[发明专利]非水电解质二次电池

说明书

非水电解质二次电池包含正极、非水电解液和负极。负极包含负极集电体和形成在负极集电体上的负极活性物质层。负极活性物质层具有第一区域和第二区域。第一区域是形成在负极集电体表面上且包含锂钛复合氧化物作为主要组分的区域。第二区域是包含负极活性物质层的表面并且包含锂钛复合氧化物作为主要组分且还包含氧化硅的区域。

发明背景

本发明涉及非水电解质二次电池。具体地说，本发明涉及包含锂钛复合氧化物作为负极活性物质的非水电解质二次电池。

现有技术说明

近来，非水电解质二次电池如锂离子二次电池或镍金属氢化物电池已经被用作PC、便携式设备等的所谓的便携式电源，或者作为用于车辆的驱动电源。特别地，优选使用能够获得高能量密度的轻型锂离子二次电池作为用于驱动车辆如电动车辆或混合动力车辆的高输出电源。在电池的典型配置中，正极、负极和非水电解液容纳在电池壳中。正极和负极包含在对应的集电体上形成的活性物质层，并且作为主要组分包含能够可逆地储存和释放电荷载体(通常为锂离子)的活性物质。电池由在正极和负极之间移动的电荷载体进行充电和放电。

在用作车辆的驱动电源的非水电解质二次电池中，要求进一步改进性能以稳定地提供高电流。作为电池的负极活性物质，在现有技术中，使用碳材料如石墨或锂钛复合氧化物(LTO，例如Li₄Ti₅O₁₂)的技术是已知的(例如，参照日本专利申请公开No.2013-246900(JP2013-246900 A)、日本专利申请公开No.2013-077398(JP 2013-077398 A)和日本专利申请公开No.2011-108106(JP 2011-108106 A))。

发明摘要

在使用碳材料的负极中，负极活性物质层的孔隙率可容易设定得高。因此，可以实现具有相对高的输入和输出特性以及相对小的电阻增加的电池。相反，由于碳材料具有较低的动作电位，所以可能存在电解液的还原分解或电荷载体(例如Li)失活的问题。另一方面，LTO没有由电荷载体的储存和释放而导致的晶体结构变化，并且具有比碳材料更高的动作电位。因此，不可能发生电解液的还原分解或电荷载体(例如Li)的失活。因此，可以实现具有相对高的容量保持性和高安全性的电池。

然而，由于动作电位高(1.55V vs.Li/Li⁺)，LTO在能量密度方面可能比碳材料更不利(例如，还原电位为0.1V vs.Li/Li⁺)。因此，为了实现高速率的充放电，需要降低LTO的粒度并增加负极活性物质层的厚度。在这种结构中，在使用电池的初始阶段实现高能量密度；然而，在长时间使用电池之后，能量密度可能变差，或者由于扩散阻力的增加，输入和输出特性可能劣化。

本发明提供一种其中LTO用作负极活性物质的非水电解质二次电池，该电池能够长时间稳定地确保高能量密度。

本发明人进行了关于上述性能劣化的原因的研究，并且发现以下几点。在使用LTO作为负极活性物质的负极中，负极活性物质层的密度高，因此在高速充电和放电期间优先消耗负极活性物质层的表面上的电荷载体。结果，负极活性物质层的厚度方向上可能发生电荷载体浓度(盐浓度)的不均匀。虽然在使用碳材料的负极中也观察到，但是在使用LTO的负极中这种现象更显著，其负极活性物质层具有比使用碳材料的负极的负极活性物质层更大的厚度和更高的密度。为了发现解决上述问题的手段，本发明人进行了深入研究，从而完成了本发明。

根据本发明的一个方面，提供一种包含正极、非水电解液和负极的非水电解质二次电池。负极包含负极集电体和形成在负极集电体上的负极活性物质层。负极活性物质层具有第一区域和第二区域。第一区域是形成在负极集电体的表面上的区域，并且包含锂钛复合氧化物作为主要组分。第二区域是包含负极活性物质层的表面的区域，并且包含锂钛复合氧化物作为主要组分，并且还包含氧化硅。