无集电器的电极和包括该电极的二次电池制造技术

本文披露了一种不包括金属膜型集电器的用于电池的电极，其中所述电极被配置为具有芯‑壳结构，所述芯‑壳结构包括含电极活性材料的芯、以及涂覆或掺杂在所述芯的表面上的金属材料，以及披露了一种具有增加的容量和能量密度并表现出改善的寿命特性的二次电池。

Electrode without collector and secondary battery including the electrode

An electrode for battery is disclosed, which does not include a metal film collector, wherein the electrode is configured with a core-shell structure, the core-shell structure includes a core containing an electrode active material, and a metal material coated or doped on the surface of the core, and a second electrode with increased capacity and energy density and improved life characteristics is disclosed Secondary battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无集电器的电极和包括该电极的二次电池
本申请要求于2017年7月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2017-0091275号的权益，通过引用将上述专利申请的公开内容作为整体结合在此。本专利技术涉及无集电器的电极和包括该电极的二次电池，且更具体地涉及一种配置为具有芯-壳结构的电极，所述芯-壳结构包括含电极活性材料的芯以及涂覆或掺杂在芯的表面上的金属材料，以及一种包括该电极的二次电池。
技术介绍
一般而言，存在各种各样的二次电池，诸如镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池。此类二次电池已被用在需要高输出的大型产品中，诸如电动车辆和混合动力电动车辆、用于存储剩余电力或新能源和可再生能源的储能设备和备用储能设备，以及小型产品，诸如数码相机、便携式数字多功能光盘(P-DVD)播放器、移动电话、可穿戴装置(WearableDevice)、便携式游戏装置(PortableGameDevice)、电动工具(PowerTool)和电动自行车(E-bike)。锂二次电池通常包括正极(阴极,cathode)、隔板(Separator)和负极(阳极,Anode)。考虑到电池的寿命、充电和放电容量、温度特性和安全性来选择正极、隔板和负极的材料。随着对具有大容量和高效率的二次电池的需求增加，已经进行了各种尝试来增加电池的容量和能量密度。然而，在电池单元的内部空间减小的情况下，气体不能从电池单元快速地排出，由此电池单元可能容易爆炸。在负载的电极混合物的量增加的情况下，锂离子移动路径的长度增加，从而使电池单元的寿命降低。具体地，日本专利申请公开第2011-210490号披露了一种电极活性材料，其包含芯颗粒和涂覆在每个芯颗粒表面上的导电碳材料，其中每个芯颗粒包括磷酸锂复合过渡金属氧化物，中国专利申请公开第102651476号披露了一种正极，其配置为使得包括具有在碳的表面上涂覆硅的结构的硅-碳复合正极活性材料的正极浆料被施加到铜箔上，韩国专利申请公开第2015-0101873号披露了一种正极活性材料，其具有包括在芯上形成的硫(S)组分的涂层。然而，在上述公开中披露的专利技术中，使用了通用电极，其被配置为具有其中电极活性材料被施加到电极集电器的结构。此外，日本专利申请公开第2008-258031号披露了一种不具有电极集电器的电极。然而，由于仅使用导电聚合物材料作为电极活性材料，因此不可能提出针对使用常规锂过渡金属氧化物的技术方案。韩国专利申请公开第2011-0100114号披露了构成不具有电极集电器的电极的微尺度活性材料颗粒，其中微尺度活性材料颗粒以颗粒或楔形的形式存在，并且其中微尺度活性材料颗粒包括至少一种活性材料和至少一种非活性材料两者。然而，由于微尺度活性材料颗粒被配置为具有其中用作集电器的电极颗粒难以彼此电连接的结构，因此电池的性能较低，并且由于制备单独的多孔材料作为核心，因此电池的结构复杂。因此，迫切需要能够使用常规通用正极活性材料，使得当电池单元膨胀时能够迅速地从电池单元排出气体，从而防止电池单元的寿命减少，并且能够增加电池的容量和能量密度的技术。
技术实现思路
技术问题鉴于上述问题完成了本专利技术，且本专利技术的目的在于提供一种能够使用常规通用正极活性材料，使得当电池单元膨胀时能够迅速地从电池单元排出气体，从而防止电池单元的寿命减少，并且能够增加电池的容量和能量密度的技术。技术方案根据本专利技术的一个方面，上述和其它目的能够通过提供一种不包括金属膜型集电器的用于电池的电极来实现，其中电极被配置为具有芯-壳结构，所述芯-壳结构包括含电极活性材料的芯以及涂覆或掺杂在芯表面上的金属材料。根据本专利技术，可以与不包括在电极中的集电器的体积成比例地增加电极的体积，由此可以提供具有显著增加的容量和能量密度的二次电池。因此，可以解决诸如由于电池单元的内部空间减小所致的电池单元的气体排放效率低而导致的电池单元爆炸的风险增加、以及由于负载的电极混合物的量增加所致的锂离子移动路径的长度增加而导致的电池单元的寿命特性的劣化之类的问题，并且同时可以提供具有大容量和高效率的二次电池。由于根据本专利技术的电极被配置为具有芯-壳结构，所述芯-壳结构包括含电极活性材料的芯以及涂覆或掺杂在芯的表面上的金属材料，因此可以使用常规的电极活性材料，因此，不需要开发新的电极活性材料。此外，由于使用具有金属涂层或金属掺杂层的电极，所以即使省略电极集电器，也可以提供具有高导电性的电极。在具体示例中，考虑到使用电池的装置的诸如容量、体积和成本之类的条件，可以选择性地应用电极。具体地，所述电极可以应用于正极或负极。或者，所述电极可以应用于正极和负极两者。根据本专利技术的电极被配置为具有芯-壳结构。位于电极的芯中的电极活性材料的种类和含量是决定电池性能的因素。也就是说，电池的容量可以根据位于芯中的电极活性材料的含量相对于位于芯的表面上的金属材料的含量的比例而变化。具体地，假设电极表面的厚度是均匀的，在电极尺寸太大的情况下，芯的相对体积增大，而电极表面的相对体积减小。因此，电极具有预定尺寸或更大尺寸是理想的。然而，在电极尺寸太大的情况下，电极混合物层的密度降低，其结果是增加电池容量的效果可能会降低，这是不被希望的。考虑到上述效果，例如，正极的粒径D50可以在3μm至30μm的范围内。在使用石墨基活性材料作为负极的情况下，负极的粒径D50可以在3μm至30μm的范围内。此外，在使用大容量硅基活性材料作为负极的情况下，可以使用具有相对较小尺寸的负极以增加负极混合物的密度。例如，负极的粒径D50可以在2μm至20μm的范围内。此外，考虑到位于芯中的电极活性材料的种类和尺寸，涂覆或掺杂有金属材料的芯的表面的厚度可以在0.01nm至100nm的范围内。根据本专利技术的电极的优点在于可以使用应用于二次电池的常规电极的电极活性材料。例如，根据本专利技术的正极可包括由以下化学式1至3表示的正极活性材料中的至少一种。LiaCo1-xMxO2(1)LiaMn2-yMyO4(2)LiaFe1-zMzPO4(3)在上述化学式中，0.8≤a≤1.2；0≤x≤0.8；0≤y≤0.6；0≤z≤0.5，并且M是选自由Ti、Cd、Cu、Cr、Mo、Mg、Al、Ni、Nb、V和Zr构成的组中的至少一种。也就是说，正极可包括选自由化学式1表示的具有层状结构的锂金属氧化物、由化学式2表示的具有尖晶石结构的锂-锰基氧化物、由化学式3表示的具有橄榄石结构的含锂磷酸盐构成的组中的至少一种。具有层状结构的锂金属氧化物在其种类方面没有特别限制。例如，具有层状结构的锂金属氧化物可以是选自由以下化合物构成的组中的至少一种：锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂钴-镍氧化物、锂钴-锰氧化物、锂锰-镍氧化物、锂-钴-镍-锰氧化物、以及通过将上述元素中的至少一种替换为与上述元素不同的另一种元素或掺杂与上述元素不同的另一种元素而获得的材料。具有尖晶石结构的锂-锰基氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电池的电极，所述电极不包括金属膜型集电器，其中/n所述电极被配置为具有芯-壳结构，所述芯-壳结构包括含电极活性材料的芯以及涂覆或掺杂在所述芯的表面上的金属材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170719 KR 10-2017-00912751.一种用于电池的电极，所述电极不包括金属膜型集电器，其中
所述电极被配置为具有芯-壳结构，所述芯-壳结构包括含电极活性材料的芯以及涂覆或掺杂在所述芯的表面上的金属材料。


2.根据权利要求1所述的电极，其中所述电极是正极和/或负极。


3.根据权利要求2所述的电极，其中所述正极包括由化学式1至3表示的正极活性材料中的至少一种：
LiaCo1-xMxO2(1)
LiaMn2-yMyO4(2)
LiaFe1-zMzPO4(3)
在上述化学式中，0.8≤a≤1.2；0≤x≤0.8；0≤y≤0.6；0≤z≤0.5，并且
M是选自由Ti、Cd、Cu、Cr、Mo、Mg、Al、Ni、Nb、V和Zr构成的组中的至少一种。


4.根据权利要求2所述的电极，其中所述负极包括碳基负极活性材料或硅基负极活性材料。


5.根据权利要求1所述的电极，其中所述金属材料是选自由铝(Al)、铜(Cu)和镍(Ni)构成的组中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的电极，其中所述芯的表面的20％至90％被所述金属材料涂覆或掺杂。


7.根据权利要求1所述的电极，其中所述电极进一步包括导电剂。


8.根据权利要求7所述的电极，其中所述导电剂是选自由天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑和诸如碳纤维或金属纤维之类的导电纤维构成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴世美，金银卿，李龙珠，申善英，金东赫，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR