电气设备用负极、及使用其的电气设备的制造方法_2

文档序号:8491917阅读:来源:国知局
型(内部并联型)裡离子二次电池,使用附图进行简单说明。但是,本实施方式的裡离 子二次电池的保护范围并不受该些的限制。
[0049] <电池的整体结构〉
[0050] 图1为示意性地表示本发明的电气设备的代表性的一个实施方式即扁平型(层叠 型)的裡离子二次电池(W下也简称为"层叠型电池")的整体结构的截面示意图。
[005。 如图1所示,本实施方式的层叠型电池10具有如下的结构;实际上进行充放电反 应的大致为矩形的发电元件21被密封在作为外壳体的层压片29的内部。此处,发电元件 21具有;将在正极集电体11的两面配置有正极活性物质层13的正极、电解质层17、W及在 负极集电体12的两面配置有负极活性物质层15的负极层叠而成的构成。具体而言,使1 个正极活性物质层13和与其邻接的负极活性物质层15夹着电解质层17对置,依次层叠负 极、电解质层和正极。
[0052] 由此,邻接的正极、电解质层、化及负极构成1个单电池层19。因此,可m兑图1中 示出的层叠型电池10具有通过层叠多个单电池层19来进行电并联而形成的构成。需要说 明的是,位于发电元件21的两最外层的最外层的正极集电体均仅在单面配置有正极活性 物质层13,但也可W在两面设置有活性物质层。目P,也可W不制造仅在单面设有活性物质 层的最外层专用的集电体,而是将在两面具有活性物质层的集电体直接用作最外层的集电 体。另外,也可W通过将正极和负极的配置与图1颠倒,从而使最外层的负极集电体位于发 电元件21的两最外层,在该最外层的负极集电体的单面或两面配置有负极活性物质层。
[0053] 正极集电体11和负极集电体12具有如下的结构;分别安装与各电极(正极和负 极)导通的正极集电板25和负极集电板27,使其夹在层压片29的端部,向层压片29的外 部导出。正极集电板25和负极集电板27也可W分别根据需要而借助正极引线和负极引线 (未图示)通过超声波焊接、电阻焊接等安装于各电极的正极集电体11和负极集电体12。
[0054] 上述说明的裡离子二次电池在负极具有特征。W下对于包括该负极的电池的主要 的构成构件进行说明。
[005引< 正极〉
[0056][正极活性物质层]
[0057] 正极活性物质层13包含正极活性物质,根据需要进一步包含其它添加剂。
[0058](正极活性物质)
[0059] 作为正极活性物质,例如可列举出裡-过渡金属复合氧化物、裡-过渡金属磯酸化 合物、裡-过渡金属硫酸化合物、固溶体系、3元系、NiMn系、NiCo系、尖晶石Mn系等。
[0060] 作为裡-过渡金属复合氧化物,例如可列举出LiMri2〇4、LiCo化、LiNi化、Li(Ni、Mn、 Co)化、Li(Li、Ni、Mn、Co)化、LiFeP〇4及它们的过渡金属的一部分被其它元素置换而成的物 质等。
[006。作为固溶体系,可列举出xLiM02 ? (l-x)Li2N03(0<x<l,M是平均氧化状态为3+的 1种W上的过渡金属,N是平均氧化状态为4+的1种W上的过渡金属)、LiR02-LiMn204巧=Ni、Mn、Co、化等过渡金属元素)等。
[0062]作为3元系,可列举出镶?钻?铺系(复合)正极材料等。
[006引作为NiMn系,可列举出LiNio.5Mn1.5O4等。
[0064]作为NiCo系,可列举出Li(NiCo)〇2等。
[00财作为尖晶石Mn系,可列举出LiMn204等。
[0066] 根据情况,也可W组合使用2种W上的正极活性物质。优选的是,从容量、功率特 性的观点出发,使用裡-过渡金属复合氧化物作为正极活性物质。此外,当然也可W使用上 述W外的正极活性物质。在体现活性物质各自的固有效果上最佳的粒径不同时,将在体现 各自的固有效果上最佳的粒径彼此共混来使用即可,不必使所有活性物质的粒径均匀化。
[0067] 对正极活性物质层13中所含的正极活性物质的平均粒径没有特别限制,从高功 率化的观点出发优选为1~30ym、更优选为5~20ym。需要说明的是,本说明书中,"粒 径"是指,使用扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等观察手段观察到的活 性物质颗粒(观察面)的轮廓线上的任意2点间的距离中最大的距离。另外,本说明书中, "平均粒径"的值采用使用扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等观察手段, W几个~几十个视场中观察到的颗粒的粒径的平均值的形式算出的值。其它构成成分的粒 径、平均粒径也可W同样定义。
[0068] 正极(正极活性物质层)除了通常的涂布(coating)浆料的方法之外,还可W通 过混炼法、瓣射法、蒸锻法、CVD法、PVD法、离子锻法和喷锻法中的任意方法来形成。
[006引< 正极集电体〉
[0070] 正极集电体11由导电性材料构成。集电体的尺寸根据电池的使用用途来确定。例 如,如果用于要求高能量密度的大型电池,则可使用面积大的集电体。
[0071] 对于集电体的厚度没有特别限制。集电体的厚度通常为1~lOOym左右。
[0072] 对于集电体的形状也没有特别限制。图1中示出的层叠型电池10中除了集电巧 之外可W使用网格形状(拉网板栅(expandedgrid)等)等。
[007引对构成集电体的材料没有特别限制。例如,可W采用金属、导电性高分子材料或在 非导电性高分子材料中添加有导电性填料的树脂。
[0074] 具体而言,作为金属,可列举出侣、镶、铁、不诱钢、铁、铜等。除此之外,可W优选地 使用镶与侣的包层材料、铜与侣的包层材料、或该些金属的组合的锻层材料等。另外,也可 W为在金属表面上覆盖侣而成的巧。
[0075] 另外,作为导电性高分子材料,例如可列举出聚苯胺、聚化咯、聚唾吩、聚己诀、聚 对苯撑、聚苯己诀、聚丙締膳和聚曠二挫等。该种导电性高分子材料即使不添加导电性填料 也具有充分的导电性,因此在制造工序的容易化或集电体的轻量化的方面是有利的。
[0076]作为非导电性高分子材料,例如可列举出聚己締(PE;高密度聚己締化DPE)、低密 度聚己締仙峭等)、聚丙締肿)、聚对苯二甲酸己二醇醋(PET)、聚離膳牌脚、聚酷亚胺 (PI)、聚酷胺酷亚胺(PAI)、聚酷胺(PA)、聚四氣己締(PT阳)、苯己締-了二締橡胶(SBR)、 聚丙締膳(PAN)、聚丙締酸甲醋(PMA)、聚甲基丙締酸甲醋(PMMA)、聚氯己締(PVC)、聚偏二 氣己締(PVdF)、或聚苯己締(P巧等。该种非导电性高分子材料可W具有优异的耐电位性或 耐溶剂性。
[0077] 上述导电性高分子材料或非导电性高分子材料中可W根据需要添加导电性填料。 特别是作为集电体的基材的树脂仅由非导电性高分子组成时,为了对树脂赋予导电性,必 然需要导电性填料。
[0078] 导电性填料只要是具有导电性的物质就可W没有特别限制地使用。例如,作为导 电性、耐电位性、或裡离子阻隔性优异的材料,可列举出金属和导电性碳等。作为金属,没有 特别限制,优选包含选自由Ni、Ti、A1、化、Pt、化、化、Sn、化、In、訊和K组成的组中的至少 1种金属或者含有该些金属的合金或金属氧化物。另外,作为导电性碳,没有特别限制。优 选包含选自由己诀黑、VULCAN、BLACK-PEA化、碳纳米纤维、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角、碳 纳米空屯、球和富勒締组成的组中的至少1种。
[0079] 导电性填料的添加量只要为能够对集电体赋予充分的导电性的量就没有特别限 审IJ,通常为5~35质量%左右。
[0080] < 负极〉
[0081] 本实施方式的负极的特征在于,包含集电体、W及配置于前述集电体的表面的包 含特定的负极活性物质、导电助剂、粘结剂的电极层,前述集电体的弹性伸长率为1. 30%W 上。
[0082][负极活性物质层]
[0083] 负极活性物质层15包含负极活性物质,根据需要进一步包含其它添加剂。
[0084](负极活性物质)
[0085] 负极活性物质包含规定的合金。
[0086] 合金
[0087] 本实施方式中,前述合金由下述化学式(1)表示。
[0088] SixSriyMzAa(1)
[008引上述式(1)中,M为选自由A1、V、C、化及它们的组合组成的组中的至少1种金属。 另外,A为不可避免的杂质。进而,X、y、Z和a表示质量%的值,此时,0<x<100,0<y<100, 0知<100,并且0《a<0. 5,x+y+z+a= 100。另外,本说明书中,前述"不可避免的杂质"是 指,对于Si合金,存在于原料中、或者在制造工序中不可避免地混入的物质。该不可避免的 杂质原本是不需要的,但是,由于其为微量,对Si合金的特性不造成影响,因此是可允许的 杂质。
[0090] 本实施方式中,作为负极活性物质,通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2 添加元素的M(选自由A1、V、C、W及它们的组合组成的组中的至少1种金属),能够在Li合 金化时抑制非晶-晶体的相变,提高循环寿命。另外,由此,与现有的负极活性物质、例如碳 系负极活性物质相比,成为高容量的负极活性物质。
[0091] 此处,在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变是因为,Si材料中Si与Li进行合金 化时,自非晶状态向晶体状态转变,发生较大的体积变化(约4倍),因此颗粒自身崩坏,失 去作为活性物质的功能。因此,通过抑制非晶-晶体的相变,能够抑制颗粒自身的崩坏,保 持作为活性物质的功能(高容量),还能够提高循环寿命。通过选择上述第1添加元素和第 2添加元素,能够提供高容量且具有高循环耐久性的Si合金负极活性物质。
[0092] 如上所述,M为选自由A1、V、C、W及它们的组合组成的组中的至少1种金属。因 此,W下分别说明SixSriyAlzAa、SixSriyVzAa和SixSriyCzAa的Si合金。
[0093] SixSriyAlzAa
[0094] 上述Si,SnyAl,A。如上所述通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2添加元素 的A1,从而能够在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变,提局循环寿命。另夕h,由此,与现有 的负极活性物质、例如碳系负极活性物质相比,成为高容量的负极活性物质。
[0095] 上述合金的组成中,优选的是,X为12W上且低于100,前述y大于0且为45W 下,前述Z大于0且为43W下。需要说明的是,该合金的组成由图3的阴影部分表示。通 过具有上述组成,从而不仅表现出高容量,而且在50个循环后、100个循环后也可W维持高 放电容量。
[0096] 需要说明的是,从使该负极活性物质的上述特性更良好的观点出发,优选如图4 的阴影部分所示那样,前述X为31W上。另外,更优选的是,如图5的阴影部分所示,进一 步将前述X设为31~50的范围。进一步优选的是,如图6的阴影部分所示,进一步将前述 y设为15~45、将前述Z设为18~43的范围。最优选的是,进一步将前述X设为16~45 的范围。
[0097] 需要说明的是,A如上所述为源自原料、制法的上述3成分W
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