CN103201882B - 包含多层电极活性材料层的电极和包含所述电极的二次电池 - Google Patents
包含多层电极活性材料层的电极和包含所述电极的二次电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及包含多层电极活性材料层的电极及包含所述电极的二次电池。根据本发明的实施方式包含具有多层电极活性材料层的电极，其中同等地保持形成所述电极活性材料层的活性材料的含量且在各层中的加载量彼此相同或不同，由此解决由粘合剂等的不均匀分散引起的电池电阻增加所造成的性能劣化的问题。
Description
技术领域
本申请要求2011年5月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2011-0041438号的优先权，通过参考将其公开内容结合到本文中。
本发明涉及包含多层电极活性材料层的电极及包含所述电极的二次电池，且更特别地，涉及通过以多层涂层的形式形成电极活性层用于均匀分散电极活性材料和粘合剂树脂来降低电池电阻、从而具有改善的性能的二次电池。
背景技术
近来，随着电子设备的小型化和轻质化且通常使用便携式电子设备，积极进行了对于具有高能量密度的锂二次电池的研究。
锂二次电池使用可能在负极和正极中进行锂离子的嵌入和脱嵌的材料，且通过在正极与负极之间填充有机电解质或聚合物电解质来制造。通过在锂离子嵌入到正极和负极中以及锂离子自正极和负极脱嵌期间进行的氧化和还原，可以产生电能。
负极和正极可以包含在各电极的集电器上的电极活性材料层。例如，电极可以通过如下制造：通过混合电极活性材料、粘合剂和溶剂以及任选的导电材料和分散剂并搅拌而制备浆料，将由此获得的浆料涂布在由金属制成的集电器上，加压并干燥。
粘合剂可以包含例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)等，且导电材料通常可以使用碳黑。
一般来讲，负极和正极可以通过将电极浆料在各电极的集电器上涂布一次来获得。在这种情况下，在电极浆料中包含的粘合剂可能不会均匀地分散在涂布的电极活性材料层上，而是可能分散在电极活性材料层的表面。在这种情况下，粘合剂可能增加电池的电阻而使电池的性能劣化。
该问题可能随着电极活性材料的加载量增加而加剧。因此，需要解决该缺点的方法以发展大容量的锂二次电池。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于解决上述缺点且提供其中粘合剂等不会分散在电极活性材料层的表面或不会从涂布在电极集电器上的电极活性材料层剥落、而是可以均匀地分散的电极，以及包含所述电极的二次电池。
技术解决方案
为了实现这些及其他优势，提供包含多层电极活性材料层的电极。
在所述多层电极活性材料层中，在所述多层电极活性材料层的各层中电极活性材料的加载量可以彼此不同。
另外，相对于电极集电器越往上的层，所述加载量越是增大。
另外，相对于电极集电器越往上的层，所述加载量越是减小。
另外，各层的加载量可以相同。
另外，各层中的电极活性材料可以包含不同的电极活性材料成分。
与在所述多层电极活性材料层的其他层中的电极活性材料相比，在与电极集电器接触的层中的电极活性材料可以具有更高的导电性。
另外，与在所述多层电极活性材料层的其他层中的电极活性材料相比，在形成电极表面的层中的电极活性材料可以具有更高的导电性。
另外，在所述多层电极活性材料层中，在与所述电极集电器接触的层中的电极活性材料可以与在形成所述电极表面的层中的电极活性材料相同。
另外，在所述多层电极活性材料层的各层中的电极活性材料可以由相同的电极活性材料构成。
另外，所述多层电极活性材料层中的各层可以包含导电材料。
与在所述多层电极材料层的其他层中的电极活性材料相比，在与电极集电器接触的层中的电极活性材料可以包含更多量的所述导电材料。
与在所述多层电极材料层的其他层中的电极活性材料相比，在形成所述电极表面的层中的电极活性材料可以包含更多量的所述导电材料。
同时，所述电极可以是正极。
在这种情况下，构成所述正极的多层正极活性材料的总加载量可以为540mg/25cm2～650mg/25cm2。
同时，所述电极可以是负极。
在这种情况下，构成所述负极的多层负极活性材料的总加载量可以为280mg/25cm2～340mg/25cm2。
在本发明中还提供了包含所述电极的锂二次电池。
在本发明中还提供了制造包含多层电极活性材料的电极的方法，其包括：(a)制备电极活性材料；(b)在电极集电器上涂布确定加载量的所述电极活性材料；(c)对涂布在所述电极集电器上的所述电极活性材料进行真空干燥；以及(d)重复步骤(b)和(c)n次(2≤n≤5)。
在这种情况下，所述步骤(b)中的所述确定加载量对于每次重复可以不同。
另外，所述步骤(b)中的所述确定加载量可以是通过将所述电极活性材料的总量除以所述n而获得的加载量。
在这种情况下，用于正极活性材料的所述电极活性材料的总量可以为540mg/25cm2～650mg/25cm2。
另外，用于负极活性材料的所述电极活性材料的总加载量可以为280mg/25cm2～340mg/25cm2。
有利效果
根据本发明的例示性实施方式，可以在保持形成电极活性材料的活性材料的含量的同时，防止电极和包含所述电极的二次电池的体积和重量增加。另外，通过提供包含对于各层包含相同或不同加载量的多层电极活性材料层的电极，可使粘合剂均匀地分散在电极活性材料层中。因此，如上所述可以防止粘合剂在电极活性材料中的不均匀分散和剥落，且因此可以改善电极电阻的增加且可以改善包含所述电极的二次电池的性能。
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述本发明。
本文所用的术语仅用于描述特定的例示性实施方式，并且不旨在限制本发明的构思。除非上下文另有明确说明，否则本文使用的单数形式也旨在包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”指定存在所说明的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合，但是不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其集合。
本发明的电极的特征在于电极包含多层电极活性材料层。另外，在本发明中还提供包含具有上述特征的电极的锂二次电池。
在本发明的例示性实施方式中，所述电极可以为选自正极和负极中的至少一种。也就是说，在适当必要时，负极和/或正极两者都可以包含多层电极活性材料层，或者负极和/或正极中的一方可以包含多层电极活性材料层，而没有限制。
本发明的特征在于，电极活性材料多重涂布在集电器上而形成如上所述的多层结构。通过将活性材料涂布成如上所述的多层结构，即使当一个电极活性层中的粘合剂分离或脱离到相应活性材料层的表面上时，粘合剂也可以整体均匀地分散在活性材料中。因此，粘合剂整体均匀地分散在电极活性材料中，且可以防止粘合剂从电极活性材料分离、由所述分离造成的施加至电极的电阻增加和电极的劣化现象等。
也就是说，当将电极活性材料涂布成多层结构时，可以在不增加单独的装置或构造的情况下防止粘合剂从活性材料分离，且可以大大改善二次电池的功能。
如上所述，在本发明中可以通过多重涂布而将电极活性材料以多层结构涂布在电极集电器上，且因此所述多层结构可以始终有利于在电极集电器上形成的单层活性材料层。因此，加载在电极集电器上的电极活性材料的量可以不限于特定的量。
考虑到电池的外径，所使用的正极活性材料的放电容量，相应的正极的孔隙率、加载厚度，影响集电器的物理性质的轧制密度等，仅当电极为正极时，且当正极活性材料的加载量为540mg/25cm2以上时，才可以优选通过多重涂布正极活性材料而将正极形成为多层结构。更优选地，当正极活性材料的总加载量为540mg/25cm2～650mg/25cm2时，可以优选通过多重涂布正极活性材料多于两次而将正极活性材料形成为多层结构。
在这种情况下，在各层中正极活性材料的加载量可以相同或不同。然而，具有多层结构的正极活性材料可以具有均匀加载量的正极活性材料以便均匀分散。
当在包含多层电极活性材料的电极的各层中电极活性材料的加载量不同时，在各层中的加载量可以是相对于电极集电器越往上的层加载量越是增大。也就是说，涂布在正极集电器上的正极活性材料的总加载量如上确定，且多层正极活性材料可以通过遵循“涂布在正极集电器上的第一正极活性材料的加载量<涂布在第一正极活性材料上的第二正极活性材料的加载量<涂布在第二正极活性材料上的第三正极活性材料的加载量”的条件而形成。
例如，当涂布在正极集电器上的第一正极活性材料层的加载量为100mg/25cm2时，涂布在第一正极活性材料层上的第二正极活性材料层的加载量可以为200mg/25cm2且涂布在第二正极活性材料层上的第三正极活性材料层的加载量可以为300mg/25cm2。
正极活性材料层的层数不受特别限制，但可以在涂布在正极活性材料层上的活性材料的总加载量内适当选择。
另外，当在多层电极活性材料层的各层中电极活性材料的加载量不同时，在各层中的量可以是相对于电极集电器越往上的层所述加载量越是减小。
也就是说，涂布在正极集电器上的正极活性材料的总加载量如上确定，且可以在“涂布在正极集电器上的第一正极活性材料的加载量>涂布在第一正极活性材料上的第二正极活性材料的加载量>涂布在第二正极活性材料上的第三正极活性材料的加载量”的条件下形成。
例如，当涂布在正极集电器上的第一正极活性材料层的加载量为250mg/25cm2时，涂布在第一正极活性材料层上的第二正极活性材料层的加载量可以为200mg/25cm2且涂布在第二正极活性材料层上的第三正极活性材料层的加载量可以为150mg/25cm2。
正极活性材料层的层数不受特别限制，但只有在满足涂布在正极活性材料层上的活性材料的总加载量时才可以适当选择。
也就是说，在多层正极活性材料层结构中，正极活性材料层的浓度可以随着层数相对于正极集电器变得更大而增大或减小。
另外，在例示性实施方式中，在多层正极活性材料的各层中正极活性材料的加载量可以相同。也就是说，涂布在各层上的各正极活性材料层的加载量可以相同。在这种情况下，正极活性材料层的数目不受特别限制，但只有在满足正极活性材料的总加载量时才可以适当选择。
本发明的正极可以包含在正极集电器上的如上所述的多层正极活性材料层。
在此，正极集电器可以为具有高导电性的金属且可以为可以容易地附着至正极活性材料浆料的任何金属而没有限制。特别地，可以使用通过使用铝、镍或其组合制造的箔而没有限制。
另外，正极活性材料可以为适用于常规电化学设备的正极的常见正极活性材料，例如，锂嵌入材料如由锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁氧化物或其组合获得的复合氧化物，包括LiCoO2、LiNiO2、LiClO4、LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2或LiMn2O4等而没有限制。
导电材料可以包括在构成的电池中可不经历化学变化的任何导电材料。例如，可以使用碳黑，例如乙炔黑、科琴黑、炉黑、热裂法碳黑等；天然石墨；人造石墨；导电碳纤维等。特别地，可以优选使用碳黑、石墨粉、碳纤维。
粘合剂可以包括热塑性树脂和热固性树脂中的一种或其组合。在上述种类中，可以优选聚偏二氟乙烯(PVdF)或聚四氟乙烯(PTFE)。
另外，可以使用异丙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮等作为分散介质。
在本发明的例示性实施方式中，形成多层结构的各层可以通过使用相同的活性材料成分形成或可以通过使用不同的活性材料成分形成。
例如，当正极包含三层正极活性材料层时，涂布在正极集电器上的第一正极活性材料层、第二正极活性材料层和第三正极活性材料层全都可以通过使用相同的正极活性材料浆料形成。也就是说，第一正极活性材料层、第二正极活性材料层和第三正极活性材料层可以通过使用通过在异丙醇溶剂中溶解作为正极活性材料的锂锰氧化物、作为导电材料的碳黑和作为粘合剂的PTFE而获得的正极浆料来形成。
另外，第一正极活性材料层、第二正极活性材料层和第三正极活性材料层可以通过在三层正极活性材料层中使用不同的电极活性材料浆料而形成。例如，第一正极活性材料层包含作为活性材料的锂锰氧化物，然而，涂布在第一正极活性材料层上的第二正极活性材料层可以通过涂布包含三成分锂过渡金属氧化物的正极活性材料而形成。
在这种情况下，涂布在各层上的正极活性材料层的加载量可不受特别限制，然而，其可以在上述加载量范围内作为多层正极活性材料结构形成。
上文已经描述了正极的优选实施方式，然而，当电极为负极时，也可以应用多层电极活性材料结构。当电极为负极且负极活性材料以多层结构形成时，负极活性材料的加载量可不受特别限定。然而，考虑到电池的外径，负极活性材料的放电容量，电极或电池的孔隙率、厚度等，可以优选以280mg/25cm2以上的负极活性材料的加载量形成负极活性材料。更优选地，负极活性材料的加载量可以为280mg/25cm2～340mg/25cm2。
当然，对于在多层负极活性材料中各层的成分或加载量的条件可以与对于多层正极活性材料结构的解释相同。
本发明的负极可以包含在负极集电器上的如下混合物，所述混合物通过混合包含负极活性材料的粉末与适当选择的添加剂如导电材料、粘合剂、填料、分散剂、离子电子导电材料、增压剂等而获得。
负极集电器可以为通过使用铜、金、镍、铜合金或其组合制造的箔而没有限制。
在本发明中，可以使用通常用作负极活性材料的碳材料。碳材料可以为选自天然石墨、人造石墨、纤维石墨、非晶碳和非晶碳涂布的石墨中的至少一种。
导电材料可以包括例如石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、金属粉末等。粘合剂可以包括在常见负极活性材料中通常使用的材料，例如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯等而没有限制。
将负极活性材料与各种添加剂的混合物加入诸如水或有机溶剂等的溶剂中以获得浆料或糊浆。可以借助于刮刀法等将由此获得的浆料或糊浆涂布在电极支撑基材上，将其干燥且使用轧制辊等轧制以制造负极。
本发明的二次电池可以包含含多层电极活性材料层的正极和负极以及电解质。在此，所述二次电池可以特别是锂二次电池，且所述锂二次电池可以包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池、锂离子聚合物二次电池等。
本发明的制造包含多层电极活性材料的电极的方法可不受特别限制。正极或负极浆料可以通过已知方法制备，且将活性材料涂布在电极集电器上可以通过使用已知方法进行。仅当将电极活性材料浆料涂布在电极集电器上时，可以在满足确定的加载量的同时，将涂布进行数次。更特别地，将电极活性材料在电极集电器上涂布一次，通过真空干燥法干燥，且在其上进行第二次涂布工艺以防止各层中活性材料的混合，从而使粘合剂在电极中的分散效果最大化。
另外，如上所述，在各层中电极活性材料的加载量或电极活性材料的种类可以根据二次电池的必要应用和目的来确定。可以优选确定在多层电极活性材料中，仅与电解质接触的最上层电极活性材料层或与电极集电器接触的最下层电极活性材料层会通过使用在与其他层中的电极活性材料相比时具有更好的电化学性质的电极活性材料来形成。也就是说，具有良好导电性的电极活性材料的种类和加载量可以通过考虑包括电极活性材料的比表面积、粒度、导电性等的性质而适当地选择。
因此，当可以将电极活性材料多重涂布成多层结构时，与电极集电器直接接触的活性材料层、或者在多层电极活性材料中涂布在形成电极表面的最上层上的电极活性材料，可以通过使用具有相对更好的导电性的电极活性材料涂布、或者通过涂布具有优异导电性的电极活性材料如包含导电性更好的材料的电极活性材料浆料或具有更均匀的粒度的电极浆料来涂布。优选地，所述多层电极可以通过在电极集电器上多重涂布具有良好导电性的电极活性材料而形成，或者可以通过在与电极集电器直接接触的活性材料层上以及在形成电极表面的最上层电极活性材料层上涂布具有优异导电性的电极活性材料、且通过在其他内部活性材料层上涂布其他电极活性材料而形成。
本发明的制造二次电池的方法可以是本领域中通常已知的方法。所述二次电池可以通过组装正极、负极和设置在其间的隔膜并注入非水电解液而制造。
在这种情况下，本发明的正极和负极可以通过本领域中通常已知的方法制造。制备包含各电极活性材料，即，负极活性材料和正极活性材料的各电极浆料。将由此制备的电极浆料多重涂布在各集电器上，且随后可以通过干燥等除去溶剂或分散介质，并且活性材料可以附着在集电器上且活性材料可以彼此附着。
多层电极活性材料层可以通过使用相同的活性材料成分或不同的活性材料成分制造。
另外，加载在多层电极活性材料层上的各活性材料的加载量可以相同或不同。
另外，多层电极活性材料可以形成在正极和/或负极两者上，或者可以形成在正极和负极之一上。当多层电极活性材料形成在正极和负极两者上时，正极和负极的涂层数目，即，活性材料层的数目不必相同，而可以不同。
适用于本发明的电解质可以包括具有结构A+B-的盐。A+可以包括诸如Li+、Na+、K+或其组合的碱金属阳离子，且B-可以包括诸如PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、ASF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、N(CF3SO2)2 -、C(CF2SO2)3 -及其组合的阴离子。所述盐可以在包括而不限于碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯或其混合物的有机溶剂中溶解或离解。
隔膜可以包括用于阻断两个电极的内部短路且浸渗有电解质的多孔隔膜，例如，可以使用基于聚丙烯的多孔隔膜、基于聚乙烯的多孔隔膜和基于聚烯烃的多孔隔膜而没有限制。
通过上述方法制造的二次电池、优选锂二次电池的形状可以成形为作为罐的圆柱形、多边形或袋形。
在下文中将更加全面地描述各种例示性实施方式，其中示出一些例示性实施方式。然而，本发明的发明构思可以以许多不同的形式体现且不应将其理解为受限于本文中阐述的例示性实施方式。更确切地讲，提供这些例示性实施方式从而使本说明透彻且完整，且它们将对本领域的技术人员充分转达本发明的发明构思的范围。
实施例1
(1)正极的制造
将94重量%的通过以1:1的混合比混合Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2和Li2MnO4而获得的混合正极活性材料、3.5重量%的Super-P(导电材料)和2.5重量%的PVdF(粘合剂)加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂中以制备正极活性材料浆料。
将该正极活性材料浆料以260mg/25cm2的加载量涂布在铝箔上并在真空中干燥。随后，第二次以相同的加载量涂布正极活性材料浆料。
(2)负极的制造
使用人造石墨作为负极活性材料。将94重量%的人造石墨、1重量%的Super-P(导电材料)和5重量%的PVdF(粘合剂)加入NMP溶剂中以制备负极活性材料浆料。随后将该浆料在铜箔上涂布一次，干燥并加压以制造负极。
(3)隔膜的制造
通过使用干法使聚丙烯单轴取向而制造具有165℃的熔点和200mm的宽度的微孔隔膜。
(4)锂二次电池的制造
通过将隔膜设置在正极与负极之间而制造电极组件。随后，将电极组件内装在袋形电池壳中。注入1M LiPF6碳酸酯电解液而完成电池。
实施例2
除了使用Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2和LiMn1.9Al0.1O4作为正极活性材料之外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
实施例3
除了使用Li1.2(Ni1/3Co1/3Mn1/3)0.8O2和LiMn1.8Al0.2O4作为正极活性材料之外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
实施例4
除了使用Li1.1(Ni0.4Co0.4Mn0.2)0.9O2和LiMn2O4作为正极活性材料，对于第一涂层使用320mg/25cm2的加载量且对于第二涂层使用200mg/25cm2的加载量之外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
实施例5
除了使用Li1.2(Ni0.5Co0.3Mn0.2)0.8O2和LiMn1.8Al0.2O4作为正极活性材料，对于第一涂层使用200mg/25cm2的加载量且对于第二涂层使用320mg/25cm2的加载量之外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
实施例6
除了以150mg/25cm2的加载量将负极活性材料浆料涂布在铜箔上且在真空中干燥并第二次以150mg/25cm2的相同加载量涂布相同的负极活性材料浆料以外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
比较例1
除了进行单次涂布而不是涂布正极两次以外，通过进行与实施例1中所述相同的方法来制造电池。
通过对于由实施例1～6和比较例1制造的锂二次电池提高充电速率和放电速率而以加速模式进行试验。测量放电容量并将其示出在下表1中。
Claims (6)
1.一种电极，其包含多层电极活性材料层，
其中所述多层电极活性材料层的各层中的电极活性材料由相同的电极活性材料构成，并且所述电极活性材料由两种活性材料构成，
其中在所述多层电极活性材料层的各层中电极活性材料的加载量彼此不同，并且相对于电极集电器越往上的层，所述加载量越是增大，并且
其中所述多层电极活性材料层的各层包含导电材料，并且与在所述多层电极材料层的其他层中的电极活性材料相比，与电极集电器接触的电极活性材料层和形成所述电极表面的电极活性材料层包含更多量的所述导电材料，并且
所述电极是正极。
2.根据权利要求1所述的电极，其中构成所述正极的多层正极活性材料的总加载量为540mg/25cm2～650mg/25cm2。
3.一种锂二次电池，其包含根据权利要求1或2所述的电极。
4.一种制造包含多层电极活性材料的电极的方法，其包括：
(a)制备电极活性材料；
(b)在电极集电器上涂布确定加载量的所述电极活性材料；
(c)对涂布在所述电极集电器上的所述电极活性材料进行真空干燥；以及
(d)重复步骤(b)和(c)n次，其中2≤n≤5，
其中所述多层电极活性材料层的各层中的电极活性材料由相同的电极活性材料构成，并且所述电极活性材料由两种活性材料构成，且
其中在所述多层电极活性材料层的各层中电极活性材料的加载量彼此不同，并且相对于电极集电器越往上的层，所述加载量越是增大，并且
其中所述多层电极活性材料层的各层包含导电材料，并且与在所述多层电极材料层的其他层中的电极活性材料相比，与电极集电器接触的电极活性材料层和形成所述电极表面的电极活性材料层包含更多量的所述导电材料，并且
所述电极是正极。
5.根据权利要求4所述的制造包含多层电极活性材料的电极的方法，其中所述步骤(b)中的所述确定加载量对于每次重复不同。
6.根据权利要求4所述的制造包含多层电极活性材料的电极的方法，其中用于正极活性材料的所述电极活性材料的总量为540mg/25cm2～650mg/25cm2。
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