CN101740807A - 非水电解质二次电池 - Google Patents
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Abstract
一种负极混合物,所述混合物包含:含有碳系材料的负极活性材料;至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂;和能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种非水电解质二次电池。本发明尤其涉及对集电体具有令人满意的粘合性并且能够显示出高的充放电特性的负极混合物、负极和包括所述负极的非水电解质二次电池。
背景技术
一般而言,用于锂离子二次电池等的电极具有其中电极材料层提供在由金属等制成的集电体之上的结构。电极的制造方法通常包括:将具有至少一种活性材料和分散或溶解在溶液中的粘合剂的涂布溶液涂布在集电体上并且使之干燥。因为能够一次制造具有大面积的电极,所以这样的制造方法具有高的工业生产力。
当使用碳基活性材料作为负极时,聚偏氟乙烯(PVDF,聚1,1-二氟乙烯)、聚丙烯腈(PAN)、丁苯橡胶(SBR)等广泛用作粘合剂。
当使用碳基活性材料作为负极时,从实现高容量电池等的观点出发,使用高结晶度的天然石墨或人造石墨。尽管天然石墨能获得的容量接近于石墨的理论容量,但其比表面积比人造石墨的大;并且当PVDF、SBR等用作粘合剂时,其对负极集电体的粘合性通常不足,导致诸如生产力降低和电极失效率增加的问题。就负极集电体的粘合而言,尽管通过提高PVDF或SBR的添加量可以改善该粘合,但是也导致在充电时抑制锂离子的插入或者降低容量。另一方面,由于人造石墨的比表面积通常低于天然石墨的比表面积,因此甚至当使用PVDF等作为粘合剂时,其也能够确保对负极集电体的粘合,但是其容量低于天然石墨的容量。尽管可能通过减少粘合剂的量来实现电池的高容量,但是对负极集电体粘合降低将导致诸如生产力降低和电极失效率增加的问题。
另一方面,当使用PAN作为粘合剂时,即使对于天然石墨,也可以确保对负极集电体的粘合;并且对于人造石墨,即使减少粘合剂的量,也可以确保对负极集电体的粘合。因此,可能实现电池的高容量。
JP-T-2006-516795公开的内容如下。
“本发明涉及用于锂二次电池的具有分散性增强的负极活性材料和导电剂的负极活性材料浆料,并且涉及含有该浆料的锂二次电池。更具体地,本发明的特征在于向负极活性材料浆料中加入少量的含有能够被表面吸附的主链和具有非离子表面活性剂特征的侧链的分散剂,所述负极活性材料浆料含有能够使锂离子嵌入和脱嵌的碳基负极活性材料、含有基于苯乙烯-丁二烯聚合物的树脂的粘合剂、含有基于纤维素或者基于丙烯酸酯的树脂的增稠剂和水。”
JP-A-2006-134777公开了锂电池的正极和使用该正极的锂电池,通过使用由含有指定正极活性材料、由水可分散弹性体构成的粘合剂组分、作为增稠剂的水溶性聚合物、作为分散介质的水和分散剂的正极糊料形成的正极,不会导致因集电体腐蚀等而使电池性能降低的问题,并且在涂布表面上没有产生不规则现象。
JP-A-2003-331847公开了提供一种具有优异电特性并且即使在高温下也能稳定工作的非水二次电池,其包含至少一种平均初级粒子尺寸为10~100nm的正极碳材料、诸如聚偏氟乙烯和偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的粘合剂和具有吡咯烷酮骨架的化合物,并且其具有1.20或更高的黑度;还公开了通过改善涂布材料的储存稳定性来提高制造效率。
JP-A-2003-157846公开了提供一种用于锂二次电池电极的炭黑浆料,其制备方法包括:使用N-甲基-2-吡咯烷酮作为分散剂,在其中悬浮比例为3~30质量%和平均粒度为0.1~1微米的炭黑,并且向其中加入0.1~10质量%的基于乙烯基吡咯烷酮的聚合物;还公开了所述炭黑浆料具有可控粒度和令人满意的随时间流逝的浆料稳定性以及诸如测量和运输浆料的操作性,并且能够通过增大浓度降低运输成本。
JP-A-2004-63423公开了提供一种用于制造电极的具有高粘度稳定性和优异生产稳定性的涂布溶液和使用该涂布溶液制造的电极和电池,所述涂布溶液是用于制造电池电极的涂布溶液,该涂布溶液在溶液中包含粘合剂和碳系材料并且还包含1ppm或以上但不多于10000ppm(相对于涂布溶液的总质量)的在侧链上具有含氮5元环结构的聚合物。
目前,当使用PAN作为粘合剂时,涂布材料的稳定性明显变差,涂布溶液的固体内容物(主要为碳系材料)凝结,并且在2~10小时后在容器底部形成硬沉积物,致使不能实现涂布。即使在涂布溶液制备后立即进行涂布,由于涂布溶液随着时间流逝而凝结,在涂布溶液中会产生粘合剂的分布,因此对负极集电体的粘合变差。或者会有诸如因负极涂布量的离散而导致的负极容量降低的缺陷,并且可能无法实现稳定的涂布。因而,会遇到生产力或电极特性显著降低这样的严重问题。
在JP-A-2004-63423中所公开的发明涉及一种通过向涂布溶液中加入在侧链具有含氮5元环结构的聚合物来抑制涂布溶液固体内容物凝结或者降低涂布溶液粘度的技术,其中在制备涂布溶液后较短时间内出现的碳系材料的凝结被抑制,由此抑制过滤器中的堵塞。然而,JP-A-2004-63423中所公开的技术并未涉及抑制衍生自聚丙烯腈粘合剂的凝结,例如,就在涂布溶液制备后过去了较长时间之后,在容器底部会产生硬沉积物(正如本发明实施方案中所述)。当使用PVDF或丁苯橡胶作为粘合剂时,前述凝结并不发生。
发明内容
因此,期望提供一种在使用聚丙烯腈系树脂作为粘合剂的体系中具有负极混合物对负极集电体的优异粘合和重复充放电后优异的放电容量保持率的非水电解质二次电池、所述负极混合物、负极以及制造负极的方法。
已经发现,通过在浆料中加入能够抑制氰基之间分子间相互作用并且赋予位阻的聚合物,不仅提高了浆料的稳定性,而且负极混合物对负极集电体的粘合也很优异。
根据本发明的实施方案,提供下面的非水电解质二次电池、负极混合物、负极和制造负极的方法。
[1]一种非水电解质二次电池,其包括负极,所述负极包括负极集电体和层叠于其上的负极混合物,其中所述负极混合物包含含有碳系材料的负极活性材料、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂和能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
[2]一种负极混合物,其包含含有碳系材料的负极活性材料、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂和能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
[3]一种负极,其包括负极集电体和层叠于其上的负极混合物,其中所述负极混合物包含含有碳系材料的负极活性材料、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂和能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
[4]一种制造负极的方法,其包括如下步骤:在负极集电体上涂布负极混合物浆料,所述浆料包含含有碳系材料的负极活性材料、溶剂、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂和聚合物,该聚合物能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻;以及在涂布后,蒸发除去负极混合物浆料中的溶剂。
在该说明书中,“负极混合物”是指在负极的负极集电体上层叠以形成含有负极活性材料的层的混合物;并且所述“负极混合物浆料”(下文中也简称为“浆料”)是指以浆料状态形成的用于涂布在集电体上的负极混合物。此外,能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物也被称为“根据本发明实施方案的功能性聚合物”。
根据本发明实施方案的功能性聚合物和含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂一起使用。在聚丙烯腈系树脂的存在下,根据本发明实施方案的功能性聚合物一旦被极化就能被吸附到氰基上。
根据本发明的实施方案,可以提供具有稳定的材料性质的非水电解质二次电池,这是因为提高浆料的稳定性,可以显著延迟浆料的凝结和沉积物的产生,因此可以节省劳动力,并且负极混合物对负极集电体的粘合也很优异。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施方案的二次电池构造的截面图。
图2是示出图1所示二次电池的卷绕电极体的局部放大的截面图。
具体实施方式
下文详细描述根据本发明的实施方案。在此说明书中,除非另外指出,否则术语“%”是指质量百分比。
在本发明的一个实施方案中,根据本发明实施方案的功能性聚合物用于形成负极。下文描述根据本发明实施方案的功能性聚合物。
根据本发明实施方案的功能性聚合物具有在制备负极时防止浆料中固体内容物凝结和防止在容器底部产生硬沉积物的功能。以下事实可能是使用PAN作为粘合剂导致前述凝结的原因。
(1)作为粘合剂的PAN被吸附在碳系材料上。
(2)由于氰基的强极性,吸附在碳系材料上的PAN分子间相互结合。
(3)被PAN拉住的碳材料凝结。
使用根据本发明实施方案的功能性聚合物抑制前述凝结的原因可能在于:由于分子内电荷的不均匀分布使所述功能性聚合物吸附在PAN的氰基上,而且由于该聚合物侧链的位阻效应抑制了碳材料相互间的接触。
根据本发明实施方案的功能性聚合物具有前述功能。
根据本发明实施方案的具有这样功能的功能性聚合物的实例为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、羟甲基纤维素、聚丙烯酰胺、淀粉和天然树胶。根据本发明实施方案的功能性聚合物可以单独使用或者以其两种或多种的混合物使用。
根据本发明实施方案的功能性聚合物的质量平均分子量优选为1000或更大但不大于1000000、并且更优选为10000或更大但不大于500000。当该功能性聚合物的分子量太低时,可能不显示出如位阻效应的功能。另一方面,当分子量太高时,可能出现这样的情况:聚合物的溶解度降低,或者由于浆料粘度增加而导致的诸如生产力变差的问题,或者由于差的电极形状等而导致电极失效率的增加。
根据本发明实施方案的功能性聚合物的总含量优选为基于负极混合物总质量的0.01~5%,并且更优选为0.01~2%。当该功能性聚合物的总含量落在前述范围内,则可以有效地显示出前述功能。
接下来描述粘合剂。
所述粘合剂优选包含聚丙烯腈系树脂,或者聚丙烯腈系树脂和聚偏氟乙烯系树脂。
所述聚丙烯腈系树脂优选为(甲基)丙烯腈的均聚物、(甲基)丙烯腈与其他单体的共聚物,或者作为前述共聚物的改性产物和作为(甲基)丙烯酸酯共聚物的树脂。其中,更优选的是(甲基)丙烯腈的均聚物。在此说明书中,“(甲基)丙烯腈”是甲基丙烯腈和丙烯腈的通称并且是指它们中的至少一个。同样的情况也适用于“(甲基)丙烯酸酯”。
(甲基)丙烯腈与其他单体的共聚物的实例包括(甲基)丙烯腈与(甲基)丙烯酸烷基酯(例如,(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸异丁酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸月桂酯等)、(甲基)丙烯酸环烷基酯(例如,(甲基)丙烯酸环己酯等)、(甲基)丙烯酸羟烷基酯(例如,(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟基丙酯等)、(甲基)丙烯酸氨基烷基酯(例如,(甲基)丙烯酸氨基甲基酯、(甲基)丙烯酸N-甲基氨甲基酯、(甲基)丙烯酸N,N-二乙基氨乙基酯等)、甲基丙烯酸、丙烯酸、苯乙烯系单体(例如,苯乙烯、乙烯基甲苯、α-甲基苯乙烯等)、乙烯基衍生物(例如,氯乙烯、1,1-二氯乙烯(偏氯乙烯)、醋酸乙烯酯、醋酸异丙烯酯等)、不饱和二元酸(例如,马来酸、富马酸等)等的共聚物。
此外,期望粘合剂包含由下式(1)所示的具有酯键的化合物。尽管并不具体限制式(1)所示的单体,但是期望的单体中R1为H或CH3。R2优选为二价烃基。例如,合适的所述二价烃基是具有4~100个碳原子的亚烷基,优选为具有6~50个碳原子的亚烷基,并且更优选为具有8~15个碳原子的亚烷基。该亚烷基可以是线型的或支化的。亚烷基的一部分也可以被卤素(例如,氟、氯、碘等)、氮、磷、芳环、具有3~10个碳原子的环烷烃等所取代。在式(1)中,适当的是R2为具有2~6个碳原子的单个亚烷基,优选为具有2~4个碳原子的单个亚烷基。R2也可以是其中亚烷基通过醚键和/或酯键互相连接的基团。此处,所述亚烷基可以被卤素(例如,氟、氯、溴、碘等)、氮、磷、芳环、具有3~10个碳原子的环烷烃等所取代。其具体实例包括单甲基丙烯酸单乙二醇酯和单丙烯酸三甘醇酯。
同样,在作为前述共聚物的改性产物和作为(甲基)丙烯酸酯共聚物的所述聚丙烯腈系树脂中,“改性产物”是指通过醇羟基、羧基等改性获得的材料。可以通过用醇羟基、羧基等基团取代其他基团、或者共聚含有醇羟基、羧基等基团的单体来引入醇羟基或羧基。
同样,至于(甲基)丙烯酸酯,为上述示例的那些。
前述聚丙烯腈系树脂是单独使用或者以其两种或多种的组合使用。
接下来描述聚偏氟乙烯系树脂。
聚偏氟乙烯系树脂优选为偏氟乙烯(即:1,1-二氟乙烯)的均聚物、偏氟乙烯与其他单体的共聚物,或者前述共聚物的改性产物。其中,更优选偏氟乙烯的均聚物。
偏氟乙烯与其他单体的共聚物的实例包括偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-氯三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物,和进一步通过使上述例举的共聚物与其他烯类不饱和单体共聚而获得的共聚物。更具体而言,可共聚的烯类不饱和单体的实例包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙酸乙烯酯、丙烯腈、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、丁二烯、苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯和甲基乙烯基醚。
同样,在作为前述共聚物的改性产物的聚偏氟乙烯系树脂中,“改性产物”是指通过用醇羟基、羧基等改性获得的材料。可以通过用醇羟基、羧基等基团取代其他基团或者共聚含有醇羟基、羧基等基团的单体来引入醇羟基或羧基。
在本发明的一个实施方案中,可以联合使用除了上述那些之外的材料作为粘合剂。可以联合使用的材料的实例包括丁苯橡胶、羧甲基纤维素和聚四氟乙烯。
在本发明的一个实施方案中,聚丙烯腈系树脂的含量或者聚丙烯腈系树脂和聚偏氟乙烯系树脂的总含量优选为基于负极混合物总质量的0.1~10%。在混合聚丙烯腈系树脂和聚偏氟乙烯系树脂的情形中,当聚偏氟乙烯系树脂的共混比例太高时,存在不能获得对电极的粘合的问题。当需要确保柔韧性时,或者当粘合剂用于凝胶聚合物电池来提高对凝胶的粘合性时,可以出现聚偏氟乙烯系树脂被混合的情形。聚丙烯腈系树脂与聚偏氟乙烯系树脂在粘合剂组分中的质量比优选为100∶0至10∶90,并且更优选为100∶0至30∶70。粘合剂在负极混合物中的共混比例优选为1~7质量%,并且更优选1.5~5质量%。当粘合剂的共混比例太低时,难以获得对电极的粘合,然而当其过高时,存在充电时抑制锂离子插入或者容量降低的问题。
以下参考附图详细描述根据本发明的一个实施方案。
图1示出了根据本发明实施方案的二次电池的截面图。该二次电池为所谓的圆柱型并且具有卷绕电极体20,所述电极体20具有通过在基本中空的柱形电池罐11内部的隔离器23而卷绕于其中的条形正极21和条形负极22。例如,电池罐11由镀有镍(Ni)的铁(Fe)构成,并且其一端封闭,另一端开口。在电池罐11内部放置一对绝缘板12和13以便相对于其卷绕的外围表面将卷绕电极体20垂直插入其间。
在电池罐11的开口端,电池盖14和在该电池盖14内侧上各自设置的安全阀机构15和正温度系数元件(PTC元件)16都以填塞方式通过衬垫17来安装,并且电池罐11的内部被密封地封闭。电池盖14是由例如和电池罐11相同的材料制成。安全阀机构15通过正温度系数元件16电连接到电池盖14,并且在内部压力因内部短路或外部加热等达到等于或大于某一固定值的情况下,圆盘板15A反转,由此切断电池盖14和卷绕电极体20之间的电连接。当温度上升,正温度系数元件16由于电阻值升高而控制电流,从而预防因大电流而引起的反常生热。衬垫17是由例如绝缘材料制成,并且在其表面上涂布沥青。
例如,将中心销24插在卷绕电极体20的中心上。在卷绕电极体20中,由铝(Al)等制成的正极导线25与正极21连接;而由镍等制成的负极导线26与负极22连接。正极导线25通过和安全阀机构15焊接的方式与电池盖14电连接;并且负极导线26通过焊接方式与电池罐11电连接。
图2示出了图1所示的卷绕电极体20的局部放大图。
正极21的结构为,例如,其中正极活性材料层21B提供在具有两个相反表面的正极集电体21A的两个表面上。尽管省略了图解,但正极活性材料21B可以仅提供在正极集电体21A的一个表面上。正极集电体21A由金属箔例如铝箔、镍箔、不锈钢箔等构成。
正极活性材料层21B被构成为,例如,包含一种或两种或多种能够嵌入和脱嵌作为电极反应物的锂的正极材料作为正极活性材料。能够嵌入和脱嵌锂的正极材料的实例包括诸如氧化锂、硫化锂的含锂化合物,含锂的嵌入化合物和磷酸锂化合物。其中,优选的是含有锂和过渡金属元素的复合氧化物以及含有锂和过渡金属元素的磷酸盐化合物;并且特别优选的是含有钴(Co)、镍、锰(Mn)、铁、铝、钒(V)和钛(Ti)中的至少一种元素作为过渡金属元素的化合物。其化学式由例如LixMIO2或LiyMIIPO4来表示。在该式中,每个MI和MII包含至少一种过渡金属元素;并且x和y值的每一个根据电池的充放电状态来变化并且通常分别满足如下关系:0.05≤x≤1.10和0.05≤y≤1.10。
含有锂和过渡金属元素的复合氧化物的具体实例包括锂钴复合氧化物(LixCoO2)、锂镍复合氧化物(LixNiO2)、锂镍钴复合氧化物(LixNi1-zCozO2(z<1))、锂镍钴锰复合氧化物(LixNi(1-v-w)CovMnwO2((v+w)<1))和具有尖晶石型结构的锂锰复合氧化物(LiMn2O4)。同样,含有锂和过渡金属元素的磷酸盐化合物的具体实例包括磷酸锂铁化合物(LiFePO4)和磷酸锂铁锰化合物(LiFe1-uMnuPO4(u<1))。
作为能够嵌入和脱嵌锂的正极材料,例举了其他金属化合物或聚合物材料。其他金属化合物的实例包括氧化物(例如氧化钛、氧化钒、二氧化锰等)和二硫化物(例如二硫化钛、二硫化钼等)。聚合物材料的实例包括聚苯胺和聚噻吩。
当需要时,正极活性材料层21B可以包含导电剂。导电剂的实例包括碳材料,如石墨、炭黑和科琴黑(ketjen black),并且这些材料单独使用或者以其两种或多种的混合物使用。同样,除了碳材料,可以使用金属材料或导电聚合物材料等,只要其是导电材料即可。
负极22的构造为,例如,其中负极活性材料层22B提供在具有两个相反表面的负极集电体22A的两个表面上。尽管省略了图解,但负极活性材料22B可以仅提供在负极集电体22A的一个表面上。负极集电体22A由金属箔例如铜箔、镍箔、不锈钢箔等构成。
负极活性材料层22B被构成为,例如,包含一种或两种或多种能够嵌入和脱嵌作为电极反应物的锂的负极材料作为负极活性材料,并且根据需要可以包含例如正极活性材料层21B中的相同的导电剂。
能够嵌入和脱嵌锂的负极活性材料的实例包括碳系材料,例如石墨、难以石墨化的碳、易于石墨化的碳等。这样的碳材料是优选的,因为在充放电时引起的晶体结构变化非常小,可获得高的充放电容量,并且可获得有利的充放电循环特性。石墨是特别优选的,因为它的电化学当量大并能够获得高的能量密度。
至于石墨,优选具有等于或大于2.10g/cm3的真实密度,并且更优选具有等于或大于2.18g/cm3的真实密度。为了获得这样的真实密度,需要(002)面上C-轴上的微晶厚度为14.0nm或更厚。还有,石墨(002)面的晶面间距优选小于0.340nm,并且更优选等于或大于0.335nm但不超过0.337nm。石墨可以是天然石墨或人造石墨。
至于难以石墨化的碳,优选(002)面的晶面间距为等于或大于0.37nm,真实密度小于1.70g/cm3,并且在700℃或更高温度下在空气中的差热分析(DTA)中不示出放热峰的碳。
至于能够嵌入和脱嵌锂的负极材料,也例举了能够嵌入和脱嵌锂并且包含至少一种金属元素和半金属元素作为构成元素的负极材料。这是因为通过使用这样的负极材料,可获得高的能量密度。该负极材料可以是金属元素或半金属元素的单一物质、合金或化合物。也可以使用在其至少一部分中具有单种或多种相的那些材料。在根据本发明的实施方案中,所述合金除了由两种或多种金属元素构成的合金之外,还包括含有一种或多种金属元素和一种或多种半金属元素的合金。所述合金还可以包括非金属元素。其结构的实例包括固溶体、共晶(共晶混合物)、金属间化合物和其中两种或多种共存的那些。
构成负极材料的金属元素或半金属元素的实例包括镁(Mg)、硼(B)、铝、镓(Ga)、铟(In)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、铋(Bi)、镉(Cd)、银(Ag)、锌(Zn)、铪(Hf)、锆(Zr)、钇(Y)、钯(Pd)和铂(Pt),其各自都能够和锂一起形成合金。它们可以是结晶的或无定形的。
首先,作为负极材料,优选包含属于简易形式周期表中第4B族的金属元素或半金属元素作为构成元素的那些,并且特别优选包含硅和锡的至少一种作为构成元素的那些。这是因为硅和锡嵌入和脱嵌锂的能力大并且能够获得高的能量密度。
锡合金的实例包括包含选自硅、镍、铜(Cu)、铁、钴、锰、锌、铟、银、钛(Ti)、锗、铋、锑(Sb)和铬(Cr)的至少一种作为除锡之外的第二构成元素的合金。硅合金的实例包括包含选自锡、镍、铜、铁、钴、锰、锌、铟、银、钛、锗、铋、锑和铬的至少一种作为除硅之外的第二构成元素的合金。
锡化合物或者硅化合物的实例包括含有氧(O)或碳(C)的化合物,并且这些化合物除了锡或硅之外,还可以包含前述第二构成元素。
隔离器23使正极21和负极22相互隔离,防止由于发生两个电极的接触而导致的电流短路并且允许锂离子从中通过。隔离器23例如由诸如聚四氟乙烯、聚丙烯和聚乙烯的合成树脂制成的多孔膜或者由诸如陶瓷制无纺布的无机材料制成的多孔膜构成。隔离器23还可以具有多孔膜结构,其中层叠两种或多种这些多孔膜。最重要的是,优选的是聚烯烃制多孔膜,因其在防止电流短路发生方面效果优异并且因断路效应而能够用于提高电池的安全性。特别地,优选聚乙烯作为构成隔离器23的材料,因其在等于或高于100℃而不超过160℃的温度范围内能够获得断路效应并且电化学稳定性优异。聚丙烯也是优选的。此外,可以使用与聚乙烯或聚丙烯共聚或共混的树脂,只要其具有化学稳定性即可。
使电解质溶液浸渍到隔离器23中。电解质溶液包含,例如,溶剂和溶解在该溶剂中的电解质盐。
溶剂的实例包括4-氟-1,3-二氧戊环-2-酮、碳酸亚乙基酯、碳酸亚丙基酯、碳酸亚丁基酯、碳酸亚乙烯基酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、醋酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、3-甲氧基丙腈、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基噁唑烷酮、硝基甲烷、硝基乙烷、环丁砜、二甲基亚砜、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯和环硫乙烷。尤其是优选碳酸亚乙基酯、碳酸亚丙基酯、碳酸亚乙烯基酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和环硫乙烷,因为可获得优异的充放电特性和充放电循环特性。除前述外,溶剂可以包括室温熔盐,如二(三甲基氟磺酰基)酰亚胺三甲基己基铵。
至于电解质盐,诸如六氟磷酸锂(LiPF6)、二(五氟乙烷磺酰基)酰亚胺锂(Li(C2F5SO2)2N)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、三氟甲烷磺酸锂(LiSO3CF3)、二(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)、三(三氟甲烷磺酰基)甲基锂(LiC(SO2CF3)3)、氯化锂(LiCl)和溴化锂(LiBr)中任何一种或两种或多种的材料是可用的。
该二次电池可以例如下面的方式来制造。
首先,混合正极活性材料、导电剂和粘合剂来制备正极混合物。将该正极混合物分散到诸如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的溶剂中以形成糊状正极混合物浆料。接着,将该正极混合物浆料涂布到正极集电体21A上,并随后使溶剂挥发。此外,通过辊式压机等将所得物挤压模制成正极活性材料层21B。如此制备了正极21。
同样,将负极活性材料、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂和根据本发明实施方案的功能性聚合物(例如聚乙烯比咯烷酮)混合以制备负极混合物。将该负极混合物分散到诸如N-甲基-2-吡咯烷酮的溶剂中以形成糊状负极混合物浆料。这样,在使用含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂的情况下,在含有根据本发明实施方案的功能性聚合物的浆料中,提高了浆料随时间的稳定性,并且根据本发明实施方案的功能性聚合物可以显著延迟浆料的凝结和沉积物的产生,从而节省了劳动力。
接着,将该负极混合物浆料涂布到负极集电体22A上,并随后使溶剂干燥。其后,通过辊式压机等将所得物挤压模制成负极活性材料层22B。如此制备了负极22。
接着,通过焊接方式等将正极导线25安装于正极集电体21A,并且也通过焊接方式等将负极导线26安装于负极集电体22A。然后,正极21和负极22经由隔离器23卷绕;将正极导线25的尖端与安全阀机构15焊接;将负极导线26的尖端与电池罐11焊接。将卷绕正极21和负极22插到一对绝缘板12和13之间并且容纳于电池罐11内部。将正极21和负极22容纳于电池罐11内部后,将电解质溶液注入电池罐11内部并且浸渍隔离器23。其后,将电池盖14、安全阀机构15和正温度系数装置16以填塞的方式通过衬垫17固定到电池罐11的开口端。如此完成了图1所示的二次电池。
在该二次电池中,当充电时,例如锂离子从正极活性材料层21B中脱嵌并通过电解质溶液嵌入负极活性材料层22B中。同样,当放电时,例如锂离子从负极活性材料层22B中脱嵌并通过电解质溶液嵌入正极活性材料层21B中。
实施例
下文详细描述本发明的具体实施例,但是不应将其解释为对本发明的限制。
<制备用于负极的浆料>
实施例1~12和实施例15
分别使用NMP作为溶剂,将作为负极活性材料的由碳系材料(其比表面积(SA)示于表1)制成的天然或人造石墨、作为粘合剂的PAN以及作为聚合物A的根据本发明实施方案的功能性聚合物的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEO(聚环氧乙烷)或PAA(聚丙烯酸)均匀混合,由此获得用于负极的浆料。示于表1的各个加入量表示对负极混合物的比例。实施例13-14
分别使用NMP作为溶剂,将作为负极活性材料的由碳系材料(其比表面积(SA)示于表1)制成的天然石墨、作为粘合剂的PAN以及作为聚合物A的PVP和作为聚合物B的PVDF均匀混合,由此获得负极浆料。示于表1的各个加入量表示对负极混合物的比例。
由此获得的负极浆料评价如下。
(稳定性)
将100mL的浆料收入100毫升塑料杯中,确定10小时后的沉降程度。
A:没有形成沉积物。
B:粘度稍有增加。
C:在容器底部形成了硬沉积物。
(粘合性)
将浆料涂布到铜箔上并通过热风干燥器在120℃干燥;将压敏双面胶带结合到负极活性材料层上并且和铜箔一起切断来制备样品,然后对样品在180℃下进行剥离测试。剥离测试按以下方式进行。即,通过SUS板固定样品的压敏双面胶带的另一面,并使负极活性材料层脱离至一半,由此完成张力测试(在180℃下)。
A:10mN/mm或更高
B:小于10mN/mm
C:不能进行该测试。也就是说,在从电极上脱离压敏双面胶带时,二者一起脱离,使得该测试无法进行(0mN/mm)。
<制备用于正极的浆料>
分别将作为正极活性材料的钴酸锂、作为导电剂的炭黑、作为粘合剂的PVDF和作为溶剂的NMP均匀混合以获得用于正极的浆料。
<制备负极>
将所得的浆料均匀涂布到由12微米厚的铜箔制成的负极集电体的两个表面上,干燥并随后通过辊式压机挤压模制成负极混合物层。如此制备了负极。其后,将镍制负极端子安装到负极。
<制备正极>
将所得的浆料均匀涂布到由15微米厚的铝箔制成的正极集电体的两个表面上,干燥并随后通过辊式压机挤压模制成正极混合物层。如此制备了正极。其后,将铝制正极端子安装到正极。
<制造电池>
通过22微米厚的微孔聚乙烯膜制成的隔离器将正极和负极层叠。使所得的层叠物沿着直径3.2mm的中心销的圆周卷绕,从而制备卷绕电极体。接着,将卷绕电极体插到一对绝缘板之间;不仅使负极导线与电池罐焊接,还使正极导线与安全阀机构焊接;并随后将卷绕电极体容纳在镀镍铁制造的电池罐的内部。接着,将电解质溶液注入电池罐的内部,而且电池盖通过衬垫填塞到电池罐,由此制备了圆柱型二次电池。
此时,使用如下制备的溶液作为电解质溶液:将作为电解质盐的六氟磷酸锂以1.0mol/kg的比例溶解在比例为1∶30∶10∶49∶10的碳酸亚乙烯基酯(VC)、碳酸亚乙基酯(EC)、碳酸氟代亚乙基酯(FEC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸亚丙基酯(PC)的混合溶剂中。
使每个所制的二次电池进行充放电,并从放电容量保持率方面进行检测。此时,充电在0.7C的恒定电流下进行,直至电池电压达到4.2V,然后在4.2V的恒定电压下进行,直至总充电时间达到4小时;而且在0.5C的恒定电流下进行放电,直至电池电压达到3.0V。本文中的术语“1C”是指将理论容量在1小时内完全放出的电流值。将第100循环的放电容量与第1循环的放电容量的比例,也就是[{(第100循环的放电容量)/(第1循环的放电容量)}×100(%)],定义为放电容量保持率,并且各自都以相对比例来表示。结果示于表1。
对比例1-13
除了使用表1所示的各个负极,按照与实施例1-15相同的方式制备浆料、电极和电池,并且按照上述相同的方式进行评价。结果示于表1。在对比例2-4中的PVDF、在对比例5中的PTFE(聚四氟乙烯)和在对比例6中的PVC(聚氯乙烯)均用作聚合物B,但是都不具有根据本发明实施方案的功能性聚合物的功能。此外,对比例9和10中的PEO(聚环氧乙烷)、对比例11中的CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、对比例12中的SDS(十二烷基硫酸钠)和对比例13中的VP(PVP的单体)均用作聚合物A,具有抑制氰基之间分子间相互作用的功能;然而,它们的分子量没有达到根据本发明实施方案的功能性聚合物的下限,而且它们的功能不足。此外,在对比例8中,以表1所示的量使用CMC(羧甲基纤维素)和SBR来取代PAN作为粘合剂。
从前面的表中注意到,在实施例1~15中,通过向浆料中加入根据本发明实施方案的功能性聚合物,抑制了来自PAN的凝结,并且可以使得涂布材料的稳定性和负极活性材料层对负极集电体的粘合彼此适应;然而,在不满足本发明要求的对比例1-13中,这两种性能不能彼此适应。在实施例1-15中,PAN均匀地存在,使得PAN的粘合性最佳;因此,即使在使用比表面积较大但具有高容量的天然石墨系材料时,也可以保持令人满意的对于电极的粘合,并且改善循环后的容量保持率。同样,在使用比表面积小的人造石墨系材料时,粘合剂的量可以降低,并因此可以实现作为电极的高容量。
尽管已经参考前述实施方案和实施例对本发明进行了描述,本发明不应当理解为限于前述实施方案和实施例,而是可以做出各种改变。
同样,在前述实施方案和实施例中,尽管已经具体描述了具有卷绕结构的圆柱型二次电池,但是本发明同样适用于具有卷绕结构的椭圆型或多边体型的二次电池或者具有其他形状的二次电池,例如正极和负极折叠的那些,或者多个正极和负极层叠的那些。此外,本发明同样适用于其他形状的二次电池,例如硬币型、纽扣型、直角型、层叠膜型等。
同样,在前述实施方案和实施例中,尽管已经描述了使用液体电解质溶液的情形,但是可以使用将电解质溶液保持在诸如高分子化合物上而形成的凝胶。高分子化合物的实例包括聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯的共聚物、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚磷腈、聚硅氧烷、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、丁苯橡胶、丁腈橡胶、聚苯乙烯和聚碳酸酯。特别地,从电化学稳定性的观点来看,聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚环氧乙烷等是优选的。尽管高分子化合物与电解质溶液的比例根据其相容性变化,一般而言,优选向高分子化合物中加入5质量%或更多但不超过50质量%的电解质溶液。
本申请包括2008年11月26日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP 2008-301208中所公开内容的相关主题,该申请的全部内容以引用方式并入本文。
本领域技术人员应当理解,可以根据设计要求和其他因素在所附权利要求或其等同物的范围内做出各种改变、组合、子组合和变化。
Claims (10)
1.一种非水电解质二次电池,包括包含负极集电体和层叠于其上的负极混合物的负极,其中所述负极混合物包含:
含有碳系材料的负极活性材料,
至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂,和
能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
2.根据权利要求1的非水电解质二次电池,其中所述聚合物的质量平均分子量为1000~1000000。
3.根据权利要求1的非水电解质二次电池,其中所述粘合剂包含聚丙烯腈系树脂,或者聚丙烯腈系树脂和聚偏氟乙烯系树脂;并且所述聚丙烯腈系树脂的含量或者聚丙烯腈系树脂和聚偏氟乙烯系树脂的总含量是基于所述负极混合物总质量的0.1~10%。
4.根据权利要求1的非水电解质二次电池,其中在所述粘合剂中,所述聚丙烯腈系树脂与所述聚偏氟乙烯系树脂的质量比是100∶0~10∶90。
5.根据权利要求3的非水电解质二次电池,其中所述聚丙烯腈系树脂是(甲基)丙烯腈的均聚物、(甲基)丙烯腈与其他单体的共聚物、或者作为所述共聚物的改性产物并且作为(甲基)丙烯酸酯共聚物的树脂。
6.根据权利要求3的非水电解质二次电池,其中所述聚偏氟乙烯系树脂是偏氟乙烯的均聚物、偏氟乙烯与其他单体的共聚物,或者所述共聚物的改性产物。
7.根据权利要求1的非水电解质二次电池,其中所述能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物的总含量是基于所述负极混合物总质量的0.01~5%。
8.一种负极混合物,所述混合物包含:
含有碳系材料的负极活性材料;
至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂;和
能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
9.一种负极,所述负极包括负极集电体和层叠于其上的负极混合物,其中所述负极混合物包含:
含有碳系材料的负极活性材料,
至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂,和
能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物。
10.一种制造负极的方法,所述方法包括以下步骤:
在负极集电体上涂布负极混合物浆料,所述负极混合物浆料包含:含有碳系材料的负极活性材料、溶剂、至少含有聚丙烯腈系树脂的粘合剂、和能够抑制氰基之间分子间相互作用并赋予位阻的聚合物;和
在涂布之后,通过蒸发除去所述负极混合物浆料中的所述溶剂。
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