性材料。

背景技术

近年来，从环境保护的角度，要求可应用于低排放车辆如电动车辆和混合动力车辆的高输出和高容量的电源。此外，在除了机动车以外的领域中，移动工具如与信息相关的设备和通信设备的全球扩散引起了可以提高移动工具性能的电源的必要性。有前景的高性能电源之一是锂电池，其具有高的能密度并且可在高电压下操作。

锂电池具有与其正电极材料相对于锂的电位和其负电极材料相对应锂的电位之差相等的电压。换言之，当负电极材料(具体而言，负电极活性材料)的电位降低时，可以从电池获得高电压和高输出并且能量密度增加。然而，负电极活性材料相对于锂的电位降低过多可导致金属锂沉淀在电池中。例如，相对于锂具有0V电位的石墨导致在使用时金属锂的沉淀。

用于防止金属锂的沉淀的一个可能解决方案是将工作电压增加至金属锂不沉淀的水平(换言之，使用相对于锂具有高电位的负电极活性材料)。一些电池使用尖晶石型钛酸锂(Li4Ti₅O₁₂)或其部分替代产品，其是这类负电极活性材料的典型例子(日本专利申请公开号2009-199798(JP2009-199798A)、日本专利申请公开号2011-086464(JP 2011-086464A)和日本专利申请公开号10-251020(JP 10-251020A))。这样的材料已经实际应用于一些应用中。

尖晶石型钛酸锂相对于锂具有1.5V的电位，并且不导致金属锂的沉淀，但是具有对于用作负电极活性材料而言过高的电位。换言之，使用尖晶石型钛酸锂作为负电极活性材料的电池不适合获得高电压和高输出。

TiO₂和F₂O₃是除了尖晶石型钛酸锂之外可用作负电极活性材料的过渡金属氧化物的一些另外的例子，但是它们相对于锂分别具有约1.8V和1.3V的高电位。换言之，使用TiO₂或F₂O₃作为负电极活性材料的电池也不适合获得高电位和高输出。

发明内容

本发明提供相对于锂具有低电位的负电极活性材料。

本发明人进行了认真的研究，结果得到以下结论。(1)由于作为在活性材料中过渡金属和氧之间的键的电离度的诱导效应较高，所以负电极活性材料倾向于具有较高的氧化-还原电位。换句话说，认为尖晶石型钛酸锂或TiO₂中Ti-O键的电离度和Fe₂O₃中Fe-O键的电离度是高的。(2)当负电极活性材料除了过渡金属原子(A)还包含阳离子(B)时，负电极活性材料相对于锂具有低电位，其中所述阳离子(B)不促进充电-放电反应或相对于过渡金属原子(A)相对较不可能促进充电-放电反应，所述过渡金属原子(A)促进充电-放电反应或相对于阳离子(B)相对更可能促进充电-放电反应。据认为，因为在负电极活性材料中的阳离子(B)和氧原子之间形成离子键，所以过渡金属原子(A)和氧原子之间的键的电离度降低，导致过渡金属原子(A)和氧原子之间的键的共价性增加，导致负电极活性材料的氧化-还原电位降低。(3)更具体而言，当使用具有包括两种类型的阳离子的假板钛矿结构的化合物作为负电极活性材料时，因为上述原理，所以可以获得相对于锂具有低电位的负电极活性材料。

本发明的第一方面提供包括具有假板钛矿结构的化合物的负电极活性材料。

术语“假板钛矿结构”是指具有空间群BBMM、CCMM、CMCM、PNMA或PBCN并且包括至少两种类型的阳离子的结构。在至少两种类型的阳离子中的至少一种类型的阳离子相对于其它阳离子相对更可能促进充电-放电反应，并且所述其它阳离子相对于所述至少一种类型的阳离子相对较不可能促进充电-放电反应。