锂电池的电极结构的制作方法
【专利摘要】本发明有关于一种锂电池的电极结构。锂电池的电极结构包括一集电体、至少一能量活物层以及至少一功率活物层，能量活物层和功率活物层形成于集电体上。能量活物层包括一第一含锂化合物和多个第一导电粒子，功率活物层包括一第二含锂化合物和多个第二导电粒子。第一含锂化合物和第二含锂化合物为含锂复合过渡金属氧化物，第一含锂化合物和第二含锂化合物的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一。第二含锂化合物的锂离子扩散系数(lithium?iondiffusion?coefficient)大于第一含锂化合物的锂离子扩散系数，第一含锂化合物的单位克电容量(specific?capacity)大于第二含锂化合物的单位克电容量。
【专利说明】锂电池的电极结构
【技术领域】
[0001]本
【发明内容】
是有关于一种锂电池的电极结构，且特别是有关于一种具有能量活物层及功率活物层的锂电池的电极结构。
【背景技术】
[0002]随着油价持续高涨与节能减碳的考虑，电动车逐渐成为市场的新宠儿，其中包含油电混合车(含插电式)与纯电动车。纯电动车动力系统主要藉由电池模块性质、电源单元控制及马达传输等三大元件组合而成，而其中车用电池为电动车主要核心动力来源。换句话说，一台电动车效能优劣紧系于电池性能的优劣上。
[0003]目前，锂电池常用于车用电池中，因此，相关业者均致力于研究以提高锂电池的能量密度、功率密度、安全性与寿命等要求，并致力于降低成本，进而提高车用电池的效能及寿命。
【发明内容】
[0004]本
【发明内容】
有关于一种锂电池的电极结构。锂电池的电极结构包括由至少一能量活物层及至少一功率活物层构成的多层结构，其中能量活物层的第一含锂化合物搭配功率活物层的第二含锂化合物的高锂离子传输效能的特性，使得锂电池的电极结构可以进行高功率放电，同时尚可延长锂电池的电极结构的循环寿命。
[0005]根据本
【发明内容】
的一实施例，提出一种锂电池的电极结构。锂电池的电极结构包括一集电体、至少一能量活物层以及至少一功率活物层，能量活物层和功率活物层形成于集电体上。能量活物层包括一第一含锂化合物和多个第一导电粒子，功率活物层包括一第二含锂化合物和多个第二导电粒子。第一含锂化合物和第二含锂化合物为含锂复合过渡金属氧化物，第一含锂化合物的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一，第二含锂化合物的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一。第二含锂化合物的锂离子扩散系数(lithium iondiffusion coefficient)大于第一含锂化合物的锂离子扩散系数。第一含锂化合物的单位克电容量(specific capacity)大于第二含锂化合物的单位克电容量。
[0006]为了对本
【发明内容】
的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1绘示本
【发明内容】
的第一实施例的锂电池的电极结构的示意图；
[0008]图2绘示本
【发明内容】
的第二实施例的锂电池的电极结构的示意图；
[0009]图3绘示本
【发明内容】
的第三实施例的锂电池的电极结构的示意图；
[0010]图4绘示本
【发明内容】
的第四实施例的锂电池的电极结构的示意图；
[0011]图5绘示本
【发明内容】
的第五实施例的锂电池的电极结构的示意图。
[0012]其中，附图标记:[0013]100、200、300、400、500:锂电池的电极结构
[0014]110:集电体
[0015]IlOa:集电体的第一表面
[0016]IlOb:集电体的第二表面
[0017]120、120’、220、220’:能量活物层
[0018]130、130’、230、230’:功率活物层
[0019]T1、T2:厚度
【具体实施方式】 [0020]本
【发明内容】
的实施例中，锂电池的电极结构包括由至少一能量活物层及至少一功率活物层构成的多层结构，其中能量活物层的第一含锂化合物搭配功率活物层的第二含锂化合物的高锂离子传输效能的特性，使得锂电池的电极结构可以进行高功率放电，同时尚可延长锂电池的电极结构的循环寿命。以下参照所附图式详细叙述本
【发明内容】
的实施例。图式中相同的标号用以标示相同或类似的部分。需注意的是，图式已简化以利清楚说明实施例的内容，实施例所提出的细部结构仅为举例说明之用，并非对本
【发明内容】
欲保护的范围做限缩。具有通常知识者当可依据实际实施态样的需要对这些结构加以修饰或变化。
[0021]图1绘示本
【发明内容】
的第一实施例的锂电池的电极结构的示意图。请参照图1，锂电池的电极结构100包括集电体110、至少一能量活物层120及至少一功率活物层130，能量活物层120及功率活物层130形成于集电体110上。能量活物层120包括一第一含锂化合物和多个第一导电粒子，第一含锂化合物例如是含锂复合过渡金属氧化物，此含锂复合过渡金属氧化物(第一含锂化合物)的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一。功率活物层130包括一第二含锂化合物和多个第二导电粒子，第二含锂化合物例如是含锂复合过渡金属氧化物，此含锂复合过渡金属氧化物(第二含锂化合物)的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一。第二含锂化合物的锂离子扩散系数(lithium ion diffusioncoefficient)大于第一含锂化合物的锂离子扩散系数。第一含锂化合物的单位克电容量(specific capacity)大于第二含锂化合物的单位克电容量。经由至少一能量活物层120及至少一功率活物层130构成的多层结构，其中第一含锂化合物搭配第二含锂化合物的高锂离子传输效能的特性，使得锂电池的电极结构100可以进行高功率放电，同时尚可延长锂电池的电极结构100的循环寿命。
[0022]根据本发明的实施例，锂电池的电极结构100例如是正极。然实际应用时，锂电池的电极结构100可以是正极或负极，本发明并不对此多做限制。
[0023]实施例中，能量活物层120及功率活物层130其中之一形成于另一者之上。一实施例中，如图1所示，功率活物层130形成于能量活物层120上，能量活物层120形成于集电体110和功率活物层130之间。
[0024]实施例中，能量活物层120和功率活物层130的厚度可以相同或是不同。举例来说，能量活物层120和功率活物层130的厚度的比例可以是大约5:5^7:3。一实施例中，如图1所示，能量活物层120的厚度Tl例如是大于功率活物层130的厚度T2。由于能量活物层120相较于功率活物层130具有较高电容量，如此则不至于因为功率活物层130太厚而降低电极结构100整体的电容量，而能够达到电极结构100的高功率及高电容量特性的最佳化。
[0025]实施例中，第一含锂化合物的单位克电容量(specific capacity)例如为大于或等于140毫安培小时/克(mAh/g)。
[0026]实施例中，第一含锂化合物例如包括锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、含锂三元系氧化物及磷酸锂化合物的其中之一或任两种以上的组合。实施例中，含锂三元系氧化物例如是锂镍猛钴氧化物(LiNixMnyCozO2 ;0〈x,y,x〈l)或锂镍钴招氧化物(LiNixCoyAlzO2 ;0〈x, y, x〈l),但不限于此。实施例中，磷酸锂化合物的化学式为LiMPO4，其中M为铁(Fe)、镍(Ni)或锰(Mn)。一实施例中，磷酸锂化合物例如是锂铁磷氧化物(LiFePO4)15实际应用时，第一含锂化合物的种类亦视应用状况作适当选择，并不以上述列举的化合物为限。
[0027]实施例中，第二含锂化合物的锂离子扩散系数(lithium iondiffusioncoeff icient)大于或等于l(T7cm2/s,例如是锂猛氧化物(LiMn2O4,尖晶石结构)或是其他类型的含锂化合物等，第二含锂化合物可为任意具有大于或等于10_7Cm2/S的锂离子扩散系数的含锂化合物的其中之一或任两种以上的组合。一实施例中，第二含锂化合物例如是具有三维网络结构的化合物，具有三维网络结构的化合物例如是具有立方晶系晶格结构的化合物(例如是锂锰氧化物(尖晶石 ))，其离子传导的能力高于一般的层状结构活物材料(例如是锂锰钴镍氧化物)。另一实施例中，第二含锂化合物也可以例如是包括掺杂质的层状结构活物材料，掺杂质可提高层状结构活物材料的离子传导能力。实施例中，锂锰氧化物(LiMn2O4)的锂离子扩散系数大约是10_7cm/s，锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍锰钴氧化物(LiNil73Miv3Cov3O2)的锂离子扩散系数大约是10_8cm/s，锂铁磷氧化物(LiFePO4)的锂离子扩散系数大约是10-lcr-nCm/S。然实际应用时，只要第二含锂化合物的锂离子扩散系数大于第一含锂化合物的锂离子扩散系数即可，其种类亦视应用状况作适当选择，并不以上述列举的化合物为限。
[0028]实施例中，多个第一导电粒子均匀混合于能量活物层120中，多个第二导电粒子均匀混合于功率活物层130中，以达到较佳的电子传导效果。第一导电粒子和第二导电粒子例如分别包括气相成长碳管(vapor grown carbon fiber, VGCF)、导电性碳黑(conductive carbon black)、石墨(graphite)、纳米级导电碳材(nano-sized carbonmaterial)及乙炔黑的其中之一或任两种以上的组合。实施例中，第一导电粒子和第二导电粒子可以选用相同或不同的材料。然实际应用时，第一导电粒子和第二导电粒子的种类亦视应用状况作适当选择，并不以上述列举的种类为限。
[0029]一实施例中，第二导电粒子相对于功率活物层130具有例如是:3-80的重量百分比(wt%)，较佳地，例如是5~50的重量百分比。一实施例中，第二导电粒子的比表面积(specific surface area)例如是10~100平方公尺/克(m2/g),较佳地,例如是20~70平
方公尺/克。
[0030]实施例中，第二导电粒子相对于功率活物层130具有的重量百分比例如是大于第一导电粒子相对于能量活物层120具有的重量百分比。实施例中，功率活物层130中的第二导电粒子具有的比总表面积例如是大于能量活物层120中的第一导电粒子具有的比总表面积。
[0031]实施例中，具有高电容量特性的能量活物层120搭配功率活物层130中的第二导电粒子具有高比表面积与高浓度的特性，能够提升电子传输能力(也就是导电能力)，相较于传统仅具有单层活物层的电极结构，本
【发明内容】
的实施例的电极结构能够达到高功率放电下整体电容量的损失较小的效果。
[0032]一实施例中，第一含锂化合物和第二含锂化合物例如均包括含锂锰化合物，举例来说，第一含锂化合物可选用锂镍锰钴氧化物(LiNia4Mna4Coa2O2)，第二含锂化合物可选用锂锰氧化物(LiMn2O4)。当能量活物层120和功率活物层130的含锂化合物的组成中都含有锰元素时，由于元素相同，在电池运用上具有较高的相容性。并且，锂锰氧化物(LiMn2O4)具有相对高的平台电压，大约是3.9伏特(V)，与常用的锂电池的工作电压亦较相近(一般常用电池的工作电压是3.7伏特)，有利于产品的混合使用与运作。
[0033]此外，实施例中，如图1所示，功率活物层130形成于能量活物层120上，且能量活物层120和功率活物层130均包括含锂锰化合物，锂离子嵌入嵌出造成氧化还原反应，功率活物层130中的含锂锰化合物(例如是锂锰氧化物，LiMn2O4)可预先形成较为稳定的四价锰(Mn4+)层，藉由四价锰层有效保护其下的能量活物层120中具高电容量的含锂锰化合物(例如是锂镍锰钴氧化物)，如此可以减少电极结构整体锰溶解含量，进而使循环寿命提升。再者，由于锰离子三价/四价(Mn3+/4+)的耦合(couple)的化学稳定性与安全性皆优于钴离子三价/四价(Co3+/4+)的耦合，且实施例的双层结构中的锰离子三价/四价(Mn3+/4+)的含量相较于传统仅具有单层活物层的电极结构中较多，有助于提升其于电化学循环过程中的稳定性。
[0034]实施例中，锂电池的电极结构100的能量活物层120和功率活物层130还可分别包括一黏着剂(binder)。实施例中，第一含锂化合物和多个第一导电粒子经由黏着剂而形成能量活物层120，第二含锂化合物和多个第二导电粒子经由黏着剂而形成功率活物层130。
[0035]图2绘示本
【发明内容】
的第二实施例的锂电池的电极结构的示意图。请参照图2，本实施例与图1的实施例的差别在于，锂电池的电极结构200中，功率活物层130形成于集电体110和能量活物层120之间。本实施例中与上述实施例相同的元件沿用同样的元件标号，且相同元件的相关说明请参考上述，在此不再赘述。
[0036]图3绘示本
【发明内容】
的第三实施例的锂电池的电极结构的示意图。本实施例中与上述实施例相同的元件沿用同样的元件标号，且相同元件的相关说明请参考上述，在此不再赘述。
[0037]请参照图3，本实施例与第f 2图的实施例的差别在于，锂电池的电极结构300包括两层功率活物层130和130’，功率活物层130和130’形成于集电体110的第一表面IlOa上，能量活物层120形成于二个功率活物层130和130’之间。功率活物层130’的特性、包含的材料类型及其可选用的材料种类均与功率活物层130相同，相关说明请参照上述关于功率活物层130的说明。实际应用时，功率活物层130和功率活物层130’中的含锂化合物种类亦视应用状况作适当选择，可以选用相同或是不同的化合物，只要两者的锂离子扩散系数均大于能量活物层120中第一含锂化合物的锂离子扩散系数即可。
[0038]图4绘示本
【发明内容】
的第四实施例的锂电池的电极结构的示意图。本实施例中与上述实施例相同的元件沿用同样的元件标号，且相同元件的相关说明请参考上述，在此不再赘述。[0039]请参照图4，本实施例与图1的实施例的差别在于，锂电池的电极结构400包括两层能量活物层120和220以及两层功率活物层130和230。两个功率活物层130和230分别形成于集电体110的第一表面IlOa及相对于第一表面IlOa的第二表面IlOb上,两个能量活物层120和220分别形成于集电体110的第一表面IlOa及第二表面IlOb上。一实施例中，如图4所示，两个能量活物层120和220分别位于两个功率活物层130和230与集电体110之间。另一实施例中，两个功率活物层130和230亦可分别位于两个能量活物层120和220与集电体110之间(未绘示)。
[0040]能量活物层220的特性、包含的材料类型及其可选用的材料种类均与能量活物层120相同，功率活物层230的特性、包含的材料类型及其可选用的材料种类均与功率活物层130相同，相关说明请参照上述关于能量活物层120和功率活物层130的说明。实际应用时，能量活物层120、功率活物层130、能量活物层220和功率活物层230中的含锂化合物种类亦视应用状况作适当选择，只要功率活物层130和230的锂离子扩散系数均大于能量活物层120和220中含锂化合物的锂离子扩散系数即可。
[0041]图5绘示本
【发明内容】
的第五实施例的锂电池的电极结构的示意图。请参照图5，本实施例与图4的实施例的差别在于，锂电池的电极结构500还包括两个功率活物层130’和230’分别形成于集电体110的第一表面IlOa和第二表面IlOb上。实施例中，如图5所示，能量活物层120形成于二个功率活物层130和130’之间，能量活物层220形成于二个功率活物层230和230’之间。本实施例中与上述实施例相同的元件沿用同样的元件标号，且相同元件的相关说明请参考上述，在此不再赘述。
[0042]以下就实施例作进一步说明。以下实施例及比较例中，列出电极结构及材质。然而以下的实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本
【发明内容】
实施的限制。
[0043](I)实施例f 2的结构配置:功率活物层130 (锂锰氧化物)/能量活物层120 (锂镍锰钴氧化物)/集电体110。
[0044](2)比较例I的结构配置:单层活物层(锂镍锰钴氧化物)/集电体。
[0045](3)比较例2的结构配置:单层活物层(锂锰氧化物)/集电体。
[0046](4)比较例3的结构配置:单层活物层(锂锰氧化物与锂镍锰钴氧化物均匀混合于单层中)/集电体。
[0047]以下表I中，实施例及比较例的样品的电容量保持率(capacity retention)数据于以下的充放电条件之下所测得:IC(充电至4.2伏特)/1C(放电至2.75伏特)且充放电循环100次。
[0048]表I
[0049]
【权利要求】
1.一种锂电池的电极结构，其特征在于，包括: 一集电体； 至少一能量活物层形成于该集电体上，包括一第一含锂化合物和多个第一导电粒子；以及 至少一功率活物层形成于该集电体上，包括一第二含锂化合物和多个第二导电粒子； 其中，该第一含锂化合物和该第二含锂化合物为含锂复合过渡金属氧化物，该第一含锂化合物的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一，该第二含锂化合物的组成包括镍、钴及锰的至少其中之一，该第二含锂化合物的锂离子扩散系数大于该第一含锂化合物的锂离子扩散系数，该第一含锂化合物的单位克电容量大于该第二含锂化合物的单位克电容量。
2.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该第一含锂化合物的单位克电容量为大于或等于140毫安培小时/克。
3.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该含锂复合过渡金属氧化物为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、含锂三元系氧化物及磷酸锂化合物的其中之一或任两种以上的组合。
4.根据权利要求3所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该含锂三元系氧化物包括锂猛钴镍氧化物(LiMnxCoyNizO2 ；0<x, y, x〈l)和锂镍钴招氧化物(LiNixCoyAlzO2 ；0<x, y,χ<1)的至少其中之一。
5.根据权利要求3所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该磷酸锂化合物的化学式为LiMPO4，其中M为铁、镍或锰。`
6.根据权利要求5所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该磷酸锂化合物为锂铁磷氧化物。
7.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该第二含锂化合物包括锂锰氧化物和具有锂离子扩散系数大于或等于KTcmVs的含锂化合物的至少其中之一。
8.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，所述第一导电粒子和所述第二导电粒子分别包括气相成长碳管、导电性碳黑、石墨、纳米级导电碳材及乙炔黑的其中之一或任两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，所述第二导电粒子相对于该功率活物层具有3~80的重量百分比。
10.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，所述第二导电粒子的比表面积为10-100平方公尺/克。
11.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，所述第二导电粒子相对于该功率活物层具有的重量百分比大于所述第一导电粒子相对于该能量活物层具有的重量百分比。
12.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，位于该功率活物层中的所述第二导电粒子的比总表面积大于位于该能量活物层中的所述第一导电粒子的比总表面积。
13.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该能量活物层的一厚度大于该功率活物层的一厚度。
14.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该能量活物层形成于该集电体和该功率活物层之间。
15.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该功率活物层形成于该集电体和该能量活物层之间。
16.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该至少一功率活物层的数量为二层，该二功率活物层形成于该集电体的一第一表面上，该能量活物层形成于该二功率活物层之间。
17.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该至少一功率活物层的数量为二层，该至少一能量活物层的数量为二层，该二功率活物层分别形成于该集电体的一第一表面及相对于该第一表面的一第二表面上，该二能量活物层分别形成于该集电体的该第一表面及该第二表面上。
18.根据权利要求1所述的锂电池的电极结构，其特征在于，该至少一功率活物层的数量为四层，该至少一能量活物层的数量为二层，该二能量活物层分别形成于该集电体的一第一表面及相对于该第一表面的一第二表面上，该四功率活物层其中的二形成于该集电体的该第一表面上，该四功率活 物层其中的其余二者形成于该集电体的该第二表面上。
【文档编号】H01M4/131GK103872286SQ201210553893
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】朱文彬, 刘达人, 陈振崇, 陈立群, 曾诗存, 温恕恒, 杨长荣 申请人:财团法人工业技术研究院