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CN117203794A - 正极材料及电池 - Google Patents

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CN117203794A
CN117203794A CN202280029170.5A CN202280029170A CN117203794A CN 117203794 A CN117203794 A CN 117203794A CN 202280029170 A CN202280029170 A CN 202280029170A CN 117203794 A CN117203794 A CN 117203794A
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solid electrolyte
electrolyte
battery
electrolyte material
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名嘉真好政
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

本公开的正极材料(1000)含有正极活性物质(110)、被覆正极活性物质(110)的表面的至少一部分的第1固体电解质材料(111)、和第2电解质材料(100),正极活性物质(110)含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,第1固体电解质材料(111)含有Li、Ti、M1及F,且M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。

Description

正极材料及电池
技术领域
本公开涉及正极材料及电池。
背景技术
专利文献1中公开了一种采用正极材料的全固体电池,在该正极材料中用铌酸锂被覆含有镍、钴及锰的正极活性物质表面的至少一部分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2019/146216号
发明内容
发明所要解决的课题
本公开提供一种可提高电池充放电容量的正极材料。
用于解决课题的手段
本公开的正极材料含有正极活性物质、被覆所述正极活性物质表面的至少一部分的第1固体电解质材料、和第2电解质材料,所述正极活性物质含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,所述第1固体电解质材料含有Li、Ti、M1及F,所述M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。
发明效果
本公开提供一种可提高电池充放电容量的正极材料。
附图说明
图1是表示实施方式1中的正极材料1000的简要构成的剖视图。
图2是表示实施方式2中的电池2000的简要构成的剖视图。
图3是表示实施方式3中的电池3000的简要构成的剖视图。
具体实施方式
(成为本公开基础的见解)
专利文献1中公开了一种采用正极材料的全固体电池,该正极材料含有包含镍、钴及锰的正极活性物质,被覆正极活性物质表面的至少一部分的被覆材料,和卤化物固体电解质材料。被覆正极活性物质表面的被覆材料为固体电解质材料,该固体电解质材料为铌酸锂。
以往,对于含有卤化物固体电解质的正极材料,研究了卤化物固体电解质对于氧化分解的耐性。卤化物固体电解质是作为阴离子含有氟(即F)、氯(即Cl)、溴(即Br)及碘(即I)等卤族元素的材料。
在正极材料采用含有选自氯、溴及碘中的至少1种元素的卤化物固体电解质的电池中,发现如下的课题:充电中卤化物固体电解质发生氧化分解,氧化分解物以电阻层发挥功能,从而在充电时电池的内部电阻上升。推想其原因在于卤化物固体电解质中所含的选自氯、溴及碘中的1种元素的氧化反应。这里,所谓氧化反应,是指从正极材料中的正极活性物质中夺取锂和电子的通常的充电反应,而且还有从与正极活性物质接触的含有选自氯、溴及碘中的至少1种元素的卤化物固体电解质中夺取电子的副反应。可以认为伴随着该氧化反应,在正极活性物质与卤化物固体电解质之间,形成缺乏锂离子传导性的氧化分解层,该氧化分解层在正极的电极反应中以大的界面电阻发挥功能。可以认为氯、溴及碘由于离子半径比较大、与构成卤化物固体电解质的阳离子成分的相互作用力较小,因而容易氧化。另外,为人所知的是在采用对锂电位超过3.9V的正极活性物质的情况下,与采用对锂电位为3.9V以下的正极活性物质的情况相比,容易产生此种问题,不仅卤化物固体电解质,例如即使固体电解质为硫化物固体电解质也发生分解。
专利文献1中公开了一种具备正极层的电池,该正极层含有用铌酸锂被覆的正极活性物质和卤化物固体电解质。如此通过用被覆材料被覆正极活性物质,可抑制由卤化物固体电解质导致的氧化分解层的形成,抑制内部电阻的上升,从而能够抑制电池的充放电容量下降。
本发明人就含有所被覆的正极活性物质的正极材料,对能够进一步抑制电池的充放电容量下降的构成进行了潜心的研究。其结果是,本发明人弄清楚了:当正极活性物质含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,用含有Li、Ti、M1及F且M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种的固体电解质材料被覆该正极活性物质表面时,能够进一步抑制电池的充放电容量下降。
基于以上的见解,本发明人得到了以下的本公开的正极材料。
本公开的正极材料所具有的构成为:含有正极活性物质、第1固体电解质材料和第2电解质材料,上述正极活性物质含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,上述第1固体电解质材料被覆上述正极活性物质表面的至少一部分且含有Li、Ti、M1及F,M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。通过该构成,本公开的正极材料能够提高耐氧化性,从而能够提高电池的充放电容量。
(本公开涉及的一个方案的概要)
本公开的第1方案涉及的正极材料含有正极活性物质、被覆上述正极活性物质表面的至少一部分的第1固体电解质材料、和第2电解质材料,上述正极活性物质含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,上述第1固体电解质材料含有Li、Ti、M1及F,且上述M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。
第1方案涉及的正极材料中,用第1固体电解质材料被覆了表面的至少一部分的正极活性物质具有较高的耐氧化性。因此,在正极材料中能够抑制由第2电解质材料氧化分解造成的充放电容量下降。
在本公开的第2方案中,例如,根据第1方案涉及的正极材料,上述正极活性物质也可以含有用下述的组成式(1)表示的材料。
LiNixMn2-xO4式(1)
这里,x满足0<x<2。
第2方案涉及的正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第3方案中,例如,根据第2方案涉及的正极材料,上述组成式(1)也可以满足0<x<1。
第3方案涉及的正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第4方案中,例如,根据第3方案涉及的正极材料,上述组成式(1)也可以满足x=0.5。
第4方案涉及的正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第5方案中,例如,根据第1~第4方案中任一项涉及的正极材料,上述第1固体电解质材料也可以由Li、Ti、M1及F构成。
根据第5方案涉及的正极材料,上述第1固体电解质材料表现出较高的离子传导率。因此,在上述正极材料中,能够实现上述第1固体电解质材料和上述正极活性物质的较低的界面电阻。所以,上述正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第6方案中,例如,根据第1~第5方案中任一项涉及的正极材料,上述第1固体电解质材料也可以具有用下述的组成式(2B)表示的组成。
Li6-(4-a)b(Ti1-aM1a)bF6式(2B)
这里,a满足0<a<1,b满足0<b≤1.5。
根据第6方案涉及的正极材料,上述第1固体电解质材料表现出较高的离子传导率。因此,在上述正极材料中,能够实现上述第1固体电解质材料和上述正极活性物质的较低的界面电阻。所以,上述正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第7方案中,例如,根据第1~第6方案中任一项涉及的正极材料,上述M1也可以为Al。
Al廉价,而且适合作为提高电解质的离子传导率的元素。所以,根据第7方案涉及的正极材料,上述第1固体电解质材料表现出更高的离子传导率。因此,在上述正极材料中,能够实现上述第1固体电解质材料和上述正极活性物质的更低的界面电阻。所以,上述正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第8方案中,例如,根据第1~第7方案中任一项涉及的正极材料,上述第2电解质材料也可以含有Li、选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种和选自Cl及Br中的至少1种。
第8方案涉及的正极材料能够提高电池的充放电容量。
在本公开的第9方案中,例如,根据第8方案涉及的正极材料,上述第2电解质材料也可以含有用下述的组成式(3)表示的材料。
Liα3M2β3Xγ3Oδ3式(3)
这里,α3、β3及γ3为大于0的值,δ3为0以上的值,
M2为选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种,
X为选自Cl及Br中的至少1种元素。
根据第9方案涉及的正极材料,能够更加提高上述第2电解质材料的离子传导率。由此,能够更加降低源自上述正极材料的Li离子移动的电阻,能够更有效地抑制充电时的电池内部电阻的上升。
在本公开的第10方案中,例如,根据第9方案涉及的正极材料,上述M2也可以含有选自Y及Ta中的至少1种。
根据第10方案涉及的正极材料,能够更加提高上述第2电解质材料的离子传导率。由此,能够更加降低源自上述正极材料的Li离子移动的电阻,能够更有效地抑制充电时的电池内部电阻上升。
在本公开的第11方案中,例如,根据第9或第10方案涉及的正极材料,组成式(3)也可以满足:
1≤α3≤4、
0<β3≤2、
3≤γ3<7、
0≤δ3≤2。
根据第11方案涉及的正极材料,能够更加提高上述第2电解质材料的离子传导率。由此,能够更加降低源自上述正极材料的Li离子移动的电阻,能够更有效地抑制充电时的电池内部电阻上升。
在本公开的第12方案中,例如,根据第1~第11方案中任一项涉及的正极材料,上述第2电解质材料也可以含有硫化物固体电解质。
根据第12方案涉及的正极材料,能够更加提高上述第2电解质材料的离子传导率。由此,能够更加降低源自上述正极材料的Li离子移动的电阻,能够更有效地抑制充电时的电池内部电阻上升。
在本公开的第13方案中,例如,根据第12方案涉及的正极材料,上述硫化物固体电解质也可以为Li6PS5Cl。
根据第13方案涉及的正极材料,能够更加提高上述第2电解质材料的离子传导率。由此,能够更加降低源自上述正极材料的Li离子移动的电阻,能够更有效地抑制充电时的电池内部电阻上升。
在本公开的第14方案中,例如,根据第1~第13方案中任一项涉及的正极材料,也可以在上述正极活性物质与上述第2电解质材料之间设置上述第1固体电解质材料。
根据第14方案涉及的正极材料,通过使具有较高的耐氧化性的上述第1固体电解质材料介于上述正极活性物质与上述第2电解质材料之间,可抑制上述第2电解质材料的氧化分解,从而能够抑制充电时的电池内部电阻上升。
本公开的第15方案涉及一种电池,其具备正极、负极和位于上述正极与上述负极之间的电解质层,上述正极含有第1~第14方案中任一项涉及的正极材料。
在第15方案涉及的电池中,可抑制充电时的电池内部电阻上升,提高充放电容量。
在本公开的第16方案中,例如,根据第15方案涉及的电池,上述电解质层含有第1电解质层及第2电解质层,
也可以是上述第1电解质层与上述正极接触,上述第2电解质层与上述负极接触。
根据第16方案涉及的电池,可抑制充电时的电池内部电阻上升,提高充放电容量。
在本公开的第17方案中,例如,根据第16方案涉及的电池,上述第1电解质层也可以含有具有与上述第1固体电解质材料相同的组成的材料。
根据第17方案涉及的电池,充放电容量提高。
本公开的第18方案中,例如根据第16方案涉及的电池,上述第1电解质层也可以含有具有与上述第2电解质材料相同的组成的材料。
根据第18方案涉及的电池,充放电容量提高。
在本公开的第19方案中,例如根据第16方案涉及的电池,上述第2电解质层也可以含有具有与上述第1固体电解质材料不同的组成的材料。
根据第19方案涉及的电池,充放电容量提高。
在本公开的第20方案中,例如根据第15方案涉及的电池,上述电解质层也可以含有卤化物固体电解质。
在第20方案涉及的电池中,充放电容量提高。
以下,参照附图对本公开的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1是表示实施方式1中的正极材料1000的简要构成的剖视图。正极材料1000含有正极活性物质110、被覆正极活性物质110表面的至少一部分的第1固体电解质材料111、和第2电解质材料100。正极活性物质110含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物。第1固体电解质材料111含有Li、Ti、M1及F。M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。
根据以上的构成,正极材料1000具有较高的耐氧化性。因此,正极材料1000能够抑制充电时的电池内部电阻上升。此外,第1固体电解质材料111具有较高的离子传导率。因此,在正极材料1000中,能够实现第1固体电解质材料111和正极活性物质110的较低的界面电阻。所以,正极材料1000能够提高电池的充放电容量。
为了进一步提高第1固体电解质材料111的离子传导率,第1固体电解质材料111作为阴离子也可以含有F以外的元素。作为该阴离子含有的元素的例子为Cl、Br、I、O、S或Se。此外,第1固体电解质材料111也可以不含硫。
正极活性物质110也可以含有用下述的组成式(1)表示的材料。
LiNixMn2-xO4式(1)
这里,x满足0<x<2。
组成式(1)中,也可以满足0<x<1。
组成式(1)中,也可以满足x=0.5。也就是说,正极活性物质110也可以含有LiNi0.5Mn1.5O4
用这些化学式表示的氧化物是通过用Ni置换具有尖晶石结构的LiMn2O4中的Mn的一部分而得到的材料,适合提高电池的工作电压。由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物也可具有尖晶石结构。所谓“由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物”,是指除不可避免的杂质以外,不有意添加Li、Ni、Mn及O以外的元素。
此外,用组成式(1)表示的材料因不含Co而廉价。根据以上的构成,能够实现可提高电池的充放电效率的、低成本的正极材料1000。
正极活性物质110也可以只由LiNi0.5Mn1.5O4构成。
根据以上的构成,可提高电池的充放电容量。
第1固体电解质材料111也可以实质上由Li、Ti、M1及F构成。所谓“第1固体电解质材料111实质上由Li、Ti、M1及F构成”,是指Li、Ti、M1及F的物质量的合计相对于构成第1固体电解质材料的全部元素的物质量的合计之摩尔比(即摩尔分数)为90%以上。作为一个例子,该摩尔比也可以为95%以上。
第1固体电解质材料111也可以由Li、Ti、M1及F构成。
第1固体电解质材料111也可以含有用下述的组成式(2A)表示的材料。这里,α2、β2、γ2及δ2为大于0的值。
Liα2Tiβ2M1γ2Fδ2式(2A)
组成式(2A)中,δ2也可以为大于α2的值。δ2也可以为分别大于α2、β2及γ2的值。
组成式(2A)中,也可以满足1.7≤α2≤3.7、0<β2<1.5、0<γ2<1.5及5≤δ2≤7。
组成式(2A)中,也可以满足2.5≤α2≤3、0.1≤β2≤0.6、0.4≤γ2≤0.9及δ2=6。
第1固体电解质材料111也可以作为主成分含有用组成式(2A)表示的材料。这里,所谓“主成分”,是指按质量比最多含有的成分。
在第1固体电解质材料111中,F相对于Li、Ti、M1及F的合计之摩尔比也可以为0.4以上且0.8以下,也可以为0.5以上且0.7以下。F相对于Li、Ti、M1及F的合计之摩尔比可通过(F的物质量)/(Li、Ti、M1及F的物质量的合计)来算出。
第1固体电解质材料111也可以含有用下述的组成式(2B)表示的材料。式(2B)中,a满足0<a<1,b满足0<b≤1.5。
Li6-(4-a)b(Ti1-aM1a)bF6式(2B)
为了提高第1固体电解质材料111的离子传导率,在式(2B)中,a也可以满足0.1≤a≤0.9。
为了提高第1固体电解质材料111的离子传导率,在式(2B)中,b也可以满足0.8≤b≤1.2。
在具有用式(2B)表示的特定组成时,第1固体电解质材料111例如示出以下那样的离子传导率。例如,在M1为Zr时,第1固体电解质材料111示出2.1μS/cm左右的离子传导率。在M1为Mg时,第1固体电解质材料111示出2.3μS/cm左右的离子传导率。在M1为Ca时,第1固体电解质材料111示出0.02μS/cm左右的离子传导率。在M1为Al时,第1固体电解质材料111示出5.4μS/cm左右的离子传导率。另一方面,第1固体电解质材料111的耐氧化性主要起因于F。考虑到这些事实,即使将M1由特定的元素置换为别的元素,提高电池的充放电容量也不会改变。
M1也可以是Al。
第1固体电解质材料111也可以作为主成分含有用组成式(2B)表示的材料。这里,所谓“主成分”,是指按质量比最多含有的成分。
根据以上的构成,第1固体电解质材料111表现出更高的离子传导率。因此,在正极材料1000中,能够实现第1固体电解质材料111和正极活性物质110的较低的界面电阻。
第2电解质材料100也可以含有Li、选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种和选自Cl及Br中的至少1种。
所谓“半金属元素”,为B、Si、Ge、As、Sb及Te。
所谓“金属元素”,为除氢以外的元素周期表第1族~第12族中所含的全部元素、以及除B、Si、Ge、As、Sb、Te、C、N、P、O、S及Se以外的第13族~第16族中所含的全部元素。也就是说,为在形成卤素化合物和无机化合物时可成为阳离子的元素组。
第2电解质材料100也可以用下述的组成式(3)表示。
Liα3M2β3Xγ3Oδ3式(3)
这里,α3、β3及γ3为大于0的值,δ3为0以上的值,M2为选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种,X为选自Cl及Br中的至少1种元素。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
组成式(3)中,M2也可以含有选自Y及Ta中的至少1种。也就是说,第2电解质材料100作为金属元素也可以含有Y。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
组成式(3)中,也可以满足1≤α3≤4、0<β3≤2、3≤γ3<7及0≤δ3≤2。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
组成式(3)中,也可以满足2.5≤α3≤3、1≤β3≤1.1、γ3=6及δ3=0。
含有Y的第2电解质材料100例如也可以是用LiaMebYcX6的组成式表示的化合物。这里,满足a+m’b+3c=6、且c>0。Me为选自除Li及Y以外的金属元素和半金属元素中的至少1种元素。此外,m’为Me的价数。
作为Me,也可以采用选自Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Sc、Al、Ga、Bi、Zr、Hf、Ti、Sn、Ta及Nb中的至少1种元素。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A1)表示的材料。
Li6-3dYdX6式(A1)
这里,组成式(A1)中,X为卤族元素,且含有Cl。此外,满足0<d<2。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A2)表示的材料。
Li3YX6式(A2)
这里,组成式(A2)中,X为卤族元素,且含有Cl。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A3)表示的材料。
Li3-3δY1+δCl6式(A3)
这里,组成式(A3)中,满足0<δ≤0.15。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A4)表示的材料。
Li3-3δ+a4Y1+δ-a4Mea4Cl6-x4Brx4式(A4)
这里,组成式(A4)中,Me为选自Mg、Ca、Sr、Ba及Zn中的至少1种元素。此外,满足-1<δ<2、0<a4<3、0<(3-3δ+a4)、0<(1+δ-a4)及0≤x4<6。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A5)表示的材料。
Li3-3δY1+δ-a5Mea5Cl6-x5Brx5式(A5)
这里,组成式(A5)中,Me为选自Al、Sc、Ga及Bi中的至少1种元素。此外,满足-1<δ<1、0<a5<2、0<(1+δ-a5)及0≤x5<6。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A6)表示的材料。
Li3-3δ-a6Y1+δ-a6Mea6Cl6-x6Brx6式(A6)
这里,组成式(A6)中,Me为选自Zr、Hf及Ti中的至少1种元素。此外,满足-1<δ<1、0<a6<1.5、0<(3-3δ-a6)、0<(1+δ-a6)及0≤x6<6。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
第2电解质材料100也可以是用下述的组成式(A7)表示的材料。
Li3-3δ-2a7Y1+δ-a7Mea7Cl6-x7Brx7式(A7)
这里,组成式(A7)中,Me为选自Ta及Nb中的至少1种元素。此外,满足-1<δ<1、0<a7<1.2、0<(3-3δ-2a7)、0<(1+δ-a7)及0≤x7<6。
根据以上的构成,能够更加提高第2电解质材料100的离子传导率。由此,能够更加降低正极材料1000的源自Li离子移动的电阻。
作为第2电解质材料100,例如可采用Li3YX6、Li2MgX4、Li2FeX4、Li(Al、Ga、In)X4、Li3(Al、Ga、In)X6等。这里,X包含Cl。再者,本公开中,在如“(Al、Ga、In)”那样表示式中的元素时,该记载表示选自括号内的元素组中的至少1种元素。也就是说,“(Al、Ga、In)”与“选自Al、Ga及In中的至少1种”同义。在其它元素时也同样。
作为第2电解质材料100,也可以含有硫化物固体电解质。作为硫化物固体电解质,例如可采用Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3、Li2S-GeS2、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li10GeP2S12、Li6PS5Cl等。此外,也可以在它们中添加LiX、Li2O、MOq、LipMOq等。这里,X为选自F、Cl、Br及I中的至少1种元素。M为选自P、Si、Ge、B、Al、Ga、In、Fe及Zn中的至少1种元素。p及q分别独立地为自然数。
硫化物固体电解质也可以含有硫化锂和硫化磷。
硫化物固体电解质也可以为Li6PS5Cl。
第2电解质材料100也可以为固体电解质材料。
第2电解质材料100也可以含有电解液。
电解液含有水或非水溶剂和溶于溶剂中的锂盐。
溶剂的例子为水、环状碳酸酯溶剂、链状碳酸酯溶剂、环状醚溶剂、链状醚溶剂、环状酯溶剂、链状酯溶剂或氟溶剂等。
环状碳酸酯溶剂的例子为碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或碳酸亚丁酯等。
链状碳酸酯溶剂的例子为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯等。
环状醚溶剂的例子为四氢呋喃、1,4-二噁烷或1,3-二氧杂戊环。
链状醚溶剂的例子为1,2-二甲氧基乙烷或1,2-二乙氧基乙烷等。
环状酯溶剂的例子为γ-丁内酯等。
链状酯溶剂的例子为乙酸甲酯等。
氟溶剂的例子为氟代碳酸亚乙酯、氟代丙酸甲酯、氟苯、氟代碳酸甲乙酯或氟代碳酸二亚甲基酯。
作为溶剂,可单独使用选自它们中的1种溶剂。或者,作为溶剂,可使用选自它们中的两种以上溶剂的组合。
电解液中,也可以含有选自氟代碳酸亚乙酯、氟代丙酸甲酯、氟苯、氟代碳酸甲乙酯或氟代碳酸二亚甲基酯中的至少1种氟溶剂。
作为锂盐,可使用LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3等。作为锂盐,可单独使用选自它们中的1种锂盐。或者,作为锂盐,可使用选自它们中的两种以上锂盐的混合物。锂盐的浓度例如在0.1~15mol/升的范围。
正极材料1000除由Li、N、Mn及O构成的氧化物以外,也可以进一步含有其它正极活性物质。
正极活性物质含有具有可嵌入及脱嵌金属离子(例如锂离子)这样的特性的材料。作为除正极活性物质110以外的其它正极活性物质,例如可采用含锂过渡金属氧化物、过渡金属氟化物、聚阴离子材料、氟化聚阴离子材料、过渡金属硫化物、过渡金属硫氧化物或过渡金属氮氧化物等。作为含锂过渡金属氧化物的例子,为Li(Ni、Co、Al)O2、Li(Ni、Co、Mn)O2、LiCoO2等。特别是,在采用含锂过渡金属氧化物的情况下,能够降低正极材料1000的制造成本,提高平均放电电压。
也可以在正极活性物质110与第2电解质材料100之间,设置第1固体电解质材料111。
根据以上的构成,通过使具有较高耐氧化性的第1固体电解质材料111介于正极活性物质110与第2电解质材料100之间,能够抑制第2电解质材料100的氧化分解。因此,采用了正极材料1000的电池能够抑制充电时的容量下降。
正极材料1000也可以进一步含有具有与第2电解质材料100不同的组成的材料即第3电解质材料。
被覆正极活性物质110表面的至少一部分的第1固体电解质材料111的厚度也可以为1nm以上且500nm以下。
当第1固体电解质材料111的厚度为1nm以上时,能够抑制正极活性物质110及第2电解质材料100的直接接触,能够抑制第2电解质材料100的氧化分解。因此,能够提高采用正极材料1000的电池的充放电效率。当第1固体电解质材料111的厚度为500nm以下时,第1固体电解质材料111的厚度不会过于加厚。因此,能够充分降低采用正极材料1000的电池的内部电阻,从而提高电池的能量密度。
再者,第1固体电解质材料111的厚度的测定方法没有特别的限定,例如可通过采用透过式电子显微镜,直接观察第1固体电解质材料111的厚度来求出。
第1固体电解质材料111相对于正极活性物质110的质量比率也可以为0.01%以上且30%以下。
当第1固体电解质材料111相对于正极活性物质110的质量比率为0.01%以上时,能够抑制正极活性物质110与第2电解质材料100的直接接触,能够抑制第2电解质材料100的氧化分解。因此,能够提高采用正极材料1000的电池的充放电效率。当第1固体电解质材料111相对于正极活性物质110的质量比率为30%以下时,第1固体电解质材料111的厚度不会过于加厚。因此,能够充分降低采用正极材料1000的电池的内部电阻,能够提高电池的能量密度。
第1固体电解质材料111也可以均匀地被覆正极活性物质110的表面。由此,能够抑制正极活性物质110与第2电解质材料100的直接接触,能够抑制第2电解质材料100的副反应。因此,能够更加提高采用正极材料1000的电池的充放电特性,且能够抑制容量下降。
第1固体电解质材料111也可以被覆正极活性物质110的表面的一部分。通过经由没有第1固体电解质材料111的部分而使多个正极活性物质110彼此直接接触,提高多个正极活性物质110间的电子传导性。因此,采用正极材料1000的电池能以高输出功率工作。
第1固体电解质材料111也可以被覆正极活性物质110表面的30%以上,也可以被覆60%以上,也可以被覆90%以上。第1固体电解质材料111也可以实质上被覆正极活性物质110全部表面。
第1固体电解质材料111也可以与正极活性物质110的表面直接接触。
正极活性物质110也可以用与第1固体电解质材料111不同的被覆材料被覆其表面的至少一部分。
作为被覆材料,可以列举出硫化物固体电解质、氧化物固体电解质及氟化物固体电解质等。作为被覆材料所用的硫化物固体电解质,也可以采用与第2电解质材料100中所例示的材料相同的材料。作为被覆材料所用的氧化物固体电解质,可以列举出LiNbO3等Li-Nb-O化合物、LiBO2、Li3BO3等Li-B-O化合物、LiAlO2等Li-Al-O化合物、Li4SiO4等Li-Si-O化合物、Li2SO4、Li4Ti5O12等Li-Ti-O化合物、Li2ZrO3等Li-Zr-O化合物、Li2MoO3等Li-Mo-O化合物、LiV2O5等Li-V-O化合物、Li2WO4等Li-W-O化合物、Li3PO4等Li-P-O化合物。作为被覆材料所用的氟化物固体电解质,可以列举出含有Li、Ti、M1及F且M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种元素的固体电解质。
根据以上的构成,能够更加提高正极材料1000的耐氧化性。由此,能够抑制充电时的电池的容量下降。
正极活性物质110和第1固体电解质材料111也可以隔着被覆材料而不直接接触。
根据以上的构成,更加提高正极材料1000的耐氧化性。由此,能够抑制充电时的电池的容量下降。
第2电解质材料100的形状没有特别的限定。当第2电解质材料100为粉体材料时,其形状例如也可以为针状、球状、椭圆球状等。例如,第2电解质材料100的形状也可以为粒子状。
例如,当第2电解质材料100的形状为粒子状(例如球状)时,第2电解质材料100的中值粒径也可以为100μm以下。当第2电解质材料100的中值粒径为100μm以下时,正极活性物质110和第2电解质材料100可在正极材料1000中形成良好的分散状态。因此,采用正极材料1000的电池的充放电特性提高。
第2电解质材料100的中值粒径也可以为10μm以下。根据以上的构成,在正极材料1000中,正极活性物质110和第2电解质材料100可形成良好的分散状态。
在实施方式1中,第2电解质材料100的中值粒径也可以小于正极活性物质110的中值粒径。根据以上的构成,在正极中,第2电解质材料100和正极活性物质110能够形成更良好的分散状态。
正极活性物质110的中值粒径也可以为0.1μm以上且100μm以下。
当正极活性物质110的中值粒径为0.1μm以上时,在正极材料1000中,正极活性物质110和第2电解质材料100可形成良好的分散状态。因此,采用正极材料1000的电池的充放电特性提高。当正极活性物质110的中值粒径为100μm以下时,正极活性物质110内的锂扩散速度提高。因此,采用正极材料1000的电池能以高输出功率工作。
正极活性物质110的中值粒径也可以大于第2电解质材料100的中值粒径。由此,正极活性物质110和第2电解质材料100能够形成良好的分散状态。
本公开中,所谓“中值粒径”,是指体积基准的粒度分布中的累计体积等于50%时的粒径。体积基准的粒度分布例如可通过激光衍射式测定装置或图像分析装置进行测定。
在正极材料1000中,第2电解质材料100和第1固体电解质材料111如图1所示,也可以相互接触。此时,第1固体电解质材料111和正极活性物质110相互接触。
正极材料1000也可以含有多种第2电解质材料100和多种正极活性物质110。
正极材料1000中的第2电解质材料100的含量和正极活性物质110的含量可以彼此相同,也可以彼此不相同。
<第1固体电解质材料111的制造方法>
实施方式1中的第1固体电解质材料111例如可用下述方法制造。
以达到目标组成的配合比的方式准备二元系卤化物的原料粉。例如,在制作Li2.7Ti0.3Al0.7F6的情况下,以达到LiF∶TiF4∶AlF3=2.7∶0.3∶0.7左右的摩尔比的方式准备LiF、TiF4和AlF3。也可以考虑合成工艺过程中的组成变化而使变化部分抵消的方式,预先调整配合比。
在将原料粉充分混合后,采用机械化学研磨方法将原料粉彼此混合及粉碎,使其发生反应。然后,也可以在真空中或不活泼气氛中进行烧成。
或者,在将原料粉充分混合后,也可以在真空中或不活泼气氛中进行烧成。烧成条件例如优选在100℃~300℃的范围内,进行1小时以上的烧成。此外,为了抑制烧成过程中的组成变化,优选将原料粉封入石英管等密封容器中进行烧成。
由此,可得到包含如上述那样的组成的第1固体电解质材料111。
<用第1固体电解质材料111被覆了表面的正极活性物质110的制造方法>
实施方式1中的正极材料1000例如可用下述方法制造。
按规定的质量比率准备正极活性物质110和第1固体电解质材料111。例如,作为正极活性物质110准备LiNi0.5Mn1.5O4,作为第1固体电解质材料111准备Li2.7Ti0.3Al0.7F6。将这两种材料投入同一反应容器中,采用通过旋转叶片对两种材料施加剪切力、或者通过喷射气流使两种材料冲撞等方法,能够在正极活性物质LiNi0.5Mn1.5O4的表面的至少一部分上被覆第1固体电解质材料111即Li2.7Ti0.3Al0.7F6。例如,可采用干式粒子复合化装置NOBILTA(Hosokawa Micron制造)、高速气流冲击装置(奈良机械制作所制造)及喷磨机等装置。这样一来,便能够制造在正极活性物质LiNi0.5Mn1.5O4的表面的至少一部分上被覆了第1固体电解质材料111即Li2.7Ti0.3Al0.7F6的正极活性物质110。
<第2电解质材料100的制造方法>
第2电解质材料100可用下述方法制造。
作为一个例子,当合成由Li、Y、Cl及Br构成的第2电解质材料100时,混合LiCl原料粉、LiBr原料粉、YBr3原料粉及YCl3原料粉。也可以按照将合成工艺过程中可能发生的组成变化抵消的方式,以预先调整过的摩尔比将原料粉混合。这样一来,可得到第2电解质材料100。
<正极材料1000的制造方法>
通过将用第1固体电解质材料111被覆了表面的正极活性物质110与第2电解质材料100混合,便能够制造实施方式1中的正极材料1000。
(实施方式2)
以下,对实施方式2进行说明。对于与实施方式1重复的说明,可适当省略。
图2是表示实施方式2中的电池2000的简要构成的剖视图。
实施方式2中的电池2000具备正极201、电解质层202和负极203。正极201含有实施方式1中的正极材料1000。电解质层202被配置在正极201与负极203之间。
根据以上的构成,能够抑制电池2000的充电时的内部电阻上升。
关于正极201中所含的正极材料1000和第2电解质材料100的体积比率“v1:100-v1”,也可以满足30≤v1≤98。这里,v1表示将正极201中所含的正极材料1000及第2电解质材料100的合计体积设为100时的正极材料1000的体积比率。当满足30≤v1时,可确保电池的充分的能量密度。当满足v1≤98时,电池2000能以高输出功率工作。
正极201的厚度也可以为10μm以上且500μm以下。当正极201的厚度为10μm以上时,可确保电池的充分的能量密度。当正极201的厚度为500μm以下时,电池2000能以高输出功率工作。
电解质层202含有电解质材料。该电解质材料例如也可以是固体电解质材料。也就是说,电解质层202也可以是固体电解质层。
作为电解质层202所含的固体电解质材料,也可以采用与实施方式1中的第1固体电解质材料111或第2电解质材料100相同的材料。也就是说,电解质层202也可以含有与实施方式1中的第1固体电解质材料111或第2电解质材料100相同的材料。
根据以上的构成,能够更加提高电池2000的输出密度及充放电特性。
作为电解质层202所含的固体电解质材料,也可以采用与实施方式1中的第1固体电解质材料111相同的材料。也就是说,电解质层202也可以含有与实施方式1中的第1固体电解质材料111相同的材料。
根据以上的构成,可抑制与电解质层202的氧化相伴的电池2000的内部电阻上升,从而能够更加提高电池2000的输出密度及充放电特性。
作为电解质层202所含的固体电解质材料,也可以采用卤化物固体电解质、硫化物固体电解质、氧化物固体电解质、高分子固体电解质或配位氢化物固体电解质。
作为电解质层202所含的固体电解质材料的氧化物固体电解质,例如,可采用以LiTi2(PO4)3及其元素置换体为代表的NASICON型固体电解质、(LaLi)TiO3系的钙钛矿型固体电解质、以Li14ZnGe4O16、Li4SiO4、LiGeO4及其元素置换体为代表的LISICON型固体电解质、以Li7La3Zr2O12及其元素置换体为代表的石榴石型固体电解质、Li3PO4及其N置换体、及以LiBO2、Li3BO3等Li-B-O化合物为基而添加了Li2SO4、Li2CO3等的玻璃或玻璃陶瓷等。
作为高分子固体电解质,例如,可采用高分子化合物和锂盐的化合物。高分子化合物也可以具有环氧乙烷结构。具有环氧乙烷结构的高分子化合物能够较多地含有锂盐。因此能够进一步提高离子导电率。作为锂盐,可使用LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)及LiC(SO2CF3)3等。可以单独使用选自所例示的锂盐中的1种锂盐。或者也可以使用选自所例示的锂盐中的两种以上锂盐的混合物。
作为配位氢化物固体电解质,例如可采用LiBH4-LiI、LiBH4-P2S5等。
电解质层202所含的固体电解质材料也可以是卤化物固体电解质。也就是说,电解质层202也可以含有卤化物固体电解质。
电解质层202所含的卤化物固体电解质也可以含有Li、选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种、和选自F、Cl、Br及I中的至少1种。
电解质层202所含的卤化物固体电解质也可以含有Li、选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种、和选自Cl及Br中的至少1种。
在电解质层202所含的卤化物固体电解质中,也可以使用作为第2电解质材料所例示的卤化物固体电解质。例如,也可以使用用上述的组成式(3)表示的卤化物固体电解质。这里,α3、β3及γ3为大于0的值,δ3为0以上的值,M2为选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种,X为选自Cl及Br中的至少1种元素。
α3也可以满足1≤α3≤4,β3也可以满足0<β3≤2,γ3也可以满足3≤γ3<7,δ3也可以满足0≤δ3≤2。
电解质层202也可以作为主成分含有固体电解质材料。也就是说,电解质层202例如也可以按相对于整个电解质层202的质量比率含有50%以上(即50质量%以上)的固体电解质材料。
根据以上的构成,能够更加提高电池的充放电特性。
电解质层202例如也可以按相对于整个电解质层202的质量比率含有70%以上(即70质量%以上)的固体电解质材料。
根据以上的构成,能够更加提高电池2000的充放电特性。
电解质层202作为主成分含有固体电解质材料,但也可以进一步含有不可避免的杂质或合成固体电解质材料时所用的起始原料、副产物及分解产物等。
电解质层202例如除了不可避免地混入的杂质以外,也可以按相对于整个电解质层202的质量比率含有100%(即100质量%)的固体电解质材料。
根据以上的构成,能够更加提高电池2000的充放电特性。
电解质层202也可以只由固体电解质材料构成。
电解质层202也可以含有作为固体电解质材料所列举的材料中的两种以上。例如,电解质层202也可以含有卤化物固体电解质和硫化物固体电解质。
电解质层202的厚度也可以为1μm以上且300μm以下。当电解质层202的厚度为1μm以上时,正极201和负极203不易发生短路。当电解质层202的厚度为300μm以下时,电池2000能以高输出功率工作。
负极203含有具有可嵌入及脱嵌金属离子(例如锂离子)这样的特性的材料。负极203例如含有负极活性物质。
作为负极活性物质,可使用金属材料、碳材料、氧化物、氮化物、锡化合物或硅化合物等。金属材料也可以是单质的金属。或者,金属材料也可以是合金。作为金属材料的例子,可以列举出锂金属或锂合金等。作为碳材料的例子,可以列举出天然石墨、焦炭、可石墨化碳、碳纤维、球状碳、人造石墨或非晶质碳。从容量密度的观点出发,可使用硅、锡、硅化合物或锡化合物。
负极203也可以含有固体电解质材料。作为固体电解质材料,也可以采用作为构成电解质层202的材料所例示的固体电解质材料。根据以上的构成,可提高负极203内部的锂离子传导率,电池2000能以高输出功率工作。
负极活性物质的中值粒径也可以为0.1μm以上且100μm以下。当负极活性物质的中值粒径为0.1μm以上时,负极中,负极活性物质和固体电解质材料可形成良好的分散状态。由此,电池2000的充放电特性提高。当负极活性物质的中值粒径为100μm以下时,负极活性物质内的锂扩散加快。因此,电池2000能以高输出功率工作。
负极活性物质的中值粒径也可以大于负极203中所含的固体电解质材料的中值粒径。由此,负极活性物质和固体电解质材料能够形成良好的分散状态。
关于负极203中所含的负极活性物质和固体电解质材料的体积比率“v2:100-v2”,也可以满足30≤v2≤95。这里,v2表示将负极203中所含的负极活性物质及固体电解质材料的合计体积设为100时的负极活性物质的体积比率。当满足30≤v2时,可确保电池的充分的能量密度。当满足v2≤95时,电池2000能以高输出功率工作。
负极203的厚度也可以为10μm以上且500μm以下。当负极203的厚度为10μm以上时,可充分确保电池2000的能量密度。当负极203的厚度为500μm以下时,电池2000能以高输出功率工作。
选自正极201、电解质层202及负极203中的至少1种也可以以提高粒子相互的密合性为目的而含有粘结剂。粘结剂可用于提高构成电极的材料的粘结性。作为粘结剂,可以列举出聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、芳香族聚酰胺树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸己酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚醚、聚醚砜、聚六氟丙烯、丁苯橡胶及羧甲基纤维素等。此外,作为粘结剂,可使用选自四氟乙烯、六氟乙烯、六氟丙烯、全氟烷基乙烯醚、偏氟乙烯、三氟氯乙烯、乙烯、丙烯、五氟丙烯、氟代甲基乙烯基醚、丙烯酸及己二烯中的两种以上材料的共聚物。此外,也可以使用选自它们中的两种以上的混合物。
正极201及负极203中的至少一方也可以以提高电子导电性为目的而含有导电助剂。作为导电助剂,例如,可采用天然石墨或人造石墨等石墨类、乙炔黑及科琴碳黑等炭黑类、碳纤维及金属纤维等导电性纤维类、氟化碳、铝等金属粉末类、氧化锌及钛酸钾等导电性晶须类、氧化钛等导电性金属氧化物、以及聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等导电性高分子化合物等。在作为导电助剂采用碳导电助剂时,能够谋求低成本化。
实施方式2中的电池2000的形状可以列举出硬币型、圆筒型、方型、片材型、钮扣型、扁平型或层叠型等。
电池2000例如也可以通过分别准备正极材料1000、电解质层形成用材料、负极形成用材料,用公知的方法制作依次配置了正极、电解质层及负极的层叠体来制造。
(实施方式3)
以下,对实施方式3进行说明。与实施方式1重复的说明可适当省略。
图3是表示实施方式3中的电池3000的简要构成的剖视图。
实施方式2中的电池2000具备正极201、电解质层202和负极203。正极201含有实施方式1中的正极材料1000。电解质层202配置在正极201与负极203之间。电解质层202包含第1电解质层301及第2电解质层302,第1电解质层301与正极201接触,第2电解质层302与负极203接触。
根据以上的构成,能够抑制充电时的电池3000的内部电阻上升。
第1电解质层301也可以含有具有与第1固体电解质材料111相同的组成的材料。
通过在与正极201接触的第1电解质层301中含有与耐氧化性优异的第1固体电解质材料111相同的材料,能够抑制第1电解质层301的氧化分解,能够抑制充电时的电池3000的内部电阻上升。
第1电解质层301也可以含有具有与第2电解质材料100相同的组成的材料。
另外,第2电解质层302也可以含有具有与第1固体电解质材料111不同的组成的材料。
第2电解质层302也可以含有具有与第2电解质材料100相同的组成的材料。
从固体电解质材料的耐还原性的观点出发,第1电解质层301中所含的固体电解质材料的还原电位也可以低于第2电解质层302中所含的固体电解质材料的还原电位。根据以上的构成,能够在不使其还原的情况下采用第1电解质层301中所含的固体电解质材料。由此,能够提高电池3000的充放电效率。
例如,第2电解质层302也可以含有硫化物固体电解质。这里,第2电解质层302中所含的硫化物固体电解质的还原电位与第1电解质层301中所含的固体电解质材料的还原电相位相比为负。根据以上的构成,能够在不使其还原的情况下采用第1电解质层301中所含的固体电解质材料。由此,能够提高电池3000的充放电效率。
第1电解质层301及第2电解质层302的厚度也可以为1μm以上且300μm以下。当第1电解质层301及第2电解质层302的厚度为1μm以上时,正极201和负极203不易发生短路。当第1电解质层301及第2电解质层302的厚度为300μm以下时,电池3000能以高输出功率工作。
实施例
以下,参照实施例对本公开更详细地进行说明。
<实施例1>
[第1固体电解质材料的制作]
在氩气氛中,作为原料粉以达到LiF∶TiF4∶AlF3=2.7∶0.3∶0.7的摩尔比的方式,称量LiF、TiF4及AlF3。然后,采用行星式球磨机(Fritsch公司,P-7型),按12小时、500rpm进行研磨处理,由此作为实施例1的第1固体电解质材料得到了Li2.7Ti0.3Al0.7F6的粉末。
[用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质的制作]
在氩气氛中,以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶第1固体电解质材料=100∶3的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4和实施例1的第1固体电解质材料。将这些材料投入干式粒子复合化装置NOBILTA(Hosokawa Micron制造)中,按6000rpm、30分钟的条件实施复合化处理,由此得到了用实施例1的第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质。
[第2电解质材料的制作]
在具有-30℃以下的露点的干燥气氛(以下称为“干燥气氛”)中,作为原料粉以达到Li2O2∶TaCl5=1.2∶2的摩尔比的方式,准备了Li2O2及TaCl5。将这些原料粉在研钵中粉碎并混合,从而得到混合粉。对所得到的混合粉采用行星式球磨机,按24小时、600rpm进行研磨处理。接着,在200℃对混合粉进行6小时的烧成。这样一来,便得到了实施例1的第2电解质材料的粉末。
[正极材料的制作]
以达到73.4∶25.6∶1.0的质量比率的方式,称量用实施例1的第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质、第2电解质材料和气相法碳纤维(VGCF(昭和电工株式会社制)),用研钵进行混合,由此制作了实施例1的正极材料。
<实施例2>
[用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质的制作]
与实施例1同样地制作了第1固体电解质材料。此外,与实施例1同样地制作了用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质。
[第2电解质材料的制作]
在具有-60℃以下的露点的氩手套箱内,作为原料粉以达到LiCl∶YCl3=2.7∶1.1的摩尔比的方式准备了LiCl及YCl3。然后,采用行星式球磨机(Fritsch制造,P-5型),按25小时、600rpm进行研磨处理,由此作为第2电解质材料得到了Li2.7Y1.1Cl6的粉末。
[正极材料的制作]
以达到所被覆的正极活性物质∶第2电解质材料∶VGCF=73.4∶25.6∶1.0的质量比率的方式,称量用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质、作为第2电解质材料的Li2.7Y1.1Cl6和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了实施例2的正极材料。
<实施例3>
[用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质的制作]
与实施例1同样地制作了第1固体电解质材料。此外,与实施例1同样地制作了用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质。
[第2电解质材料的制作]
在氩气氛中,以达到LiBr∶YBr3∶LiCl∶YCl3=1∶1∶5∶1的摩尔比的方式,称量原料粉LiBr、YBr3、LiCl及YCl3。然后,采用行星式球磨机(Fritsch制造,P-7型),按25小时、600rpm进行研磨处理,由此作为第2电解质材料得到了Li3YBr2Cl4的粉末。
[正极材料的制作]
以达到所被覆的正极活性物质∶第2电解质材料∶VGCF=73.4∶25.6∶1.0的质量比率的方式,称量用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质、作为第2电解质材料的Li3YBr2Cl4和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了实施例3的正极材料。
<实施例4>
[用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质的制作]
与实施例1同样地制作了第1固体电解质材料。此外,与实施例1同样地制作了用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质。
[正极材料的制作]
以达到所被覆的正极活性物质∶Li6PS5Cl∶VGCF=73.4∶25.6∶1.0的质量比率的方式,称量用第1固体电解质材料被覆了表面的正极活性物质、作为第2电解质材料的Li6PS5Cl和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了实施例4的正极材料。
<参考例1>
[正极材料的制作]
以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶第2电解质材料∶VGCF=72.8∶26.2∶1.0的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4、实施例1的第2电解质材料和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了参考例1的正极材料。
<参考例2>
[正极材料的制作]
以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶第2电解质材料∶VGCF=72.8∶26.2∶1.0的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4、实施例2的第2电解质材料Li2.7Y1.1Cl6和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了参考例2的正极材料。
<参考例3>
[正极材料的制作]
以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶第2电解质材料∶VGCF=72.8∶26.2∶1.0的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4、实施例3的第2电解质材料Li3YBr2Cl4和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了参考例3的正极材料。
<参考例4>
[正极材料的制作]
以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶Li2.7Ti0.3Al0.7F6∶VGCF=72.8∶26.2∶1.0的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4、Li2.7Ti0.3Al0.7F6和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了参考例4的正极材料。
<参考例5>
[正极材料的制作]
以达到LiNi0.5Mn1.5O4∶Li6PS5Cl∶VGCF=72.8∶26.2∶1.0的质量比率的方式,称量正极活性物质即LiNi0.5Mn1.5O4、Li6PS5Cl和导电助剂VGCF,用研钵进行混合,由此制作了参考例5的正极材料。
[电池的制作]
通过下述工序制作了分别采用上述的实施例1~4及参考例1~5的正极材料的电池。
(实施例1)
首先,在绝缘性外筒中,投入80mg的Li6PS5Cl,用2MPa的压力对其进行加压成型。接着,投入20mg的实施例1的正极材料所使用的第2电解质材料,用2MPa的压力进行加压成型。进而向其中投入9.8mg的正极材料,用720MPa的压力对其进行加压成型。由此,便得到包含正极及固体电解质层的层叠体。
接着,在固体电解质层的与正极接触的一侧的相反侧上层叠金属Li。金属Li采用厚度为200μm的金属Li。用2MPa的压力对其进行加压成型,由此制作出包含正极、固体电解质层及负极的层叠体。
接着,在层叠体上下配置不锈钢集电体,在集电体上附设集电引线。
最后,采用绝缘性箍,将绝缘性外筒内部与外部气氛遮断,进行密封,由此制作了实施例1的电池。
(实施例2~4及参考例1~5)
在绝缘性外筒中,投入80mg的Li6PS5Cl,用2MPa的压力对其进行加压成型。接着,投入20mg的实施例2~4或参考例1~5各自的正极材料所使用的第2电解质材料,用2MPa的压力进行加压成型。进而在实施例2~4中向其中投入9.8mg的正极材料,在参考例1~5中向其中投入9.6mg的正极材料,用720MPa的压力对其进行加压成型。由此,便得到由正极及固体电解质层构成的层叠体。除上述以外,分别与实施例1同样地制作了实施例2~4及参考例1~5的电池。
通过以上步骤,分别制作了上述的实施例1~4及参考例1~5的电池。
[充放电试验]
分别采用上述的实施例1~4及参考例1~5的电池,按以下条件实施了充放电试验。
将电池放置在25℃的恒温槽中。
以相对于电池的理论容量达到0.05C速率(20小时率)的电流值42μA进行了恒电流充电。将充电终止电压设定为5.0V(vs.Li/Li+)。接着,将放电终止电压设定为3.5V(vs.Li/Li+),进行了恒电流放电。
表1中示出了实施例1~4及参考例1~5的电池的充放电试验结果。
表1
表1中的实施例1的涂覆/未涂覆容量比为实施例1的放电容量相对于参考例1的放电容量之比。实施例2的涂覆/未涂覆容量比为实施例2的放电容量相对于参考例2的放电容量之比。实施例3的涂覆/未涂覆容量比为实施例3的放电容量相对于参考例3的放电容量之比。实施例4的涂覆/未涂覆容量比为实施例4的放电容量相对于参考例5的放电容量之比。
如表1所示,通过用第1固体电解质材料被覆正极活性物质表面,使充放电容量提高。
根据本公开,可提高电池的充放电容量。
产业上的可利用性
本公开的电池例如可作为全固体锂离子二次电池等使用。

Claims (20)

1.一种正极材料,其中,含有:
正极活性物质,
被覆所述正极活性物质表面的至少一部分的第1固体电解质材料,和
第2电解质材料;
所述正极活性物质含有由Li、Ni、Mn及O构成的氧化物,
所述第1固体电解质材料含有Li、Ti、M1及F,
所述M1为选自Ca、Mg、Al、Y及Zr中的至少1种。
2.根据权利要求1所述的正极材料,其中,
所述正极活性物质含有用下述的组成式(1)表示的材料,
LiNixMn2-xO4式(1)
这里,x满足0<x<2。
3.根据权利要求2所述的正极材料,其中,所述组成式(1)满足0<x<1。
4.根据权利要求3所述的正极材料,其中,所述组成式(1)满足x=0.5。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的正极材料,其中,所述第1固体电解质材料由Li、Ti、M1及F构成。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的正极材料,其中,
所述第1固体电解质材料含有用下述的组成式(2B)表示的材料,
Li6-(4-a)b(Ti1-aM1a)bF6式(2B)
这里,a满足0<a<1,b满足0<b≤1.5。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的正极材料,其中,所述M1为Al。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的正极材料,其中,所述第2电解质材料含有Li、选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种、和选自Cl及Br中的至少1种。
9.根据权利要求8所述的正极材料,其中,
所述第2电解质材料含有用下述的组成式(3)表示的材料,
Liα3M2β3Xγ3Oδ3式(3)
这里,α3、β3及γ3为大于的值,δ3为0以上的值,
M2为选自除Li以外的金属元素及半金属元素中的至少1种,
X为选自Cl及Br中的至少1种元素。
10.根据权利要求9所述的正极材料,其中,所述M2含有选自Y及Ta中的至少1种。
11.根据权利要求9或10所述的正极材料,其中,所述组成式(3)满足:
1≤α3≤4、
0<β3≤2、
3≤γ3<7、
0≤δ3≤2。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的正极材料,其中,所述第2电解质材料含有硫化物固体电解质。
13.根据权利要求12所述的正极材料,其中,所述硫化物固体电解质为Li6PS5Cl。
14.根据权利要求1~13中任一项所述的正极材料,其中,在所述正极活性物质与所述第2电解质材料之间,设有所述第1固体电解质材料。
15.一种电池,其中,具备:
正极、
负极、和
位于所述正极与所述负极之间的电解质层;
所述正极含有权利要求1~14中任一项所述的正极材料。
16.根据权利要求15所述的电池,其中,
所述电解质层包含第1电解质层及第2电解质层,
所述第1电解质层与所述正极接触,所述第2电解质层与所述负极接触。
17.根据权利要求16所述的电池,其中,所述第1电解质层含有具有与所述第1固体电解质材料相同的组成的材料。
18.根据权利要求16所述的电池,其中,所述第1电解质层含有具有与所述第2电解质材料相同的组成的材料。
19.根据权利要求16所述的电池,其中,所述第2电解质层含有具有与所述第1固体电解质材料不同的组成的材料。
20.根据权利要求15所述的电池,其中,所述电解质层含有卤化物固体电解质。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113892206B (zh) * 2019-07-04 2024-12-13 松下知识产权经营株式会社 电池
CN114556654B (zh) * 2019-10-17 2025-06-10 松下知识产权经营株式会社 电池
EP4174022A4 (en) * 2020-06-29 2023-12-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. POSITIVE ELECTRODE MATERIAL AND BATTERY
EP4468391A4 (en) * 2022-01-21 2025-08-06 Toyota Motor Co Ltd BATTERY
EP4411864A1 (en) * 2023-02-03 2024-08-07 Saint-Gobain Ceramics & Plastics Inc. Low pressure all-solid-state battery
EP4672351A1 (en) * 2023-02-24 2025-12-31 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. POSITIVE ELECTRODE AND BATTERY USING IT
JPWO2024185316A1 (zh) * 2023-03-07 2024-09-12
CN118589029A (zh) * 2024-06-20 2024-09-03 高能时代(深圳)新能源科技有限公司 一种卤化物固态电解质及其制备方法和全固态锂离子电池

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012146395A (ja) * 2011-01-06 2012-08-02 Sumitomo Electric Ind Ltd 電極体、およびその製造方法、ならびに非水電解質電池
JP6913736B2 (ja) * 2017-02-22 2021-08-04 株式会社エンビジョンAescジャパン 二次電池および二次電池の使用方法
JP6997943B2 (ja) * 2017-09-22 2022-01-18 トヨタ自動車株式会社 正極材料とこれを用いたリチウム二次電池
CA3087316C (en) * 2017-12-29 2024-05-21 Sachem, Inc. Limmoxfy shell formation on cathode ceramic particle for li ion battery through onium metal oxide fluoride precursor
EP3736899A4 (en) * 2018-01-05 2021-03-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. BATTERY
CN112602222B (zh) * 2018-11-16 2024-11-05 松下知识产权经营株式会社 固体电解质和使用该固体电解质的电池
WO2021187391A1 (ja) * 2020-03-18 2021-09-23 パナソニックIpマネジメント株式会社 正極材料、および、電池

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