电池活性材料和电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种电池活性材料，其包含由式Y2-xScxTi2O5S2(其中0<x<2)表示并且具有Ruddlesden-Popper结构的晶相。
【专利说明】电池活性材料和电池
[0001]通过引用并入
[0002]2012年12月18日提交的日本专利申请第2012-275393号的公开内容，包括说明书、附图和摘要在内，以全文引用的方式并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种电池活性材料，其可用作例如锂电池中的负电极活性材料。本发明还涉及一种使用所述活性材料的电池。
【背景技术】
[0004]锂电池由于其高的电动势和高的能量密度而被广泛用于信息相关装置和通讯装置中。同样，在汽车领域中，电动车辆和混合动力车辆正在迅速发展以解决环境问题和资源问题，并且锂电池作为此类车辆的电源正在研究之中。锂电池通常具有包含正电极活性材料的正电极活性材料层、包含负电极活性材料的负电极活性材料层以及形成在正电极活性材料层和负电极活性材料层之间的电解质层。
[0005]碳材料(例如，石墨)已被用作锂电池中的负电极活性材料。另一方面，期望具有高的热稳定性的活性材料以进一步改善电池安全性。在这点上，国际专利申请公开第2011/118302号(W02011/118302)描述了一种包含作为第III族元素的元素M、元素钛(Ti)、氧(O)和硫⑶并且包含M2Ti2O5S2晶相的电池活性材料作为具有高的热稳定性的电池活性材料。
[0006]为获得高的电池性能，期望高容量电池活性材料。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种高容量电池活性材料。
[0008]根据本发明的一个方面，电池活性材料包含由式Y2_xScxTi205S2(其中0〈x〈2)表示并且具有Ruddlesden-Popper结构的晶相。
[0009]根据本发明的上述方面，通过用钪(Sc)替代具有Ruddlesden-Popper结构的Y2Ti2O5S2晶相中的一部分钇(Y)，可获得高容量电池活性材料。
[0010]在上述方面中，X可?两足关系0〈x < 0.4。
[0011]所述电池活性材料可为负电极活性材料。
[0012]根据本发明的另一个方面，电池包括包含正电极活性材料的正电极活性材料层、包含负电极活性材料的负电极活性材料层以及形成在正电极活性材料层和负电极活性材料层之间的电解质层，其中所述正电极活性材料或所述负电极活性材料为上述电池活性材料。
[0013]根据上述方面，通过使用上述电池活性材料，可获得高容量电池。
[0014]在本发明的上述方面中，可以获得高容量电池活性材料。【专利附图】
【附图说明】
[0015]本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性将在下文结合附图描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，且其中:
[0016]图1示出了根据本发明的电池的一个实例的示意性截面视图；
[0017]图2A和2B为示出了实施例1和3中制备活性材料的方法的流程图；
[0018]图3示出了对实施例1和2及对比例I至6中获得的活性材料的X-射线衍射(XRD)测量的结果；
[0019]图4A和4B为示出对采用实施例1和2及对比例I至3中获得的活性材料的试验电池的充放电特性的评价结果以及对实施例1和2及对比例I至6中获得的活性材料的XRD测量的结果的图；
[0020]图5为示出对采用实施例1中获得的活性材料的试验电池的充放电特性的评价结果的图；和
[0021]图6为示出对采用对比例2中获得的活性材料的试验电池的充放电特性的评价结果的图。
【具体实施方式】
[0022]下面将详细描述根据本发明的电池活性材料和电池。
[0023]A.电池活性材料
[0024]首先将描述根据本发明的电池活性材料。根据本发明的电池活性材料包含由式Y2_xScxTi205S2 (其中0〈x〈2)表示并且具有Ruddlesden-Popper结构的晶相。
[0025]根据本发明，通过用钪(Sc)替代具有Ruddlesden-Popper结构的Y2Ti2O5S2晶相中的一部分钇(Y)，可获得高容量电池活性材料。因为根据本发明的电池活性材料具有低电位，因而其可用作例如负电极活性材料。此外，因为根据本发明的电池活性材料包含元素氧并且表现出氧化物的行为，因而根据本发明的电池活性材料具有热稳定性优异的优点。
[0026]W02011 / 118302描述了一种包含M2Ti2O5S2晶相(其中M为第III族元素)的电池活性材料。此外，W02011 / 118302在一个实施例中描述了 Y2Ti2O5S2晶相。然而，因为钇具有非常大的原子量，因而电池活性材料的式子量(formula weight)变大。因此，每单位重量的理论容量低。在本发明中，可通过用原子量比钇低并因此比钇轻的钪替代Y2Ti2O5S2晶相中的一部分钇来增大每单位重量的理论容量。另外，如随后描述的参考实施例中将提及的，本发明人已取得新的发现，换句话说，本发明人已发现，在进入M位点的离子的离子半径与活性材料的电位之间存在固定的相关性。具体而言，他们已发现，随着进入M位点的离子的离子半径减小，电池活性材料的电位趋于减小。因此，通过用离子半径比钇小的钪替RY2Ti2O5S2晶相中的一部分钇，较低的电位得以实现。在本发明的实施例中，可以实际确认这一点。认为之所以实际获得较低电位的原因在于通过加入钪而改变了晶体结构。
[0027]根据本发明的电池活性材料包含具有Ruddlesden-Popper结构的Y2_xScxTi205S2晶相。在本说明书中，该晶相可被简称为Y2_xScxTi205S2晶相。可通过X-射线衍射(XRD)分析确认VxScxTi2O5S2晶相的存在。另外，认为VxScxTi2O5S2晶相对应于具有有缺陷的Ruddlesden-Popper 结构的晶相。通常,Ruddlesden-Popper 结构具有由通式 An+1BnC3n+1 (其中η为整数)表示的组成并具有层状结构，其中具有钙钛矿结构的层和具有岩盐结构的层交替设置。这里，当η = 2时，上面的通式可表示为A3B2C715当将该A3B2C7与本发明中的VxScxTi2O5S2比较时，(Y+Sc)位于A位点处，钛(Ti)位于B位点处，而氧(O)和硫(S)位于C位点处。此外，当(Y+Sc)的三个原子位于A位点处时,这对应于完美的Ruddlesden-Popper结构，但在本发明中仅(Y+Sc)的两个原子位于A位点处。因此，认为在该A位点处存在缺陷，金属离子(例如，锂离子)在缺陷位点处嵌入/脱出，活性材料的功能清楚地显现出来。此外，认为VxScxTi2O5S^as相与金属离子(例如，锂离子)之间的反应如下发生，并且VxScxTi2O5S2晶相起到嵌入/脱出型活性材料的作用。
【权利要求】
1.一种电池活性材料，其特征在于，所述电池活性材料包含由式YhScxTi2O5S2 (其中0〈x〈2)表示并且具有Ruddlesden-Popper结构的晶相。
2.根据权利要求1所述的电池活性材料,其中X满足关系0〈x( 0.4。
3.根据权利要求1或2所述的电池活性材料，其中所述电池活性材料为负电极活性材料。
4.一种电池，其特征在于，所述电池包括: 包含正电极活性材料的正电极活性材料层(I); 包含负电极活性材料的负电极活性材料层(2);和 形成在所述正电极活性材料层(I)和所述负电极活性材料层(2)之间的电解质层(3)，其中所述正电极活性材料或所述负电极活性材料为根据权利要求1或2所述的电池活性材料。
5.根据权利要求4所述的电池，其中所述负电极活性材料为根据权利要求1或2所述的电池活性材料。
【文档编号】H01M10/052GK103872317SQ201310680796
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】当寺盛健志, 大木荣干 申请人:丰田自动车株式会社