锂电池和可再充电锂电池中用的电极制造技术

用于锂电池的一种电极，具有吸收／放出锂的活性材料薄膜，诸如在集电器上提供的微晶硅薄膜或无定形硅薄膜，其特征在于，通过在厚度方向切割成柱而分割薄膜，并且每个柱的底部与集电器紧密接触。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在锂电池中使用的一种新颖的电极、利用该电极的锂电池以及可再充电锂电池。
技术介绍
近来，加强研究和发展可再充电锂电池的电池性能，诸如，充电—放电电压、循环寿命特性或蓄电特性，大多与所使用的电极有关。这已经导致试图通过改进电极活性材料来得到较佳电池性能。使用金属锂作为负活性材料虽然可能构成具有每单位重量和容积能量密度高的电池，但是存在一个问题，即，在充电时沉积的锂会生成枝状晶体，它可能导致内部短路。报导一些可再充电锂电池(Solid State Ionics，113-115，p57(1998))，这些电池使用铝、硅锡等构成的电极，在充电时，与锂通过电化学混合。尤其，硅电极提供特别高的理论容量，而且正允许作为高容量负电极。为了这个原因，推荐使用硅作为负电极的各种可再充电锂电池(日本专利公开平10-255768号)。然而，这种混合物负电极由于作为电极活性材料的混合物本身在充电和放电时变成粉末而降低了电流收集能力，不能提供足够的循环特性。本专利技术的揭示本专利技术的目的是提供一种新颖的电极，当把它作为可再充电锂电池的电极使用时，它可以提供高的充电—放电容量以及优良的充电—放电循环特性；并且还提供使用新颖电极的锂电池和可再充电锂电池。本专利技术是在锂电池中使用的一种电极，其特征在于，包括在集电器上提供的薄膜，其中，薄膜包括能够存储和释放锂的活性材料，并通过形成在其上并且向它的厚度方向延伸的间隙分割成许多柱，柱状部分的底部粘合到集电器上。在本专利技术中，由活性材料构成的薄膜通过形成在其上并且在它的厚度方向延伸的间隙分割成柱，以致按以诸如围绕柱状部分的方式提供间隔。这些间隔的作用是在充电和放电时减轻由于薄膜的膨胀和收缩而引起的应力，从而防止应力增加到导致薄膜从集电器上脱落的程度。相应地，可以保持柱状部分的底部粘合在集电器上。在本专利技术中，最好通过间隙把薄膜厚度部分的至少一半分割成柱。即，最好通过间隙把占据薄膜厚度的至少一半的薄膜厚度部分分割成柱。还有，在薄膜的表面上形成凹凸不平和在薄膜上形成的间隙是从凹凸不平的凹陷处开始的情况下，可以按每个柱部分包围薄膜表面上的凹凸不平的至少一个凸出部分的方式形成间隙。可以按使每个柱部分包围多个凸出部分的方法来形成间隙。在本专利技术中，在第一或接着的充电—放电循环期间，可以在薄膜上形成间隙。说明这种情况，在充电—放电之前，可以提供薄膜表面上具有凹凸不平的薄膜。在第一或接着的充电—放电循环中，形成从薄膜表面上的凹凸不平的凹陷处开始的间隙，以把薄膜分割成柱。可以形成在薄膜表面上的凹凸不平，使其形状基本上与下面的集电器表面上的形状符合。即，当把薄膜放置在凹凸不平表面时，集电器上面也可以有这种凹凸不平。集电器的表面粗糙度Ra(粗糙度平均值)最好是0.01μm或更大，更好的是在0.01-1μm的范围内，最好是在0.05-0.5μm的范围内。例如，在日本工业标准(JIS B 0601-1994)中规定的表面粗糙度Ra可以通过表面粗糙度计测量。在本专利技术中，最好集电器的表面粗糙度Ra满足关系式Ra≤t，其中，t是活性材料薄膜的厚度。还最好，集电器的表面粗糙度Ra和分布的局部峰的平均间隔S满足关系式100Ra≥S。例如，在日本工业标准(JIS B 0601-1994)中规定可以通过表面粗糙度计测量分布的局部峰的平均间隔S。例如，在集电器表面上的凸出部分的形状不作出特别规定，但是最好基本上是锥形的。最好，凸出部分具有圆形的顶部，使之在充电—放电期间适合于避免局部电流集中。在本专利技术中，在活性材料构成的薄膜上形成间隙，以在它的厚度方向上延伸。可以在第一或接着的充电—放电循环中形成这种间隙，或另一方面，在充电—放电之前预先形成。示出在薄膜经受充电—放电过程之前在薄膜中形成这种间隙的一种方法，在把电极的薄膜安装到电池中之前，允许它存储锂，然后释放锂或诸如此类，以致使薄膜的体积膨胀，然后收缩，从而形成间隙。在使用无锂活性材料作为正电极的示例情况中，可以进行带有把锂存储在薄膜中的安装。还有，可以使用通过光刻法形成图案的保护膜以平板印刷的方式完成由间隙把薄膜分割成柱。根据本专利技术，可以从一种或多种材料形成活性材料薄膜，所述一种或多种材料能够与锂产生化合物或固溶体，例如，从周期表的IIB、IIIB、IVB和VB族的元素中，以及周期表的周期4阶、周期5和周期6的过渡金属元素的氧化物和硫化物中，选择的至少一种元素。在本专利技术中，可以与锂产生化合物或固溶体的周期表的IIB、IIIB、IVB和VB族的元素的例子包括碳、铝、硅、磷、锌、镓、锗、砷、镉、铟、锡、锑、汞、铊、铅和铋。周期表的周期4、周期5和，周期6的过渡金属元素的特别例子包括钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、镧系列元素、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金和汞。上面列出的元素中较佳的是从碳、硅、锗、锡、铅、铝、铟、锌、镉、铋和汞中选择的至少一个。硅和/或锗是更佳的。一般，通过硅的结晶性把硅粗略地分类成无定形(amorphous)硅、微晶硅、多晶硅和单晶硅。这里所使用的术语“非结晶硅”的意思是包括无定形硅和微晶硅，而排除多晶硅和单晶硅。当拉曼(Raman)光谱测定法检测到确定结晶区域的特征的约520cm-1处基本上没有峰时，把硅识别为无定形硅，当Raman光谱测定法检测到相应于结晶区域的约520cm-1处以及表示无定形区域的约480cm-1处基本上存在峰时，把硅识别为微晶硅。因此，微晶硅基本上包括结晶区域和无定形区域。当Raman光谱测定法检测到相应于无定形区域的约480cm-1处基本上没有峰时，把硅识别为单晶硅或多晶硅。在本专利技术中，对于活性材料薄膜最好使用微晶或无定形形式的硅薄膜。除了上述硅薄膜之外，最好还可以使用锗薄膜或硅—锗混合薄膜作为本专利技术中的薄膜。最好使用无定形或微晶形式的锗薄膜。最好使用微晶或无定形形式的硅—锗混合薄膜。可以相似地使用施加到硅薄膜的上述过程来确定锗和硅—锗混合薄膜的微晶或无定形特性。在本专利技术中，发现可以相互混合而形成均质的固溶体的硅和锗可以提供优良的结果。相应地，可以相信，使用它们的混合物，即，硅—锗混合物，可以得到相似的结果。在本专利技术中，可以通过各种方法在集电器上形成薄膜，例如，所述各种方法包括CVD、喷涂、蒸气蒸发、溅射和电镀处理。在这种薄膜形成方法中特别推荐的是CVD、喷涂和蒸气蒸发处理。不特别指定在本专利技术中使用的集电器的类型，只要它保证较好地粘合到活性材料涂覆薄膜。尤其，例如，集电器可以包括从铜、镍、不锈钢、钼、钨和钽中选择的至少一种。集电器最好是薄的，因此最好是金属箔的形式。最好集电器包括不能够与锂形成混合物的材料，尤其，最好是铜。集电器最好是铜箔形式的，最好所述铜箔的表面是粗糙的。这种铜箔的典型例子是电解铜箔。例如，从包括铜离子的电解得到电解铜箔把金属鼓浸在电解溶剂中并转动。引入电流，导致铜沉积在鼓的表面上。然后，从鼓取下沉积的铜而得到电解铜箔。可以在电解铜箔的一面或两面把它的表面弄成粗糙，或经受其它的表面处理。可以使用成卷的铜箔作为集电器，所述铜箔通过电解过程在其表面上沉积铜而把其表面弄粗糙。还有，在集电器和活性材料薄膜之间可以提供隔层。在这种情况下，隔层最好包括一种材料，这种材本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于锂电池的一种电极，具有有锂存储和释放能力并且在集电器上提供的活性材料构成的薄膜； 所述电极的特征在于，通过在薄膜的厚度方向延伸的方式形成在薄膜上的间隙而把薄膜分割成柱，并且所述柱状部分的底部粘合到所述集电器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：池田博昭，藤本正久，藤谷伸，岛正树，八木弘雅，樽井久树，黑河宏史，浅冈贤司，松田茂树，堂本洋一，大下竜司，加藤善雄，中岛宏，
申请(专利权)人：三洋电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]