锂二次电池制造技术

本发明专利技术揭示一种锂二次电池，提供电流特性优异的高容量的锂二次电池。本发明专利技术的锂二次电池的发电元件部由正极、负极及电解质为主构成，正极和负极的至少一方包含有不参与电池的充放电反应的陶瓷。以此使电极的离子电导率得以提高，因此降低了电池的内部电阻，可得到在高功率发电时有更高容量的锂电池。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂二次电池，特别是其电极。锂电池，其中充电式的锂电池，作为具有高电压、高能量密度的新型二次电池，近年来受到大量开发研究。在初期研究中，负极使用金属锂的锂二次电池作为高能量密度的电池受到很大的期待。但是，在负极使用金属锂时，充电时生成的树枝状锂(树枝状结晶)因电池充放电而生长，引起电池内部短路，更引起电池的异常升温的问题。这样的安全方面的问题尚未得到解决。为了解决上述问题，不单独使用金属锂，而试着使用了铝、铅、铟、铋、镉等低熔点金属与锂的合金作为负极。但是在这种情况下，也有随着充放电发生微细化的金属贯穿隔离层，导致内部短路等问题得不到解决，实用上存在困难。另一方面，作为解决上述问题的方法，最近，负极使用碳，正极使用含锂过渡金属化合物的锂二次电池成了主流。这类电池由于利用负极的碳吸、放锂离子进行充放电，不伴随充电产生树枝状晶体。从而能够做成具有良好的充放电特性，安全性能也优异的电池。如前所述，现在锂二次电池使用碳作为活性物质，利用碳吸、放锂离子进行充放电。在这样使用粉末作为活性物质的情况下，电池负极要求的主要条件有，碳本身的吸、放锂离子的能力，同时还有在电池的有限的体积中能够装入多少数量的碳的充填性能。锂二次电池通常将在作为集电体的金属薄膜的两面或一面涂布碳与粘接剂的混合胶作为极板的的材料烘干后压延形成电极。在这样具有高充填性能的高容量型极板中，使存在于活性物质的晶界的有限的间隙中的离子传导更快在技术上是重要的。也就是说，由于在负极内部离子得以更加顺利地扩散，减少电极的内部电阻，在高效率放电时也有高容量的锂电池有可能实现。也在进行着使用聚合物电解质代替有机电解液作为电解质的锂二次电池的研究，作为小型、重量轻，而且形状也可以自由选择的下一代锂电池受到人们的关注。可是聚合物电解质的离子电导率大约为10-4s/cm，与有机电解液相比低两个数量级左右。因此，为了得到与有机电解液相同程度的电导率，采用了使聚合物中浸渍有机电解液的凝胶电解质。凝胶电解质用例如日本专利特开平5-109310号公报所述的如下方法制造。将由作为光交联性聚合物的聚二丙烯酸乙二醇酯、作为光交联性单体的三羟甲基丙烷乙氧基化物的三丙烯酸酯、作为电解液溶剂的碳酸亚丙基酯，和聚氧化乙烯、作为电解质盐的LiCF3SO3等构成的混合溶液涂布在平板上，对其照射电子射线以使单体聚合硬化，得到柔软、透明胶片状的凝胶电解质。在凝胶电解质中离子传导大半是通过电解液相进行的，因此在室温下可以得到3×10-3s/cm左右的高离子传导率。锂聚合物二次电池使用聚合物电解质取代通常的电池使用的隔离层，使电解质与正极和负极粘接构成电池。在使用有机电解液的通常的锂电池的情况下，正极由于在使用活性物质和导电剂、粘接剂形成的材料中浸渍电解液，在与活性物质之间的界面可得到良好的电化学界面。但是，固体状态的凝胶电解质由于没有流动性，难于浸透到电极内部。因此预先制作在电极内含有聚合物电解质的复合电极，使其与聚合物电解质粘接制作电池。但是如上所示的已有的凝胶状聚合物电解质以含有有机电解液为特征，虽然是显示出高离子传导的聚合物电解质，但是在特性上迄今为止尚未达到有机电解液的水平。而在将该聚合物电解质导入电极中构成电池的情况下，由于电解质本身的离子传导性能低下，电极的内部电阻增大，电池的充放电容量明显受到损害。由于以上的原因，为了制作高容量电池，必须提高电极内聚合物电解质的离子传导率，构成内部电阻低的电池。本专利技术是为解决这样的问题而作出的，提出高容量的新型锂二次电池。本专利技术的目的在于降低锂电池的电极内部电阻。而且本专利技术的又一目的在于谋求在高效率放电的情况下得到高容量。为了达到这些目的对电极和电解质作了研究。其结果是，本专利技术的锂二次电池由正极、负极和电解质构成，正极和负极的至少一方包含不参加电池的充放电反应的陶瓷。采用本专利技术，在正极和/或负极中混合有陶瓷，因此使离子导电性提高，而降低电极的内部电阻。把这锂电池用的正、负电极及电解质加以组合，可以得到在特别高效率的放电中具有高容量的锂二次电池。而且同时在极板中添加陶瓷，也可以谋求提高极板的强度，特别是使得制造充放电寿命优异的锂二次电池成为可能。日本专利特开平8-509100号公报报道了在电解质中添加氧化铝或硅烷化的二氧化硅飞粉那样的无机材料，使隔离膜的机械强度增加及电解质吸收水平上升的情况，但是与电极中含有陶瓷的本专利技术是结构不同的专利技术，而且是与以提高离子传导率，降低电池的内部电阻为目的的本专利技术在目的、作用及效果上都不相同的专利技术。又，日本专利特开平7-235293号公报报道了使用以周期表的IV-B族或V-B族的半金属为主的化合物掺杂的活性物质，提高电子导电性的情况。这是负极的活性物质本身的改性，与本专利技术目的、手段都不同。日本专利特开平7-153495号公报报道了正极中添加混合有Al2O3、In2O3、SnO2、ZnO，日本专利特开平7-153496号公报报道了正极中添加混合BaO、MgO、CaO，在充电状态锂离子脱掺杂的正极活性物质稳定性提高，容量随着充放电循环而下降的情况得以改善的情况。这是在正极进行添加，谋求提高正极活性物质的稳定性，与在锂电池负极进行添加的本专利技术在结构上根本不同，作用、目的也不同。附图说明图1是本专利技术一实施例的锂聚合物二次电池的发电元件部的纵剖面图。图2是本专利技术另一实施例的锂聚合物二次电池的发电元件部的纵剖面图。图3是锂聚合物二次电池的放电容量与放电电流密度的关系图。图4是锂聚合物二次电池的放电容量与放电电流密度的关系图。图5是放电容量与在正极中混合的Al2O3颗粒的添加率的关系图。图6是放电容量与在正极中混合的Al2O3颗粒的颗粒直径的关系图。图7是本专利技术的锂二次电池的纵剖面图。图8是锂二次电池的放电曲线图9是锂二次电池的速率特性图。图10是本专利技术一实施例的锂聚合物二次电池的发电单元部的纵剖面图。图11是锂聚合物二次电池的放电容量与放电速率的关系图。本专利技术是使用在正极及负极的至少一方含有陶瓷的电极的锂二次电池。由于电极内部含有陶瓷，可以做成离子传导率提高，内部电阻低的锂二次电池。其结果是，能够得到可高效率充放电，容量更高的锂二次电池。所述陶瓷使用Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO及Na2O构成的一群氧化物中选择出的至少一种。而且陶瓷是颗粒，使用其粒径小于10微米的颗粒。这是考虑到参加锂离子的传递的是陶瓷颗粒所具有的表面多孔部，更详细地说是多孔体，使用粒径小、表面积大的陶瓷颗粒能够得到更加有效的离子扩散能。陶瓷的含量为，活性物质100对陶瓷0.01～20的重量比。由于陶瓷的存在提高了电极的离子传导性能，其效果从0.01的重量比以上开始出现，而在电极中大量存在陶瓷，则作为离子的传递通道的电解质体积大大减少，因此混合于电极中的所述陶瓷的比例在20重量比以下是适当的。10重量比更合适，这时可以得到高容量的锂二次电池。本专利技术是正极和负极的至少一方含有聚合物电解质的锂二次电池。固体状态的电解质由于没有流动性难于浸透到电极中，所以预先使电极内含有电解质而做成复合电极，提高离子电导率。又，聚合物电解质是使用将聚合物和锂盐溶解而成的有机电解液构成的凝胶状聚合物电解质，以此使电解质的离子电导率得以提高。而且在聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂聚合物二次电池，其特征在于，发电元件部以正极、负极及电解质为主构成，所述正极和负极的至少一方包含不参与电池的充放电反应的陶瓷。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：石田明子，西村贤，小川昌彦，江田信夫，北川雅规，酒井哲久，
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]