二次电池制造技术

提供一种能够改善循环特性、初期充放电特性和膨胀特性的二次电池。该二次电池包括阴极、阳极和电解质溶液。电解质溶液充满设置在阴极和阳极之间的隔离器。阴极的阴极活性材料层包含锂镍基复合氧化物（ＬｉＮｉ１－ｘＭｘＯ２）作为能够吸藏和放出锂离子的阴极活性材料。阳极的阳极活性材料层包含含有硅为构成元素的材料作为能够吸藏和放出锂离子的阳极活性材料。在完全充电状态下，阳极的使用率为２０％至７０％（包括两端值），并且在初期充放电时放电状态下，阳极活性材料层的厚度为４０μｍ以下。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包括电解质以及能够吸藏和放出电极反应物的阴极和阳极的二次电池。
技术介绍
近年来，便携式电子设备如摄像机、数码照相机、移动电话和笔记本个人电脑已经被广泛应用，并且强烈要求降低它们的尺寸和重量并且实现长寿命。因此，作为便携式电子设备的电源，电池，尤其是能够提供高能量密度的小型轻量二次电池已经得到发展。 具体而言，利用吸藏和放出锂离子来进行充放电反应的锂离子二次电池得到实际广泛应用，这是因为这种锂离子二次电池能够提供比铅电池和镍镉电池更高的能量密度。 锂离子二级电池包括含有能够吸藏和放出锂离子的阴极活性材料的阴极、含有能够吸藏和放出锂离子的阳极活性材料的阳极、以及电解质。 广泛使用含有锂和过渡金属元素作为构成元素的复合氧化物作为阴极活性材料。特别地，含有锂和镍以及一种或多种过渡金属元素(除镍外)的锂-镍基复合氧化物吸引了人们的注意力，因为这种基于锂-镍的复合氧化物能够稳定提供高电池容量。锂_镍基复合氧化物通过用一种或多种过渡金属元素替代锂镍复合氧化物(LiNi02)中的部分镍而获得。 同时，广泛使用碳材料如石墨作为阳极活性材料。但是，近年来，随着高性能和多功能的便携式电子设备的发展，要求进一步提高电池容量。因此，含有硅作为主要成分的高容量材料吸引了人们注意。因为硅的理论容量(4199mAh/g)显著高于石墨的理论容量(372mAh/g)，所以期望电池容量由此得到大幅改善。 但是，在高容量材料用作阳极活性材料的情况下，在充放电时吸藏锂离子的阳极活性材料变得高度活泼。因此，电解质易于分解，且部分锂离子易于失活。由此，放电容量易于降低，因此很难获得充分的循环特性和充分的初期充放电容量。此外，由于电解质分解导致在电池中产生气体，膨胀特性有易于降低的倾向。 因此，为了改善诸如循环特性的各种特性，运用了各种手段。特别地，在阳极活性材料中预先吸藏具有0.5%至40% (包括两端值)的阳极容量的部分锂离子(例如，参考日本未审查专利申请公报第2005-085633号)。另外，将阳极中的锂原子对硅原子的比率(Li/Si)设定为0.4以上(例如，参考日本未审查专利申请公报第2005-235734号)。另外，阳极在完全充电状态下的使用率设定为35%至85% (包括两端值)(例如，参考日本未审查专利申请公报第2007-027008号)。
技术实现思路
这些年来，高性能和多功能的便携式电子设备日益发展，并且其电力消耗趋于上升。因此，二次电池趋于频繁反复充放电。因此，为了频繁和安全地使用二次电池，期望进一步改善循环特性、初期充放电特性和膨胀特性。 考虑到前述缺点，在本专利技术中，期望提供能够改善循环特性、初期充放电特性和膨胀特性的二次电池。 根据本专利技术的实施方案，提供一种二次电池，其包括在阴极集流器上具有阴极活性材料层的阴极，在阳极集流器上具有阳极活性材料层的阳极，以及含有溶剂和电解质盐的电解液。阴极活性材料层含有能够吸藏和放出电极反应物并由式1表示的阴极活性材料。阳极活性材料层含有能够吸藏和放出电极反应物并含有硅作为构成元素的阳极活性材料。在完全充电状态下，阳极的使用率为20%至70% (包括两端值)。在初期充放电时的放电状态下，阳极活性材料层的厚度为40 ii m以下。 式l LiNipXMX(V (1) 其中，M是钴、锰、铁、铝、钒、锡、镁、钛、锶、f丐、锆、钼、锝、钌、钽、鸨、铼、镱、铜、锌、钡、硼、铬、硅、镓、磷、锑和铌中的至少一种。x的范围是0. 005 < x < 0. 5。 在完全充电状态下，阳极的使用率Z(X)表示为Z二 (X/Y)X100。在上式中，X代表在完全充电状态下，阳极的单位面积的电极反应物的吸藏量，Y代表能够电化学吸藏至单位面积的阳极中的电极反应物的量。初期充放电时是指不处于电池性能由于过度反复充放电而极度劣化状态的二次电池的充放电状态。具体而言，初期充放电时是指在二次电池制造出来(二次电池尚未充放电)后，充放电循环次数在50次以下的状态。另外，初期充放电时是指充放电l次所获得的放电容量与随后充放电1次所获得的放电容量之间的比率(放电容量保持率(%)=(后一次放电容量/前一次放电容量)X100)为95%以上的状态。在此情况下，阳极活性材料层的厚度是阳极集流体的单面侧上的厚度。 根据本专利技术实施方案的二次电池满足以下四个条件A到D : A.阴极的阴极活性材料层含有能够吸藏和放出电极反应物并由式1表示的阴极活性材料。 B.阳极的阳极活性材料层含有能够吸藏和放出电极反应物并含有硅作为构成元素的阳极活性材料。 C.在完全充电状态下，阳极的使用率为20%至70% (包括两端值)。 D.在初期充放电时的放电状态下，阳极活性材料层的厚度为40 ii m以下。 因此，在充放电时，在确保高能量密度的同时，抑制了电解质的分解和阳极活性材料层的脱落等。因此，可以改善循环特性、初期充放电特性和膨胀特性。 根据以下说明将更全面显示本专利技术的其它和进一步的目的、特征和优点。附图说明 图1为示出根据本专利技术第一实施方案的二次电池结构的截面图； 图2是示出沿图1所示的二次电池的线II-II所截取的结构的截面图； 图3A和3B是分别示出图1所示阳极的截面结构的SEM照片及其示意图； 图4A和4B是分别示出图1所示阳极的另一截面结构的SEM照片及其示意图； 图5为示出根据本专利技术第二实施方案的二次电池结构的截面图； 图6是示出图5所示的螺旋巻绕电极体的放大部分的截面7 图7是示出根据本专利技术第三实施方案的二次电池结构分解透视图； 图8示出沿图7所示的螺旋巻绕电极体的线VIII-VIII所截取的结构的截面图； 图9是示出使用率和放电容量保持率/初期放电效率之间关系的图表(阴极活性 材料LiNi0.80Co0.2002); 图10是示出使用率和放电容量保持率 性材料:LiNi。.8。Co。jMn。j02); 图11是示出使用率和放电容量保持率 性材料:LiNi0.79Co0.14Al,02);:保持率 图12是示出使用率和放电容 性材料LiNi0.76Co0.20Al,Ba0.0102); 图13是示出使用率和放电容量保持率 性材料LiNi。.8。Co。」。Al。.。6Fe。.。402); 图14是示出使用率和放电容量保持率 性材料:LiNi02); 图15是示出使用率和放电容量保持率 性材料:LiCo02); 图16是示出使用率和放电容量保持率 性材料:LiMn202); 图17是示出初期充放电厚度和放电容i Si(蒸发法))； 图18是示出初期充放电厚度和放电容i初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 初期放电效率之间关系的图表(阴极活 保持率之间关系的图表(阳极活性材料 保持率之间关系的图表(阳极活性材料Si(喷雾法))； 图19是示出初期充放电厚度和放电容量保持率之间关系的图表(阳极使用率 40% ); 图20是示出初期充放电厚度和放电容量保持率之间关系的图表(阳极使用率 60% ); 图21是示出初期充放电厚度和放电容量保持率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二次电池，包括：在阴极集流体上具有阴极活性材料层的阴极；在阳极集流体上具有阳极活性材料层的阳极；和含有溶剂和电解质盐的电解质，其中，所述阴极活性材料层包含能够吸藏和放出电极反应物并用式１表示的阴极活性材料，所述阳极活性材料层包含能够吸藏和放出电极反应物并且具有硅（Ｓｉ）作为构成元素的阳极活性材料，在完全充电状态下，所述阳极的使用率为２０％至７０％，并且在初期充放电时的放电状态下，所述阳极活性材料层的厚度为４０μｍ以下，式１ＬｉＮｉ↓［１－ｘ］Ｍ↓［ｘ］Ｏ↓［２］（１）其中，Ｍ是钴（Ｃｏ）、锰（Ｍｎ）、铁（Ｆｅ）、铝（Ａｌ）、钒（Ｖ）、锡（Ｓｎ）、镁（Ｍｇ）、钛（Ｔｉ）、锶（Ｓｒ）、钙（Ｃａ）、锆（Ｚｒ）、钼（Ｍｏ）、锝（Ｔｃ）、钌（Ｒｕ）、钽（Ｔａ）、钨（Ｗ）、铼（Ｒｅ）、镱（Ｙｂ）、铜（Ｃｕ）、锌（Ｚｎ）、钡（Ｂａ）、硼（Ｂ）、铬（Ｃｒ）、硅、镓（Ｇａ）、磷（Ｐ）、锑（Ｓｂ）和铌（Ｎｂ）中的至少一种，ｘ的范围为０．００５＜ｘ＜０．５。

【技术特征摘要】
JP 2008-10-15 2008-266257一种二次电池，包括在阴极集流体上具有阴极活性材料层的阴极；在阳极集流体上具有阳极活性材料层的阳极；和含有溶剂和电解质盐的电解质，其中，所述阴极活性材料层包含能够吸藏和放出电极反应物并用式1表示的阴极活性材料，所述阳极活性材料层包含能够吸藏和放出电极反应物并且具有硅(Si)作为构成元素的阳极活性材料，在完全充电状态下，所述阳极的使用率为20％至70％，并且在初期充放电时的放电状态下，所述阳极活性材料层的厚度为40μm以下，式1LiNi1-xMxO2 ...(1)其中，M是钴(Co)、锰(Mn)、铁(Fe)、铝(Al)、钒(V)、锡(Sn)、镁(Mg)、钛(Ti)、锶(Sr)、钙(Ca)、锆(Zr)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、镱(Yb)、铜(Cu)、锌(Zn)、钡(Ba)、硼(B)、铬(Cr)、硅、镓(Ga)、磷(P)、锑(Sb)和铌(Nb)中的至少一种，x的范围为0.005＜x＜0.5。2. 根据权利要求1的二次电池，其中，在初期充放电时的放电状态下，所述阳极活性材 料层的厚度为3iim以上。3. 根据权利要求1的二次电池，其中，所述阴极活性材料为锂镍钴复合氧化 物(LiNi卜xCox02)、锂镍钴锰复合氧化物(LiNi卜x (CoMn) x02)、锂镍钴铝复合氧化物 (LiNi^x(CoAl)x02)、锂镍钴铝钡复合氧化物(LiNi卜x(CoAlBa)x02)或锂镍钴铝铁复合氧化物 (LiNihx(CoAlFe)x02)。4. 根据权利要求3的二次电池，其中，所述阴极活性材料是锂镍钴复合氧化物 (LiNi。. 8。Co。. 2。02)、锂镍钴锰复合氧化物(LiNi。. 8。Co。. 10Mn0.1002)、锂镍钴铝复合氧化物 (LiNi。.79Co。.14Al。.。702)、锂镍钴铝钡复合氧化物(LiNi。.7eCo。.2。Al。.。3Ba。.。A)或锂镍钴铝铁复 合氧化物(LiNi0.80C0o.10Al0.06Fe0.0402)。5. 根据权利要求1的二次电池，其中，所述阳极活性材料是硅单质、硅合金和硅化合物 中的至少一种。6. 根据权利要求5的二次电池，其中，所述阳极活性材料是硅单质。7. 根据权利要求l的二次电池，其中，所述阳极活性材料具有氧(0)作为构成元素。8. 根据权利要求l的二次电池，其中，所述阳极活性材料在厚度方向包含具有相对高 氧含量的高含氧区域和具有相对低氧含量的低含氧区域。9. 根据权利要求l的二次电池，其中，所述阳极集流体和所述阳极活性材料层在其界 面处的至少一部分中合金化。10. 根据权利要求l的二次电池，其中，所述阳极活性材料布置在所述阳极集流体上并 且为连接至所述阳极集流体表面的多个颗粒的状态。11. 根据权利要求10的二次电池，其中，所述阳极活性材料层在其内部间隙中含有未 与所述电极反应物合金化的金属材料，所述金属材料具有镍、钴和铁中的至少一种作为构 成元素。12. 根据权利要求1的二次电池，包括隔离所述阴极和所述阳极的隔离器，其中所述隔离器包含由聚乙烯或聚丙烯制成的多 孔膜。13. 根据权利要求12的二次电池，其中，所述隔离器在所述多孔膜上具有与所述多孔 膜不同的高分子化合物层。14. 根据权利要求13的二次电池，其中，所述高分子化合物层包含绝缘颗粒。15. 根据权利要求1的二次电池，其中所述溶剂包含以下物质中的至少一种式2至式 4所示的具有不饱和碳键的环状碳酸酯、式5所示的含有卤素作为构成元素的链状碳酸酯、 式6所示的含有卤素作为构成元素的环状碳酸酯、磺内酯和酸酐，式2<formula>formula see original document page 3</formula>其中，R11和R12是氢或烷基， 式3<formula>formula see original document page 3</formula>射:式4R13至R16是氢、烷基、乙烯基或芳基，R13至R16中的至少一个是乙烯基或芳基， <formula>formula see original document page 3</formula>R17是亚烷基， <formula>formula see original document pag...

【专利技术属性】
技术研发人员：川濑贤一，高田智雄，野口和则，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]