含有合金材料和石墨材料的负极，该负极赋予非水电解质二次电池高的容量和优异的循环特性。所述负极包括石墨和至少一种能够电化学地吸收和解吸Ｌｉ的合金材料。所述合金材料包括主要由Ｓｉ组成的Ａ相和包括至少一种过渡金属元素和Ｓｉ的金属间化合物的Ｂ相。所述Ａ相和Ｂ相中的至少一种包括微晶区或非晶区。相对于Ａ相和Ｂ相的总重量，Ａ相的重量百分比大于４０％并且不大于９５％。相对于合金材料和石墨的总重量，石墨的重量百分比不小于５０％并且不大于９５％。
【技术实现步骤摘要】
用于非水电解质二次电池的负极和包含该负极的非水电解质二次电池
本专利技术涉及一种容量高且寿命长的非水电解质二次电池。更具体地说，本专利技术涉及对用于非水电解质二次电池的负极的改进。
技术介绍
对能够获得高压和高能密度的锂金属用作非水电解质二次电池的负极已进行了深入研究和开发。在负极中使用石墨材料的锂离子电池目前已商业化，该石墨材料可逆地吸收和解吸锂并提供良好的循环寿命和安全性。然而，使用石墨材料-基负极的电池的实际容量(即，可用容量)约为350mAh/g，非常接近石墨材料的理论容量372mAh/g。因此，只要在负极中使用石墨材料，容量获得显著提高是不容易的。与此同时，随着可以获得越来越多的便携设备，要求用作这些设备的能源的非水电解质二次电池具有较高容量。因此，为了获得较高容量，具有高于石墨容量的负极材料是必须的。作为提供较高容量的材料，目前关注含有硅或锡的合金形成材料(本文后面称之为“合金材料”)。金属元素，例如硅和锡，能够电化学地吸收和解吸锂离子，因此与石墨材料相比能够非常大容量地充电和放电。例如，已知硅具有4199mAh/g的理论放电容量，它比石墨的高11倍。当合金材料吸收锂时，它形成锂合金，例如锂-硅合金或锂-锡合金。锂合金的形成包括其晶体结构改变引起的非常大的膨胀。例如，-->当吸收锂至其最大值时，硅的体积理论上膨胀4.1倍。结果，活性材料，即合金材料，分离并从负极的集电器脱落，由此导致导电率损失并且电池特性降低，特别是高速的放电特性和充电和放电(本文后面称之为“充电/放电”)的循环特性。在为石墨的情况下，由于锂嵌入在石墨层之间(插入反应)，因此其体积仅膨胀1.1倍。为了降低这种膨胀并获得较高容量，广泛地尝试了使用石墨和合金材料的组合。然而，当将石墨和合金材料简单地混合时，合金材料在电极板中的不均匀方向膨胀，这样在合金材料周围的石墨颗粒受到合金材料膨胀产生的应力而移动，由此导致分离。因此，电导率降低并且最终电池的高速的放电特性和充电/放电的循环特性受损，其方式与仅包括合金材料的负极相同。日本特开专利公报2000-357515提出为了降低合金材料的大膨胀的影响并提高电池特性，将硅化物的粒径RSi与碳材料的粒径Rc的比例，即，RSi/Rc比，控制在1或更小。然而，即使这种粒径控制可以降低合金膨胀的影响，它也不能抑制合金材料的颗粒破裂等引起的集电性能的降低等。同样，充电/放电循环使得合金材料的颗粒破裂，由此增加合金材料的表面积。因此，也存在副反应的问题，即，在合金的表面上形成涂布膜。因此，该提议不可行。日本特开专利公报2000-243396提出在碳颗粒中埋入能够电化学地与Li反应的金属颗粒或金属氧化物颗粒。根据该提议，通过将金属颗粒或金属氧化物颗粒固定在碳颗粒的表面上，金属或金属氧化物颗粒因其膨胀的分离得到抑制。在这种情况下，该提议在充电和放电循环的初期非常有效，但是反复膨胀和收缩使得金属颗粒或金属氧化物颗粒与碳颗粒分离。结果，负极的膨胀率增加，并且在整个电极板发生分离。如上所述，为了充分利用高容量合金材料作为负极材料，已对合金材料和石墨材料组合的使用进行了深入检测，但是在足够降低合金-->材料的不均匀膨胀的影响方面没有成功建议。特别是，根据常规建议，在负极的颗粒之间的电导受到破坏，并且合金材料和石墨材料与集电器分离。因此，负极的电导率降低，导致电池特性降低。 专利技术简述鉴于当将石墨材料和含有Si并且能够电化学地吸收和解吸Li的合金材料用作活性材料时产生的上述问题，旨在抑制因合金材料的上述膨胀引起的电池特性的降低，而完成本专利技术。本专利技术涉及一种用于非水电解质二次电池的负极，其包括石墨和至少一种能够电化学地吸收和解吸Li的合金材料。该合金材料包括主要由Si组成的A相和包括至少一种过渡金属元素和Si的金属间化合物的B相。A相和B相中的至少一个包括微晶区或非晶区。相对于A相和B相的总重量，A相的重量百分比大于40％并且不大于95％。相对于合金材料和石墨的总重量，石墨的重量百分比不小于50％并且不大于95％。合金材料优选存在于石墨颗粒之间的间隙中。合金材料优选具有10μm或更小的最大粒径。优选至少一部分所述合金材料通过粘合剂粘合至石墨的表面。合金材料的平均粒径与石墨的平均粒径的比例优选在0.15-0.90的范围内。本专利技术的负极还可以包括辅助导电剂。该辅助导电剂优选具有10m2/g或更大的比表面积。辅助导电剂优选包含具有长宽比为10或更大的碳纤维。优选该碳纤维的至少一端粘合或键合至合金材料，或粘合或键合至石墨。特别优选至少一部分碳纤维的一端粘合或键合至合金材料，而另一端粘合或键合至石墨。通过在烃类气体流中加热合金材料和石墨中的至少一种而获得-->所述的碳纤维。相对于合金材料、石墨和辅助导电剂的总重量，辅助导电剂的重量百分比优选是10％或更低。本专利技术还涉及一种非水电解质二次电池，其包括能够电化学地吸收和解吸Li的正极、负极和非水电解质，其中负极包括石墨和至少一种能够电化学地吸收和解吸Li的合金材料，该合金材料包括主要由Si组成的A相和包括至少一种过渡金属元素和Si的金属间化合物的B相，A相和B相中的至少一个包括微晶区或非晶区。相对于A相和B相的总重量，A相的重量百分比大于40％并且不大于95％，并且相对于合金材料和石墨的总重量，石墨的重量百分比不小于50％并且不大于95％。根据本专利技术，在使用合金材料和石墨材料的组合的负极中，电池特性因合金材料的膨胀引起的受损可以得到抑制。因此，可以获得容量高且循环特性优异的非水电解质二次电池。尽管在附加的权利要求书中具体描述了本专利技术的新特征，然而本专利技术，无论是组织还是内容，以及其它目的和特征，将从以下的详细描述以及附图中得到更好的理解和领会。 附图简述图1是根据本专利技术的一个例证负极的截面的照片(1000倍放大率)；图2是本专利技术的Ti-Si合金材料的XRD图谱；图3是图2除去背景的XRD图谱；和图4是在本专利技术的实施例中制备的圆柱形电池的纵截面图。 专利技术详述本专利技术中能够电化学地吸收和解吸Li的合金材料具有与常规合-->金材料不同的特性。本专利技术的合金材料包括主要由Si组成的A相和包括过渡金属元素和Si的金属间化合物的B相。该合金材料降低膨胀并且抑制因膨胀和收缩引起的最终负极的电导率的降低。因此，用于根据本专利技术的包括该合金材料和石墨的非水电解质二次电池的负极使电池具有高的容量和优异的循环特性。A相是吸收和解吸Li的相，能够电化学地与Li反应。A相可以主要由Si组成，并且优选仅由Si组成。当A相仅由Si组成时，单位重量或单位体积的该合金材料可以吸收和解吸极大量的Li。然而，由于Si本身是半导体，因此它具有差的电导率。因此使A相包括少量的元素，例如磷(P)或氢(H)，或者过渡金属元素是有效的，其量不高于约5重量％。B相包括过渡金属元素和Si的金属间化合物。由于含有Si的金属间化合物对A相的亲和力高，因此在A相和B相之间的界面不可能发生破裂。同样，B相具有比主要由Si组成的相更高的电导率本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于非水电解质二次电池的负极，其包括石墨和至少一种能够电化学地吸收和解吸Ｌｉ的合金材料，所述合金材料包括主要由Ｓｉ组成的Ａ相和包括至少一种过渡金属元素和Ｓｉ的金属间化合物的Ｂ相，所述Ａ相和所述Ｂ相中的至少一种包括微晶区或非晶 区，相对于所述Ａ相和所述Ｂ相的总重量，所述Ａ相的重量百分比大于４０％并且不大于９５％，相对于所述合金材料和所述石墨的总重量，所述石墨的重量百分比不小于５０％并且不大于９５％。
【技术特征摘要】
JP 2004-11-15 330608/20041、用于非水电解质二次电池的负极，其包括石墨和至少一种能够电化学地吸收和解吸Li的合金材料，所述合金材料包括主要由Si组成的A相和包括至少一种过渡金属元素和Si的金属间化合物的B，所述A相和所述B相中的至少一种包括微晶区或非晶区，相对于所述A相和所述B相的总重量，所述A相的重量百分比大于40％并且不大于95％，相对于所述合金材料和所述石墨的总重量，所述石墨的重量百分比不小于50％并且不大于95％。2、根据权利要求1所述的用于非水电解质二次电池的负极，其中所述合金材料存在于所述石墨颗粒之间的间隙中。3、根据权利要求2所述的用于非水电解质二次电池的负极，其中所述合金材料具有10μm或更小的最大粒径。4、根据权利要求1所述的用于非水电解质二次电池的负极，其还包括粘合剂，其中至少一部分所述合金材料通过所述粘合剂粘合至所述石墨的表面。5、根据权利要求1所述的用于非水电解质二次电池的负极，其中所述合金材料的平均粒径与所述石墨的平均粒径的比例在0.15-0.90的范围内。6、根据权利要求1所述的用于非水电解质二次电池的负极，其还包括辅助导电剂，所述辅助导电剂具有10m2/g或更大...
【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤俊忠，长谷川正树，山本辉明，美藤靖彦，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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