JP5439299B2 - 電池用負極活物質、非水電解質電池、電池パック、及び自動車 - Google Patents

電池用負極活物質、非水電解質電池、電池パック、及び自動車 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、電池用活物質、非水電解質電池、及び、該非水電解質電池を含む電池パック及び自動車に関する。
近年、単斜晶系β型構造を有するチタン酸化物が非水電解質電池用活物質として注目されている（例えば、特許文献１〜３）。従来、実用されているスピネル型チタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）は、単位化学式あたりの挿入・脱離可能なリチウムイオンの数が３つである。このため、チタンイオン１つあたりに挿入・脱離可能なリチウムイオンの数は、３／５で、０．６が理論上の最大であった。これに対して、単斜晶系β型構造を有するチタン酸化物は、チタンイオン１つあたりに挿入・脱離可能なリチウムイオンの数は最大で１．０となり、約３３５ｍＡｈ／ｇという高い理論容量を有する。よって、単斜晶系β型構造を有するチタン酸化物を用いた優れた性能を有する電池の開発が期待されている。
特開２００８−３４３６８号公報 特開２００８−１１７６２５号公報 国際公開第２００９／０２８５５３号パンフレット
R. Marchand, L. Brohan, M. Tournoux, Material Research Bulletin 15, 1129 (1980) 「日本鉱業会誌」８１巻、９３２号１９６５年１２月号、１０２４−１０３０頁
優れた充放電サイクル性能を有する非水電解質電池、該非水電解質電池に用いられる電池用負極活物質、該非水電解質電池を備えた電池パック及び自動車を提供することを目的とする。
第１実施形態によれば、平均一次粒径が１ｎｍ以上１０μｍ以下である単斜晶系β型チタン複合酸化物の一次粒子を含む平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である二次粒子を含み、該二次粒子の圧縮破壊強度が２０ＭＰａ以上である電池用負極活物質が提供される。
第２実施形態によれば、正極と、第１実施形態に係る電池用負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備える非水電解質電池が提供される。
第３実施形態によれば、第２実施形態に係る非水電解質電池を一以上備える電池パックが提供される。
第４実施形態によれば、第３実施形態に係る電池パックを備える自動車が提供される。
単斜晶系β型チタン酸化物（ＴｉＯ2（Ｂ））の結晶構造を示す模式図。 第２実施形態に係る扁平型非水電解質電池を示す断面図。 図２のＡ部の拡大断面図。 第３実施形態に係る電池パックを示す分解斜視図。 図４の電池パックの電気回路を示すブロック図。 第４実施形態に係るシリーズハイブリッド自動車を示す模式図。 第４実施形態に係るパラレルハイブリッド自動車を示す模式図。 第４実施形態に係るシリーズ・パラレルハイブリッド自動車を示す模式図。 第４実施形態に係る自動車を示す模式図。 実施例１で合成したチタン複合酸化物のＸ線回折図。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、実施例１及び比較例１の電極表面の走査型電子顕微鏡写真である。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本実施形態において、単斜晶系β型チタン複合酸化物とは、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有するチタン複合酸化物を示す。単斜晶系二酸化チタンの結晶構造はＴｉＯ2（Ｂ）と表記する。ＴｉＯ2（Ｂ）は、主に空間群Ｃ２／ｍに属し、図１に例示されるようなトンネル構造を示す。ＴｉＯ2（Ｂ）の詳細な結晶構造に関しては、非特許文献１に記載されている。
図１に示すようにＴｉＯ2（Ｂ）は、チタンイオン７３と酸化物イオン７２が骨格構造部分７１ａを構成し、この骨格構造部分７１ａが交互に配置された構造を有する。骨格構造部分７１ａ同士の間には空隙部分７１ｂが形成される。この空隙部分７１ｂは、異原子種のインターカレート（挿入）のホストサイトとなることができる。ＴｉＯ2（Ｂ）はまた、結晶表面にも異原子種を吸蔵放出可能なホストサイトが存在するといわれている。リチウムイオンがこれらのホストサイトに挿入・脱離することにより、ＴｉＯ2（Ｂ）はリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる。
リチウムイオンが空隙部分７１ｂに挿入されると、骨格を構成するＴｉ4+がＴｉ3+へと還元され、これによって結晶の電気的中性が保たれる。ＴｉＯ2（Ｂ）を有するチタン酸化物は化学式あたり１つのＴｉ4+を有するため、理論上、層間に最大１つのリチウムイオンを挿入することが可能である。このため、ＴｉＯ2（Ｂ）を有するチタン酸化物は一般式ＬｉxＴｉＯ2 (０≦ｘ≦１)により表わすことができる。この場合、理論容量３３５ｍＡｈ／ｇが得られる。
チタン酸リチウムは導電性に乏しいため、大電流特性を向上させるために粒子径を小さくして用いられることがある。しかしながら、微粒子化したチタン酸リチウムは、比表面積が大きいため、電極中で集電体と活物質の密着強度が低く、界面の抵抗が大きくなることがあった。
そこで、本発明者らは、単斜晶系β型チタン複合酸化物の二次粒子を製造し、これを用いて電極を作製した。しかしながら、このような二次粒子は、電極の製造工程において崩壊し、一次粒子の形状となりやすいことが分かった。二次粒子が崩壊して一次粒子の形状になると、活物質間の結着強度が低下し、活物質と集電体の剥離が生じやすくなる。
さらに、Ｋ2Ｔｉ4Ｏ9のような単斜晶系β型チタン複合酸化物の合成前駆体が繊維粒状に成長しやすいため、一次粒子も主として繊維粒状である。そのため、塗工及び圧延のような電極製造工程において、繊維状の一次粒子が集電体となる基板と平行に並んでしまう。
本発明者らは、リチウムイオンの吸蔵及び放出に伴って、結晶格子の拡張及び収縮が起こり、さらに、特定の結晶軸に沿って大きく拡張及び収縮が生じることを確認している。繊維状の一次粒子が集電体と平行に並んでいる場合、特定方向に電極体積の膨張及び収縮が繰り返されるため、電池厚さが変化する。これが原因となって、電極層が基板から剥離し易くなったり、電池がよれたり、電極間が広がって、電池の抵抗が大きくなり、電池特性が低下するという問題がある。
そこで、本発明者らは、圧縮破壊強度が高い単斜晶系β型チタン複合酸化物の二次粒子を用いることにより、電極製造の際に二次粒子が崩壊せず、優れた大電流性能と充放電サイクル性能に寄与する電極用活物質を提供できることを見出した。なお、ここで二次粒子の圧縮破壊強度とは、粉体強度と称することもできる。
本実施形態における電池用活物質は、平均一次粒径が１ｎｍ以上１０μｍ以下である単斜晶系β型チタン複合酸化物の一次粒子を含む平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である二次粒子を含み、該二次粒子の圧縮破壊強度が２０ＭＰａ以上である。
電池用活物質に単斜晶系β型チタン複合酸化物の二次粒子を含むことにより、リチウムイオンを吸蔵及び放出する際に、等方的に体積変化が起こるため、電極層内の応力が緩和され、抵抗の増大を抑制することができる。
二次粒子は、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である。平均粒径が１μｍ未満であると、工業生産上、扱い難くなり、１００μｍを超えると、電極を作製するための塗膜において、質量及び厚さを均一にすることが困難になり、また、表面平滑性が低下しやすくなる。二次粒子の平均粒径は、３μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。
単斜晶系β型チタン複合酸化物が二次粒子状であることは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって確認できる。
二次粒子の平均粒径の測定方法は、以下の通りである。レーザー回折式分布測定装置（島津SALD-300）を用い、まず、ビーカーに試料を約０．１ｇと界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌した後、攪拌水槽に注入し、２秒間隔で６４回光度分布を測定し、粒度分布データを解析するという方法にて測定した。
二次粒子を構成する一次粒子は、平均一次粒径が１ｎｍ以上１０μｍ以下である。平均一次粒径が１ｎｍ未満であると、工業生産上、扱い難くなり、１０μｍを超えると、チタン複合酸化物の固体内におけるリチウムイオンの拡散が遅くなる。平均一次粒径は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましい。
平均一次粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって確認できる。典型的な視野から抽出される典型的な粒子１０個の平均を求め、平均一次粒径を決定する。
一次粒子は繊維状であることが好ましい。本実施形態において、繊維状の粒子とは、アスペクト比が３以上である粒子を意味する。一次粒子が繊維状である場合、平均一次粒径は繊維直径である。一次粒子が繊維状粒子であることは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって確認できる。
二次粒子の圧縮破壊強度は２０ＭＰａ以上である。圧縮破壊強度が２０ＭＰａ未満であると、電極製造工程中に粒子が崩壊して、電極の結着性が低下し、活物質と集電体の剥離が生じてサイクル寿命が大きく低下する。圧縮破壊強度は、好ましくは３５ＭＰａ以上である。圧縮破壊強度の上限は１００ＭＰａ以下であることが好ましい。圧縮破壊強度が１００ＭＰａ以下であると、電極密度が高めやすく、体積エネルギー密度を増大させることができる。
二次粒子は、ＢＥＴ法によって測定された比表面積が、５ｍ2／ｇ以上５０ｍ2／ｇ以下であることが好ましい。比表面積が５ｍ2／ｇ以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵・脱離サイトを十分に確保することが可能になる。比表面積が５０ｍ2／ｇ以下である場合には、工業生産上、扱い易くなる。
（圧縮破壊強度の測定）
圧縮破壊強度（Ｓｔ［ＭＰａ］）は、以下に示す装置により測定され、下記（１）式に示す平松らの式（非特許文献２）により求められる。
測定装置：島津微小圧縮試験機ＭＣＴ−Ｗ
＜試験条件＞
試験圧子：ＦＬＡＴ５０
測定モード：圧縮試験
試験力： ２０．００［ｍＮ］
負荷速度：０．８９２４０５［ｍＮ］／ｓｅｃ］
算出式：Ｓｔ＝２．８Ｐ／πｄ２ （１）式
Ｐ：試験力［Ｎ］、ｄ：粒子径（ｍｍ）
本実施形態では、粒径が平均粒径の±３μｍ以内である二次粒子５個について、上述の測定を行い、測定値の平均値を圧縮破壊強度とした。
本実施形態において、単斜晶系β型チタン複合酸化物にはさらに、５族及び１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。当該元素を含む単斜晶系β型チタン複合酸化物中の当該元素の含有量は、０．０３質量％以上１５質量％以下の範囲であることが好ましい。
５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を、０．０３質量％以上含むことにより、十分な圧縮破壊強度を得ることができ、１５質量％以下含むことにより、電気容量及び充放電サイクル性能を低下させる要因となり得るＴｉＯ2（Ｂ）の異相の発生を防ぐことができる。該元素のより好ましい含有量は、１質量％以上１０質量％以下である。
５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの群から選択されることが好ましく、特に、Ｎｂ、Ｖ、及びＡｌから選択されることが好ましい。上記少なくとも１つの元素は、単独で添加されてもよく、あるいは、２種以上の元素が添加されてもよい。２種以上の元素を添加する場合は、何れの組み合わせであってもよいが、特にＮｂとＶ，ＮｂとＡｌ，及びＮｂとＶとＡｌの組合せを用いることが好ましい。
５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素は、単斜晶系β型チタン複合酸化物のＴｉサイトの一部を置換した状態で存在するか、又は固溶された状態であると考えられる。５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素の含有量を多くすると、より高い圧縮破壊強度を得ることができるが、該元素の固溶限を超えると異相が表れるため、固溶限の範囲内で添加することが好ましい。０．０３質量％以上１５質量％以下の範囲で含ませることにより、より効果的に二次粒子の圧縮破壊強度を高めることができる。
なお、２種以上の元素を添加する場合は、それらの元素を合計した含有量が０．０３質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。
５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素の合計含有量は、ＩＣＰ発光分光法によって測定できる。ＩＣＰ発光分光法による上記元素の含有量の測定は、例えば以下の方法で実行できる。放電状態で電池を解体し、電極（例えば負極）を取り出し、その負極層を水中で失活する。その後、負極層中のチタン複合酸化物を抽出する。抽出処理は、例えば、バインダーにポリフッ化ビニリデンを用いた場合には、N-メチル-２-ピロリドンなどで洗浄してバインダー成分を除去した後、適切な目開きのメッシュで導電剤を除去する。これらの成分が僅かに残存する場合は、大気中での加熱処理（例えば、２５０℃で３０分など）によって除去すれば良い。抽出したチタン複合酸化物を容器に測り取った後、酸融解またはアルカリ融解して測定溶液を得る。この測定溶液を測定装置（例えばエスアイアイ・ナノテクノロジー社製：ＳＰＳ−１５００Ｖ）でＩＣＰ発光分光を行なって上記元素の含有量を測定する。
本実施形態における活物質を負極活物質として用いる場合、単独で用いてもよいが、他の活物質とともに用いてもよい。他の活物質は、例えば、スピネル構造を有するリチウムチタン複合酸化物（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12など）、アナターゼ或いはルチル構造を有するチタン複合酸化物（ａ−ＴｉＯ2、ｒ−ＴｉＯ2）、鉄複合硫化物（ＦｅＳ、ＦｅＳ2など）を用いることができる。また、本実施形態における活物質を正極活物質として用いる場合、単独で用いてもよいが、他の活物質とともに用いてもよい。他の活物質は、例えば、スピネル構造を有するリチウムチタン複合酸化物（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12など）、アナターゼ或いはルチル構造を有するチタン複合酸化物（ａ−ＴｉＯ2、ｒ−ＴｉＯ2）、鉄複合硫化物（ＦｅＳ、ＦｅＳ2など）を用いることができる。
電極中に他の活物質も含まれる場合は、５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素の合計含有量は、以下のように測定することができる。電極中から取り出した負極活物質をＴＥＭ−ＥＤＸに供し、制限視野回折法によって各々の粒子の結晶構造を特定する。β型ＴｉＯ2に帰属される回折パターンを有する粒子を選定し、ＥＤＸ分析によって、５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素の合成含有量を測定する。
電池を解体して活物質を抽出する場合、以下の手順によって行うことができる。まず、電池を２５℃環境において０．１Ｃ電流で定格終止電圧まで放電させる。放電させた電池を不活性雰囲気中で解体し、電極（例えば負極）中央部を切り出す。切り出した負極をエチルメチルカーボネートで充分に洗浄して電解質成分を除去した後、大気中で１日放置するか、或いは水で洗浄し、失活させる。その後、負極層中のチタン複合酸化物を抽出する。抽出処理は、例えば大気中で、２００〜３００℃、３時間未満の加熱処理によって負極層中の導電剤及び結着剤を除去することにより行うことができる。
（製造方法）
次に、実施形態に係る電池用活物質の製造方法を説明する。
本実施形態の製造方法は、チタンを含む化合物及びアルカリカチオンを含む化合物を含む原料二次粒子を製造することと、該原料二次粒子を加熱処理して、二次粒子状のプロトン交換前駆体を得ることと、該プロトン交換前駆体に酸を反応させてアルカリカチオンをプロトン交換することにより、二次粒子状のプロトン交換体を得ることと、該プロトン交換体を加熱処理することにより、二次粒子状の単斜晶系β型チタン複合酸化物を得ることと、を含む。
本実施形態の方法に従って、チタンを含む化合物及びアルカリカチオンを含む化合物のような出発原料を二次粒子形状にし、この二次粒子を高温で焼成することにより、最終産物として圧縮破壊強度が高い単斜晶系β型チタン複合酸化物の二次粒子を得ることができる。
以下、より詳細に説明する。
まず、出発原料を用いて二次粒子を製造する。この出発原料からなる二次粒子を、原料二次粒子と称する。原料二次粒子は、出発原料を所定比率で混合し、例えばスプレードライすることによって製造できる。
出発原料には、チタンを含む化合物と、アルカリカチオンを含む化合物を用いることができ、例えば、アナターゼ構造を有するＴｉＯ2、Ｋ2ＣＯ3、Ｎａ2ＣＯ3、又は、Ｃｓ2ＣＯ3などを用いることができる。
スプレードライは、例えば、純水のような溶媒に、アルカリカチオンを含む化合物を溶解し、これにチタンを含む化合物を分散させて噴霧することにより実施できる。スプレードライによれば、微粒子を高分散した液滴を瞬時に乾燥することができるため球状の二次粒子が得られ易い。
次いで、原料二次粒子を熱処理し、プロトン交換前駆体として用いられる二次粒子状のチタン酸アルカリ化合物を得る。チタン酸アルカリ化合物は、これらに限定されないが、Ｎａ2Ｔｉ3Ｏ7、Ｋ2Ｔｉ4Ｏ9、又はＣｓ2Ｔｉ5Ｏ12のような、チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム又はチタン酸セシウムであることが好ましい。所望のチタン酸アルカリ化合物に合わせて出発原料を混合する比率を決定する。熱処理は、８５０〜１２００℃の温度範囲で、１〜１００時間の間行われることが好ましい。この原料二次粒子を上記温度範囲で焼成することにより、二次粒子の圧縮破壊強度を上昇させることができる。一次粒子及び二次粒子の平均粒径は、熱処理の温度と時間を変化させることによって調節することができる。
単斜晶系β型チタン複合酸化物に、５族及び１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を含有させる場合は、出発原料、即ち、チタンを含む化合物及びアルカリカチオンを含む化合物のうち少なくともいずれかに、５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を含有させてもよい。或いは、Ｎｂ2Ｏ5のような、５族又は１３族の元素を含む化合物を、出発原料と混合してもよい。
次に、チタン酸アルカリ化合物をプロトン交換に供する。得られた二次粒子状のチタン酸アルカリ化合物を純水で十分に水洗し、不純物を取り除く。その後、酸で処理することにより、アルカリカチオンがプロトンに交換される。酸処理は、例えば二次粒子状のチタン酸アルカリ化合物を濃度１Ｍの塩酸に加えて攪拌することによって行うことができる。酸処理は、充分にプロトン交換が完了するまで行われることが望ましい。プロトン交換時には、溶液にアルカリ性溶液を添加してｐＨを調整してもよい。プロトン交換の完了後、再び純水で水洗する。チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウムおよびチタン酸セシウムは、結晶構造を崩さずにアルカリカチオンをプロトンに交換することが可能である。
次に、プロトン交換を終了した二次粒子状の生成物を水洗及び乾燥することにより、中間生成物である二次粒子状のプロトン交換体を得る。このプロトン交換体を加熱処理することにより、最終生成物である二次粒子状の単斜晶系β型チタン複合酸化物を得ることができる。原料二次粒子の製造工程において、５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を含有した化合物を用いた場合は、５族、１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を含有した単斜晶系β型チタン複合酸化物が得られる。
プロトン交換体の加熱処理は、３００℃〜５００℃で行われることが好ましい。加熱温度を３００℃未満にすると、結晶性が著しく低下し、電極容量、充放電効率、繰り返し特性が低下する。一方、加熱温度が５００℃を超えると、アナターゼ相のような不純物相が生成され、容量が低下する虞がある。より好ましい加熱温度は、３５０℃〜４００℃である。なお、プロトン交換体の加熱処理における、熱処理の温度と時間を変化させることによっても、一次粒子及び二次粒子の平均粒径を調節することができる。
本実施形態の方法では、出発原料を二次粒子の形状にすることにより、二次粒子の状態で高温焼成することが可能である。二次粒子の状態で高温焼成すると、一次粒子の界面における結合を増強させることができ、これによって、圧縮破壊強度の高い二次粒子を得ることができる。本実施形態の方法によって得られた単斜晶系β型チタン複合酸化物の二次粒子は、圧縮破壊強度が高く、電極製造工程においても崩壊しない。よって、該単斜晶系β型チタン複合酸化物を用いることにより、優れた充放電サイクル性能を有する非水電解質電池を製造できる電極活物質を提供することができる。
なお、本実施形態に係る電池用活物質は、負極のみならず、正極にも用いることができ、いずれに適用しても優れた充放電サイクル性能を得ることができる。すなわち、優れたサイクル特性は、二次粒子の圧縮破壊強度を高めることで得られる効果であり、負極に用いても正極に用いてもその効果は変わらない。したがって、実施形態に係る電池用活物質は正極にも負極にも用いることができ、同様な効果を得ることができる。
実施形態に係る電池用活物質を正極に用いる場合、対極としての負極の活物質は金属リチウム、リチウム合金、またはグラファイト、コークスなどの炭素系材料を用いることができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る非水電解質電池を説明する。
実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内に正極と空間的に離間して、例えばセパレータを介在して収納された活物質を含む負極と、外装材内に充填された非水電解質とを具備する。
負極の活物質には、第１実施形態にかかる電池用活物質が用いられる。
実施形態に係る非水電解質電池１００の一例を示した図２、図３を参照してより詳細に説明する。図２は、外装材２がラミネートフィルムからなる扁平型非水電解質電池１００の断面模式図であり、図３は図２のＡ部の拡大断面図である。なお、各図は説明のための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
扁平状の捲回電極群１は、２枚の樹脂層の間にアルミニウム箔を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装材２内に収納されている。扁平状の捲回電極群１は、外側から負極３、セパレータ４、正極５、セパレータ４の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。最外殻の負極３は、図３に示すように負極集電体３ａの内面側の片面に負極層３ｂを形成した構成を有する。その他の負極３は、負極集電体３ａの両面に負極層３ｂを形成して構成されている。正極５は、正極集電体５ａの両面に正極層５ｂを形成して構成されている。
捲回電極群１の外周端近傍において、負極端子６は最外殻の負極３の負極集電体３ａに電気的に接続され、正極端子７は内側の正極５の正極集電体５ａに電気的に接続されている。これらの負極端子６および正極端子７は、袋状外装材２の開口部から外部に延出されている。例えば液状非水電解質は、袋状外装材２の開口部から注入されている。袋状外装材２の開口部を負極端子６および正極端子７を挟んでヒートシールすることにより捲回電極群１および液状非水電解質を完全密封している。
負極端子は、例えばリチウムイオン金属に対する電位が０．６Ｖ以上３Ｖ以下の範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子６は、負極集電体３ａとの接触抵抗を低減するために、負極集電体３ａと同様の材料であることが好ましい。
正極端子７は、リチウムイオン金属に対する電位が３〜５Ｖの範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子７は、正極集電体５ａとの接触抵抗を低減するために、正極集電体５ａと同様の材料であることが好ましい。
以下、非水電解質電池１００の構成部材である外装材２、負極３、正極５、セパレー４タおよび非水電解質について詳細に説明する。
１）外装材
外装材２は、厚さ１ｍｍ以下のラミネートフィルムから形成される。或いは、外装材は厚さ３ｍｍ以下の金属製容器が用いられる。金属製容器は、厚さ１ｍｍ以下であることがより好ましい。
外装材２の形状は、扁平型（薄型）、角型、円筒型、コイン型、及びボタン型から選択できる。外装材の例には、電池寸法に応じて、例えば携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装材、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装材などが含まれる。
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層を介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装材の形状に成形することができる。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含まれる場合、その量は１００質量ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
２）負極
負極３は、集電体３ａと、この集電体３ａの片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む負極層３ｂとを備える。
活物質としては、第１の実施形態に係る電池用活物質が用いられる。
このような活物質を含む負極層３ｂを備えた負極３を組み込まれた非水電解質電池１００は、大電流特性および充放電サイクル性能を向上できる。
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛を含む。
結着剤は、活物質と導電剤を結着できる。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴムを含む。
負極層３ｂ中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ７０質量％以上９６質量％以下、２質量％以上２８質量％以下および２質量％以上２８質量％以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を２質量％以上とすることにより、負極層３ｂの集電性能を向上させ、非水電解質電池１００の大電流特性を向上させることができる。また、結着剤の量を２質量％以上とすることにより、負極層３ｂと集電体３ａの結着性を高め、サイクル特性を向上させることができる。一方、導電剤および結着剤はそれぞれ２８質量％以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。
集電体３ａは、１Ｖよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉのような元素を含むアルミニウム合金箔であること好ましい。
負極３は、例えば活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを集電体３ａに塗布し、乾燥し、その後、プレスを施すことにより作製される。負極３はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層３ｂとし、これを集電体３ａ上に形成することにより作製されてもよい。
３）正極
正極５は、集電体５ａと、この集電体５ａの片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極層５ｂとを備える。
活物質は、例えば酸化物、ポリマー等を用いることができる。
酸化物は、例えばリチウムを吸蔵した二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケルおよびリチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物（例えばＬｉxＦｅＰＯ4、ＬｉxＦｅ1-yＭｎyＰＯ4、ＬｉxＣｏＰＯ4）、硫酸鉄（Ｆｅ2（ＳＯ4）3）、またはバナジウム酸化物（例えばＶ2Ｏ5）を用いることができる。ここで、ｘ、ｙは０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１であることが好ましい。
ポリマーは、例えばポリアニリンやポリピロールのような導電性ポリマー材料、またはジスルフィド系ポリマー材料を用いることができる。イオウ（Ｓ）、フッ化カーボンもまた活物質として使用できる。
好ましい活物質の例には、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉxＭｎ2Ｏ4）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＬｉxＮｉ1-yＣｏyＯ2）、スピネル構造のリチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（ＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、またはリチウムリン酸鉄（ＬｉxＦｅＰＯ4）が含まれる。ここで、ｘ、ｙは０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１であることが好ましい。
さらに好ましい活物質は、リチウムコバルト複合酸化物またはリチウムマンガン複合酸化物である。これらの活物質は、イオン伝導性が高いため、前述した負極活物質との組み合わせにおいて、正極活物質中のリチウムイオンの拡散が律速段階になり難い。このため、前記活物質は前記負極活物質中のリチウムチタン複合酸化物との適合性に優れる。
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素質物を含む。
結着剤は、活物質と導電剤を結着させる。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴムを含む。
正極層５ｂ中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ８０質量％以上９５質量％以下、３質量％以上１８質量％以下および２質量％以上１７質量％以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、３質量％以上の量にすることにより上述した効果を発揮することができる。導電剤は、１８質量％以下の量にすることにより高温保存下での導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤は、２質量％以上の量にすることにより十分な正極強度が得られる。結着剤は、１７質量％以下の量にすることにより、正極中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。
集電体は、例えばアルミニウム箔、またはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉのような元素を含むアルミニウム合金箔であることが好ましい。
正極５は、例えば活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを集電体５ａに塗布し、乾燥し、その後、プレスを施すことにより作製される。正極５はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して正極層５ｂとし、これを集電体５ａ上に形成することにより作製されてもよい。
４）非水電解質
非水電解質は、例えば電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状非水電解質、または液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質を用いることができる。
液状非水電解質は、電解質を０．５Ｍ以上２．５Ｍ以下の濃度で有機溶媒に溶解することが好ましい。
電解質の例は、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2］のリチウム塩、またはこれらの混合物を含む。電解質は、高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、ＬｉＰＦ6が最も好ましい。
有機溶媒の例は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート；ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）のような鎖状カーボネート；テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）、ジオキソラン（ＤＯＸ）のような環状エーテル；ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、ジエトエタン（ＤＥＥ）のような鎖状エーテル；またはγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）を含む。これらの有機溶媒は、単独または混合溶媒の形態で用いることができる。
高分子材料の例は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）を含む。
好ましい有機溶媒は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびジエチルカーボネート（ＤＥＣ）からなる群のうち、少なくとも２つ以上を混合した混合溶媒、またはγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）を含む混合溶媒である。これらの混合溶媒を用いることにより、高温特性の優れた非水電解質電池を得ることができる。
５）セパレータ
セパレータ４は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、もしくはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を含む多孔質フィルム、または合成樹脂製不織布を用いることができる。好ましい多孔質フィルムは、ポリエチレンまたはポリプロピレンから作られ、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるために安全性を向上できる。
以上記載した本実施形態によれば、優れた充放電サイクル性能を有する非水電解質電池を提供することができる。
（第３実施形態）
次に、実施形態に係る電池パックを詳細に説明する。
実施形態に係る電池パックは、上記第２実施形態に係る非水電解質電池（即ち、単電池）を一以上有する。電池パックに複数の単電池が含まれる場合、各単電池は、電気的に直列、並列、或いは、直列と並列に接続して配置される。
図４および図５を参照して電池パック２００を具体的に説明する。図３に示す電池パック２００では、単電池２１として図２に示す扁平型非水電解液電池を使用している。
複数の単電池２１は、外部に延出した負極端子６および正極端子７が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ２２で締結することにより組電池２３を構成している。これらの単電池２１は、図５に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板２４は、負極端子６および正極端子７が延出する単電池２１側面と対向して配置されている。プリント配線基板２４には、図５に示すようにサーミスタ２５、保護回路２６および外部機器への通電用端子２７が搭載されている。なお、組電池２３と対向する保護回路基板２４の面には組電池２３の配線と不要な接続を回避するために絶縁板（図示せず）が取り付けられている。
正極側リード２８は、組電池２３の最下層に位置する正極端子７に接続され、その先端はプリント配線基板２４の正極側コネクタ２９に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード３０は、組電池２３の最上層に位置する負極端子６に接続され、その先端はプリント配線基板２４の負極側コネクタ３１に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ２９，３１は、プリント配線基板２４に形成された配線３２，３３を通して保護回路２６に接続されている。
サーミスタ２５は、単電池２１の温度を検出するために用いられ、その検出信号は保護回路２６に送信される。保護回路２６は、所定の条件で保護回路２６と外部機器への通電用端子２７との間のプラス側配線３４ａおよびマイナス側配線３４ｂを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ２５の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池２１の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池２１もしくは単電池２１全体について行われる。個々の単電池２１を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池２１中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図４および図５の場合、単電池２１それぞれに電圧検出のための配線３５を接続し、これら配線３５を通して検出信号が保護回路２６に送信される。
正極端子７および負極端子６が突出する側面を除く組電池２３の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート３６がそれぞれ配置されている。
組電池２３は、各保護シート３６およびプリント配線基板２４と共に収納容器３７内に収納される。すなわち、収納容器３７の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート３６が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板２４が配置される。組電池２３は、保護シート３６およびプリント配線基板２４で囲まれた空間内に位置する。蓋３８は、収納容器３７の上面に取り付けられている。
なお、組電池２３の固定には粘着テープ２２に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。
図４、図５では単電池２１を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続しても、または直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列、並列に接続することもできる。
以上記載した本実施形態によれば、優れた充放電サイクル性能を有する電池パックを提供することができる。
なお、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途は、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、高温特性の優れた非水電解質電池を用いた電池パックは車載用に好適に用いられる。
（第４実施形態）
第４の実施形態に係る自動車は、第３の実施形態に係る電池パックを備える。ここでいう自動車としては、二輪〜四輪のハイブリッド電気自動車、二輪〜四輪の電気自動車、アシスト自転車などが挙げられる。
図６〜８は、内燃機関と電池駆動の電動機とを組み合わせて走行動力源としたハイブリッドタイプの自動車を示している。自動車の駆動力には、その走行条件に応じ、広範囲な回転数及びトルクの動力源が必要となる。一般的に内燃機関は理想的なエネルギー効率を示すトルク・回転数が限られているため、それ以外の運転条件ではエネルギー効率が低下する。ハイブリッドタイプの自動車は、内燃機関を最適条件で稼動させて発電すると共に、車輪を高効率な電動機にて駆動することによって、あるいは内燃機関と電動機の動力を合わせて駆動したりすることによって、自動車全体のエネルギー効率を向上できるという特徴を有する。また、減速時に車両のもつ運動エネルギーを電力として回生することによって、通常の内燃機関単独走行の自動車に比較して、単位燃料当りの走行距離を飛躍的に増大させることができる。
ハイブリッド自動車は、内燃機関と電動機の組み合わせ方によって、大きく3つに分類することができる。
図６には、一般にシリーズハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５０が示されている。内燃機関５１の動力を一旦すべて発電機５２で電力に変換し、この電力をインバータ５３を通じて電池パック５４に蓄える。電池パック５４には上記第３の実施形態に係る電池パックが使用される。電池パック５４の電力はインバータ５３を通じて電動機５５に供給され、電動機５５により車輪５６が駆動する。電気自動車に発電機が複合されたようなシステムである。内燃機関は高効率な条件で運転でき、電力回生も可能である。その反面、車輪の駆動は電動機のみによって行われるため、高出力な電動機が必要となる。また、電池パックも比較的大容量のものが必要となる。電池パックの定格容量は、５〜５０Ａｈの範囲にすることが望ましい。より好ましい範囲は１０〜２０Ａｈである。ここで、定格容量とは、０．２Ｃレートで放電した時の容量を意味する。
図７には、パラレルハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５７が示されている。付番５８は、発電機を兼ねた電動機を示す。内燃機関５１は主に車輪５６を駆動し、場合によりその動力の一部を発電機５８で電力に変換し、その電力で電池パック５４が充電される。負荷が重くなる発進や加速時には電動機５８により駆動力を補助する。通常の自動車がベースになっており、内燃機関５１の負荷変動を少なくして高効率化を図り、電力回生なども合わせて行うシステムである。車輪５６の駆動は主に内燃機関５１によって行うため、電動機５８の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することができる。比較的小さな電動機５８及び電池パック５４を用いてもシステムを構成することができる。電池パックの定格容量は、１〜２０Ａｈの範囲にすることができる。より好ましい範囲は５〜１０Ａｈである。
図８には、シリーズ・パラレルハイブリッド車と呼ばれるハイブリッド自動車５９が示されている。シリーズとパラレルの両方を組み合わせた方式である。動力分割機構６０は、内燃機関５１の出力を、発電用と車輪駆動用とに分割する。パラレル方式よりもきめ細かくエンジンの負荷制御を行い、エネルギー効率を高めることができる。
電池パックの定格容量は、１〜２０Ａｈの範囲にすることが望ましい。より好ましい範囲は５〜１０Ａｈである。
上述した図６〜図８に示すようなハイブリッド自動車に搭載される電池パックの公称電圧は、２００〜６００Ｖの範囲にすることが望ましい。
電池パック５４は、一般に外気温度変化の影響を受けにくく、衝突時などに衝撃を受けにくい場所に配置されるのが好ましい。例えば図９に示すようなセダンタイプの自動車では、後部座席６１後方のトランクルーム６２内などに配置することができる。また、座席６１の下や後ろに配置することができる。電池質量が大きい場合には、車両全体を低重心化するため、座席の下や床下などに配置するのが好ましい。
本実施形態によれば、上記第３実施形態に係る優れたサイクル特性を有する電池パックを備えることにより、優れた性能を有する自動車を提供することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
（実施例１）
＜正極の作製＞
正極活物質としてリチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.1Ｍｎ0.1Ｏ2）を用い、導電剤としてアセチレンブラック及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用いて正極を作製した。
まず、リチウムニッケル複合酸化物粉末９０質量％、アセチレンブラック５質量％、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）５質量％をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、プレスして、電極密度が３．１５ｇ／ｃｍ3の正極を作製した。
＜チタン複合酸化物の作製＞
炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、及びアナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）から、スプレードライによって原料二次粒子を作製した。スプレードライは、Ｋ：Ｔｉ＝２：４のモル比で前記原料を量り取り、これらを蒸留水を溶媒として分散させた後、スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥させることにより行った。
次いで、該原料二次粒子を１０００℃で２４時間焼成し、Ｋ2Ｔｉ4Ｏ9の二次粒子を得た。このＫ2Ｔｉ4Ｏ9の二次粒子を純水で洗浄し、プロトン交換前駆体の二次粒子を得た。このプロトン交換前駆体の二次粒子は、平均粒径が約１０μｍであった。プロトン交換前駆体の二次粒子を１Ｍの塩酸溶液中に投入し、２５℃の環境下で１２時間攪拌してプロトン交換を行った。これにより、プロトン交換体の二次粒子を得た。
プロトン交換体の二次粒子を、大気中で３５０℃で３時間焼成し、チタン複合酸化物
（ＴｉＯ2）の二次粒子を得た。この二次粒子は球状であり、平均粒径は９．６μｍであり、比表面積は１０．８ｍ2／ｇであり、圧縮破壊強度は３７ＭＰａであり、平均一次粒径は０．３０μｍであった。
＜チタン複合酸化物のＸ線回折解析＞
得られたチタン複合酸化物を直径２５mmの標準ガラスホルダーに詰め、広角Ｘ線回折法による測定を行った。その結果、図１０に示すＸ線回折パターンを得た。この回折パターンから、得られたチタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。以下に測定装置および条件を示す。
（１）Ｘ線回折装置：Bruker AXS 社製；D8 ADVANCE（封入管型）
Ｘ線源：ＣｕＫα線（Ｎｉフィルター使用）
出力 ：４０ｋＶ，４０ｍＡ
スリット系：Div. Slit；０．３°
検出器：LynxEye（高速検出器）
（２）スキャン方式：2θ／θ連続スキャン
（３）測定範囲（２θ）：５〜１００°
（４）ステップ幅（２θ）：０．０１７１２°
（５）計数時間：１秒間／ステップ。
＜負極の作製＞
得られたチタン複合酸化物を活物質として用い、導電剤としてアセチレンブラック及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用いて負極を作製した。
チタン複合酸化物粉末９０質量％、アセチレンブラック５質量％、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）５質量％を、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した。その後、プレスすることにより電極密度が１．９ｇ／ｃｍ3の負極を作製した。
＜電極群の作製＞
正極、厚さ２５μｍのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータ、負極、及びセパレータを、この順序で積層し、次いで、渦巻き状に捲回した。これを９０℃で加熱プレスすることにより、幅が３０ｍｍ、厚さ１．８ｍｍの偏平状電極群を作製した。得られた電極群をラミネートフィルムからなるパックに収納し、８０℃で２４時間真空乾燥した。ラミネートフィルムは厚さ４０μｍのアルミニウム箔の両面にポリプロピレン層を有する構成であり、全体の厚さが０．１ｍｍである。
＜液状非水電解質の調製＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を１：２の体積比率で混合して混合溶媒とした。この混合溶媒に電解質であるＬｉＰＦ6を１Ｍ溶解することにより液状非水電解質を調製した。
＜非水電解質二次電池の製造＞
電極群を収納したラミネートフィルムのパック内に液状非水電解質を注入した。その後、パックをヒートシールにより完全密閉し、図２に示す構造を有し、幅３５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、高さが６５ｍｍの非水電解質二次電池を製造した。
（実施例２〜４）
＜チタン複合酸化物の作製＞
炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、及びアナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）から、スプレードライによって原料二次粒子を作製した。スプレードライは、Ｋ：Ｔｉ＝２：４のモル比で前記原料を量り取り、これらを蒸留水を溶媒として分散させた後、スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥させることにより行った。このとき、噴霧条件を変えて、原料二次粒子の粒径を調整した。その後は実施例１と同様の方法でチタン複合酸化物（ＴｉＯ2）の二次粒子を得た。この二次粒子は球状であり、平均粒径、比表面積、圧縮破壊強度、平均一次粒径は、表１の通りであった。
得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。
このチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（実施例５〜８）
＜チタン複合酸化物の作製＞
炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、及びアナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）から、スプレードライによって原料二次粒子を作製した。スプレードライは、Ｋ：Ｔｉ＝２：４のモル比で前記原料を量り取り、これらを蒸留水を溶媒として分散させた後、スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥させることにより行った。
次いで、該原料二次粒子を表１記載の温度で２４時間焼成し、Ｋ2Ｔｉ4Ｏ9の二次粒子を得た。このＫ2Ｔｉ4Ｏ9の二次粒子を純水で洗浄し、プロトン交換前駆体の二次粒子を得た。このプロトン交換前駆体の二次粒子は、平均粒径が約１０μｍであった。プロトン交換前駆体の二次粒子を１Ｍの塩酸溶液中に投入し、２５℃の環境下で１２時間攪拌してプロトン交換を行った。これにより、プロトン交換体の二次粒子を得た。
その後は実施例１と同様の方法でチタン複合酸化物（ＴｉＯ2）の二次粒子を得た。この二次粒子は球状であり、平均粒径、比表面積、圧縮破壊強度、平均一次粒径は、表１の通りであった。
得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。
このチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（実施例９〜２３）
原料として、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、及び、アナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）とともに、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化アルミ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、又は酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、を用い、配合比を変えた以外は、実施例１と同様にしてチタン複合酸化物（（Ｔｉ,Ｎｂ）Ｏ2）を合成した。
得られたチタン複合酸化物の平均一次粒径、二次粒子の平均粒径、比表面積、及び圧縮破壊強度をそれぞれ表１に示す。
得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。
また、得られたチタン複合酸化物のＮｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｔａ、Ｇａ、又はＩｎの濃度を、ＩＣＰ発光分光法によって測定した。その結果を表１に示す。
得られたチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（比較例１）
＜チタン複合酸化物の作製＞
炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、及びアナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）を
ジルコニア製容器を用いて、６００ｒｐｍで3時間のボールミル処理を行って混合した。該混合物を６００℃で２４時間焼成してＫ2Ｔｉ4Ｏ9を合成した。これを純水で洗浄しプロトン交換前駆体を得た。得られたプロトン交換前駆体を１Ｍの塩酸溶液中に投入し、２５℃の環境下で１２時間攪拌して、プロトン交換体を得た。
プロトン交換体をスプレードライすることにより、平均粒径が約１０μｍの凝集粒子を得た。これを大気中で３５０℃、３時間焼成し、チタン複合酸化物（ＴｉＯ2）を合成した。合成したチタン複合酸化物の平均粒径、比表面積、圧縮破壊強度、平均一次粒径は、表１の通りであった。
得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。
このチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（比較例２、３）
原料の混合物の焼成温度を表１に記載した通りにした以外は、比較例１と同様にチタン複合酸化物（ＴｉＯ2）を合成した。得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。得られたチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（比較例４）
原料に、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、酸化アルミ（Ａｌ2Ｏ3）、及びアナターゼ構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ2）を用いた以外は、比較例１と同様にチタン複合酸化物（ＴｉＯ2）を合成した。
得られたチタン複合酸化物をＸ線回折により解析した結果、チタン複合酸化物を構成する主物質がＪＣＰＤＳ：４６−１２３７に帰属される単斜晶系β型チタン複合酸化物であることが確認された。
また、得られたチタン複合酸化物の添加元素濃度をＩＣＰ発光分光法によって測定した。結果を表１に示す。
得られたチタン複合酸化物を用いて、実施例１と同様に非水電解質二次電池を製造した。
（電池性能の測定）
得られた実施例１〜２３、比較例１〜４の二次電池について、抵抗値を測定した。抵抗測定は１ｋＨｚの交流インピーダンスで行った。その後、充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験は、１Ｃ充電／１Ｃ放電の充放電を繰返す充放電サイクルを１００回繰り返した。初回放電容量に対する１００回目の放電容量の比率、すなわち放電維持率（％）を表１に示す。また、各二次電池について、「１００サイクル後の抵抗値／サイクル前の抵抗値」を算出し、抵抗増加率［倍］として表１に示した。抵抗は１ｋＨｚの交流インピーダンスを測定した。
また、図１１に、電極表面を走査型電子顕微鏡により撮影した写真を示した。図１１（ａ）は実施例１の負極表面であり、図１１（ｂ）は比較例１の負極表面である。負極の中央部分を切り取り、電極圧延時に圧延ローラーと接する部分を撮影した。
Figure 0005439299
実施例１〜２３におけるチタン複合酸化物の二次粒子は、比較例１〜４の二次粒子よりも圧縮破壊強度が著しく高かった。このような二次粒子を用いた実施例１〜２３の二次電池は、比較例１〜４の二次電池に比べて抵抗増加率が小さく、容量維持率が高かった。よって、本実施形態に従って製造され、圧縮破壊強度が２０ＭＰａ以上であるチタン複合酸化物の二次粒子を用いた二次電池は、優れた充放電サイクル性能を有することが示された。
単斜晶系β型チタン複合酸化物にＮｂ、Ｖ、又はＡｌを含有させた実施例９〜２３の二次電池は、より一層優れた充放電サイクル性能を有することが示された。
また、図１１（ａ）に示した実施例１の電池の電極は、活物質の粒子が大きく、電極製造後も二次粒子の形状が保たれていることが分かる。一方、図１１（ｂ）に示した比較例１の電池の電極は、活物質の粒子が小さく、電極製造工程により二次粒子が崩壊していることが分かる。比較例１〜４の電池では、チタン複合酸化物の二次粒子が崩壊して一次粒子の形状となったことにより、電池抵抗を増大させ、容量維持率を低下させたことが示されている。
また、実施例１〜２３におけるチタン複合酸化物の二次粒子は、比較例１〜４の二次粒子よりも比表面積が著しく小さかった。これは、原料二次粒子を高温で焼成したことによって、一次粒子が融解し、隣接する一次粒子同士の界面が融合することにより、二次粒子の表面積を低下させたことによるものである。表１に示したとおり、二次粒子の比表面積が小さい実施例１〜２３の容量維持率が、比表面積の大きい比較例１〜４よりも著しく高いことから、良好な充放電サイクル性能を得るために二次粒子の比表面積が小さい方が望ましいと考えられる。
付記
［１］平均一次粒径が１ｎｍ以上１０μｍ以下である単斜晶系β型チタン複合酸化物の一次粒子を含む平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である二次粒子を含み、該二次粒子の圧縮破壊強度が２０ＭＰａ以上であることを特徴とする電池用活物質。
［２］前記単斜晶系β型チタン複合酸化物が５族及び１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を０．０３質量％以上１５質量％以下の範囲で含むことを特徴とする［１］に記載の電池用活物質。
［３］前記少なくとも１つの元素は、前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のＴｉサイトの一部を置換することを特徴とする［１］又は［２］に記載の電池用活物質。
［４］正極と、［１］〜［３］の何れか一項に記載の電池用活物質を含む負極と、非水電解質とを備えることを特徴とする非水電解質電池。
［５］前記正極は、リチウムニッケル複合酸化物及びリチウムマンガン複合酸化物から選択される一種以上の正極活物質を含むことを特徴とする、［４］に記載の非水電解質電池。
［６］ラミネートフィルム製の外装材をさらに備えることを特徴とする、［４］又は［５］に記載の非水電解質電池。
［７］上記［４］〜［６］の何れか一項に記載の非水電解質電池を一以上備えることを特徴とする電池パック。
［８］電気的に接続された複数の前記非水電解質電池を具備し、各非水電解質電池の電圧が検知可能な保護回路をさらに備えることを特徴とする、［７］に記載の電池パック。
［９］上記［７］又は［８］に記載の電池パックを具備することを特徴とする自動車。
１…捲回電極群、２…外装材、３…負極、４…セパレータ、５…正極、６…負極端子、７…正極端子、２１…単電池、２４…プリント配線基板、２５…サーミスタ、２６…保護回路、３７…収納容器、５０，５７，５９…ハイブリッド自動車、５１，６４…内燃機関、５２…発電機、５３…インバータ、５４…電池パック、５５，６５…電動機、５６，６６…車輪、５８…発電機を兼ねた電動機、６０…動力分割機構、６１…後部座席、６２…トランクルーム、１００…非水電解質二次電池、２００…電池パック。

Claims (9)

  1. 平均一次粒径が１ｎｍ以上１０μｍ以下である単斜晶系β型チタン複合酸化物の一次粒子を含む平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である二次粒子を含み、
    該二次粒子の圧縮破壊強度が２０ＭＰａ以上であることを特徴とする電池用負極活物質。
  2. 前記単斜晶系β型チタン複合酸化物が５族及び１３族から選ばれる少なくとも１つの元素を０．０３質量％以上１５質量％以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１に記載の電池用負極活物質。
  3. 前記少なくとも１つの元素は、前記単斜晶系β型チタン複合酸化物のＴｉサイトの一部を置換することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池用負極活物質。
  4. 正極と、
    請求項１〜３の何れか一項に記載の電池用負極活物質を含む負極と、
    非水電解質と、
    を備えることを特徴とする非水電解質電池。
  5. 前記正極は、リチウムニッケル複合酸化物及びリチウムマンガン複合酸化物から選択される一種以上の正極活物質を含むことを特徴とする、請求項４に記載の非水電解質電池。
  6. ラミネートフィルム製の外装材をさらに備えることを特徴とする、請求項４又は５に記載の非水電解質電池。
  7. 請求項４〜６の何れか一項に記載の非水電解質電池を一以上備えることを特徴とする電池パック。
  8. 電気的に接続された複数の前記非水電解質電池を具備し、各非水電解質電池の電圧が検知可能な保護回路をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の電池パック。
  9. 請求項７又は８に記載の電池パックを具備することを特徴とする自動車。
JP2010154275A 2010-07-06 2010-07-06 電池用負極活物質、非水電解質電池、電池パック、及び自動車 Active JP5439299B2 (ja)

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