CN103872374A - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可以在维持容量的同时具有高输出性能的二次电池。根据本发明的一个实施例的二次电池，包括电极体，该电极体具有集电箔以及在集电箔上形成的活性物质层，在活性物质层中包含的金属的金属离子被用作为可动离子，其中，活性物质层至少构成为两层，集电箔侧的第一活性物质层(第一正极层)相比另一方侧的第二活性物质层(第二正极层)具有高容量，第二活性物质层相比第一活性物质层具有高输出的同时，通过用作导电部件的剜切突起部与集电箔相连接。

Description

二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池。
背景技术
以往，作为搭载在电动汽车或插入式混合动力电动汽车等电动车辆中的发动机驱动用电池，使用的是锂离子二次电池等二次电池。锂离子二次电池在充放电时锂离子作为可动离子在电极间移动，由于在充放电时不会发生化学反应，因此电解液的浓度不会变化。如此在充电时金属离子作为可动离子移动于电解液的锂离子二次电池被称为摇椅(Rocking chair)型的二次电池。
但搭载在电动车辆中的二次电池，为了增加满足用于爬坡、加速和低温驱动车辆的大电流输出的良好输出特性，或满足快速充电或回生时的大电流输入的良好输入特性，需要其具有可长时间驱动的高能量容量特性。
为了提高这种锂离子二次电池的输入/输出特性，因此提出了一种通过调整电极材料以使正极和负极的电阻比符合一定范围的锂离子二次电池(例如，参考专利文献1)。
但，即使将这种锂离子二次电池搭载在电动汽车中，在要求加速器完全开放等的高输出时，会存有不能发挥充分输出的隐患。另一方面，如只提高锂离子二次电池的输出性能，就会使锂离子二次电池的容量下降，从而缩短行驶距离。
另外，虽然这种问题，尤其在车辆搭载用锂离子二次电池中是一种非常明显的问题，但其并不限定于车辆搭载用二次电池，也不限定于锂离子二次电池。
专利文献1：日本特开2011-187186号公报
发明内容
因此，本发明是为了解决上述现有技术中存在的问题而提出的，其提供了一种具有高输出性能的二次电池。
根据本发明的实施例的二次电池，包括电极体，所述电极体具有集电箔以及在所述集电箔上形成的活性物质层，在所述活性物质层中包含的金属的金属离子被用作为可动离子，其中，所述活性物质层由所述集电箔侧的第一活性物质层和所述集电箔的另一方侧的第二活性物质层构成为至少两层，所述第二活性物质层相比所述第一活性物质层具有容量性能和输出性能中的至少一个不相同的特性，并经由导电部件与所述集电箔连接。
在本发明的实施例中，由于第二活性物质层与集电箔连接，即使在第二活性物质层与集电箔之间设有第一活性物质层，也能抑制输出性能的下降。并且，由于第一活性物质层和第二活性物质层具有容量性能和输出性能中的至少一个不相同的特性，因此可互补两者的特性。
优选地，所述集电箔侧的第一活性物质层相比另一方侧的第二活性物质层具有高容量，所述第二活性物质层相比所述第一活性物质层具有高输出。鉴于此种构成，在维持容量的同时，可以提高输出。
作为本发明的优选实施例，所述活性物质层是含有构成正极的正极活性物质的正极活性物质层。
作为本发明的优选实施例，所述导电部件由与所述集电箔相同的材料构成。
优选地，所述导电部件是所述集电箔被剜切而突起形成的剜切突起部。据此，可简便、确切地设置用于连接集电箔和第二活性物质层的导电部件。
作为本发明的优选实施例，所述导电部件由与所述集电箔不同的材料构成。
并且，作为本发明的优选实施例，所述导电部件构成为所述导电部件与所述第二活性物质层的接触面积大于所述导电部件与所述集电箔的接触面积。
根据本发明的实施例的二次电池，在维持容量的同时，可以发挥具有高输出性能的良好效果。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的二次电池的立体图。
图2中(1)是示出根据本发明第一实施例的二次电池的沿图1的A-A'线的剖视图，(2)是示出沿图1的B-B'线的剖视图。
图3中(1)是示出根据本发明第一实施例的二次电池的电极体的部分放大剖视图，(2)是示出正极活性物质层的部分放大剖视图。
图4中(1)是示出根据本发明第二实施例的正极活性物质层的制造过程的模式图，(2)是部分放大剖视图。
图5中(1)是示出根据本发明第三实施例的正极活性物质层的制造过程的模式图，(2)是部分放大剖视图。
图6是示出根据本发明其他实施例的正极活性物质层的部分放大剖视图。
图7是示出根据本发明其他实施例的正极活性物质层的部分放大剖视图。
图8是示出根据本发明其他实施例的正极活性物质层的部分放大剖视图。
图9中(1)是示出根据本发明其他实施例的正极活性物质层的制造过程的模式图，(2)是部分放大剖视图。
附图标记说明
11：外壳                       12：盖部
13：电极体                     14：电解液
15：正极端子                   16：负极端子
17：正极集电部                 18：负极集电部
21：隔膜                       22：正极板
23：负极板                     24：正极集电板
25：正极活性物质层             26：负极集电板
27：负极活性物质层             31：第一正极层
32：第二正极层                 33：集电箔
34：剜切突起部                 35A至35E：导电部件
36B、36C：开口
具体实施方式
(第一实施例)
利用图1和图2对本发明的第一实施例进行说明。图1是示出根据本实施例的二次电池(锂离子二次电池)的立体图；图2中(1)是示出沿图1的A-A'线的剖视图，(2)是示出沿图1的B-B'线的剖视图。
本发明的二次电池1搭载在例如电动车辆中。二次电池1包括大体上为长方体形状的外壳11和配置在外壳11的开口部中用于密封外壳11的盖部12。如图2所示，外壳11内容纳电极体13。并且外壳11内部注入电解液14，且电极体13浸渍在电解液14中。电极体13是将之间夹入隔膜的正极板和负极板层叠后卷绕而形成，图中的横向为层叠方向。
作为电解液14，可以是在通常使用的溶剂例如环状碳酸酯即碳酸乙烯酯（ethylene carbonate）或碳酸丙烯酯（propylene carbonate）和链状碳酸酯即碳酸二甲酯（dimethyl carbonate）或碳酸甲乙酯（ethyl methylcarbonate）、碳酸二乙酯（diethyl carbonate）的混合溶液中加入六氟磷酸锂(LiPF6)进行溶解而形成的浓度为1mol/1l左右的有机电解液。
在盖部12中设置正极端子15和负极端子16。正极端子15与正极集电部17连接。并且负极端子16与负极集电部18连接。正极集电部17和负极集电部18分别与电极体13的正极板和负极板连接。即，正极板和正极集电部17与正极端子15互相电连接。并且，负极板和负极集电部18与负极端子16互相电连接。
电极体13是将之间夹入隔膜而设置的正极板和负极板卷绕而构成。如图3的(1)所示，电极体13由之间夹入隔膜21而设置的正极板22和负极板23构成。正极板22由正极集电板24和设置在正极集电板24的两面且各自含有正极活性物质的正极活性物质层25构成。负极板23由负极集电板26和设置在负极集电板26的两面且各自含有负极活性物质的负极活性物质层27构成。
作为负极活性物质层27所含有的负极活性物质可以是通常用于负极的活性物质，例如石墨、软碳(soft carbon)或硬碳(hard carbon)等非晶质碳材料。并且，石墨可以是人造石墨也可以是天然石墨。并且，可使用Li4Ti5O12等氧化物系负极材料，或合金系负极材料，所述合金系负极材料包含Al、Si、Ge、Sn等，根据与锂离子的可逆电化学反应，在接近0伏（V）时可使Li或Li离子成为锂合金。并且，能适用于本发明的负极活性物质并不限定于此，只要能使负极发生电池反应即可。例如，除此之外还可使用金属锂、金属氧化物、金属硫化物和金属氮化物等。金属氧化物也可以是例如锡氧化物或硅氧化物等具有不可逆性容量的物质。
并且，在负极活性物质层27中也可包含乙炔黑（acetylene black）等导电性强化剂和电解质(例如，锂盐(支持电解质)，离子导电性聚合物等)。并且在包含离子导电性聚合物时，也可包括用于聚合所述聚合物的聚合引发剂。
利用图3的(2)对正极活性物质层25进行详细说明。正极活性物质层25分别由在正极集电板24上形成的第一正极层(第一活性物质层)31和在第一正极层31上形成的第二正极层(第二活性物质层)32构成。第一正极层31相比第二正极层32构成为具有高容量。第二正极层32相比第一正极层31构成为具有高输出。
对于第一正极层31和第二正极层32来讲，只要第一正极层31相比第二正极层32具有高容量且第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，那么其可以为任何构成，只要考虑活性物质的输出特性和容量特性以及活性物质的平均粒子直径、各层厚度等进行适当设定即可。
现对正极活性物质进行说明。在本实施例中，第二正极层32含有镍酸锂，第一正极层31具有锰酸锂。通过由这种活性物质构成各个层，可以简便地使第一正极层31相比第二正极层32具有高容量并且使第二正极层32相比第一正极层31具有高输出。
构成各层的正极活性物质并不限定于此。例如考虑到输出特性和容量特性，可分别在下述记载的正极活性物质中进行选择，以使第二正极层32相比第一正极层31具有高输出并且使第一正极层31相比第二正极层32具有高容量。
正极活性物质可以是尖晶石型的金属氧化物和金属化合物、磷酸盐型的金属氧化物等。层状结构型的金属氧化物可以是锂镍复合氧化物、锂钴复合氧化物和三元复合氧化物(LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2)等。作为锂镍复合氧化物，优选的是镍酸锂(LiNiO2)。作为锂钴复合氧化物，优选的是钴酸锂(LiCoO2)。尖晶石型的金属氧化物可以是锰酸锂(LiMn2O4)等锂锰复合氧化物。磷酸盐型的金属氧化物可以是磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸锰锂(LiMnPO4)等。
与上述正极活性物质相关，其容量特性的高与否例如能够以活性物质的理论容量为基础进行判断。例如，LiCoO2的理论容量是274mAh/g，LiNiO2的理论容量是274mAh/g，LiMn2O4的理论容量是148mAh/g，LiFePO4的理论容量是170mAh/g。LiCoO2和LiNiO2相比LiMn2O4和LiFePO4因理论容量高，故可将其判断为具有相对高容量的特性。
并且，还可考虑输出特性和容量特性来选择活性物质，且调整下述说明的活性物质的粒子直径或导电助剂的配合，以构成为第二正极层32相比第一正极层31具有高输出且第一正极层31相比第二正极层32具有高容量。
第二正极层32中含有的活性物质的平均粒子直径优选为0.1至100μm，更优选为30μm以下。其原因是此范围内活性物质的总表面积增大并且据此可增强反应性从而提高输出。第二正极层32进一步包括导电助剂。导电助剂可以是乙炔黑或科琴黑(Ketjen Black)。在本实施例中含有乙炔黑。在第二正极层32中优选地含有3～30质量%的导电助剂，更优选地导电助剂的含量为20质量%以上。通过含有3～30质量%的导电助剂，可增强第二正极层32的输出特性。第二正极层32的厚度为1～100μm。
第一正极层31中含有的正极活性物质的平均粒子直径优选为0.1～200μm，更优选为比30μm更大。在此范围内可增强容量特性。第二正极层32可进一步包括导电助剂。在本实施例中含有作为导电助剂的乙炔黑。优选地含有0～25质量%的导电助剂，更优选地导电助剂的含量为不足20质量%。通过含有0～25质量%的导电助剂，在不降低容量的情况下可提高第一正极层31的容量特性。第一正极层31的厚度为5～300μm，优选地比100μm更厚。
考虑到这些活性物质的输出特性和容量特性、活性物质的平均粒子直径、导电助剂的配合或层厚度，使得第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，并且第一正极层31相比第二正极层32具有高容量。即，为使第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，并且第一正极层31相比第二正极层32具有高容量，将第二正极层32的活性物质的平均粒子直径变小且将第一正极层31的活性物质的平均粒子直径变大即可。并且为使第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，且第一正极层31相比第二正极层32具有高容量，在提高容量性能时将厚度变厚即可，在提高输出性能时将厚度变薄即可。
如上所述，在本实施例中，考虑这些活性物质的输出特性和容量特性，以及活性物质的平均粒子直径和层厚度，构成第一正极层31和第二正极层32以使第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，并且第一正极层31相比第二正极层32具有高容量。
并且，即使在第二正极层32和第一正极层31中使用了相同的活性物质，通过使第一正极层31的活性物质的平均粒子直径变小，或增加导电助剂，以此可以使第二正极层32的输出特性相对于第一正极层31提高的同时也可相对地提高第一正极层31的容量特性。
在本实施例中，由于将正极活性物质层构成为具有这种不同特性的两层的正极层，因此二次电池可实现高输出和高容量。即，若将正极层只由第一正极层31或第二正极层32构成的话，由于只能满足输出特性和容量特性中的一个，因此在本实施例中，以第一正极层31和第二正极层32构成正极层。
但，在输出时欲使来自第二正极层32的电子到达至正极集电板24侧，电子需通过第一正极层31，由此会存有不能发挥期待的输出性能的隐患，从而有必要对此进行防止。因此，在本实施例中，将正极集电板24构成为两张的集电箔33，且将各集电箔与第二正极层32通过导电部件进行电连接。
以下进行详细说明。正极集电板24接合两张集电箔33而形成。集电箔33由铜或银等通常作为配线使用的金属而构成，在本实施例中由铝构成。各集电箔33在其一端面侧上分别形成正极活性物质层25。在各集电箔33中分别形成由其一部分被剜切而突起的剜切突起部34。此剜切突起部34的前端延伸至第二正极层32中，由此通过剜切突起部34，集电箔33与第二正极层32相电连接。
在本实施例中，由于剜切突起部34按如上所述而形成，因此可以更加提高第二正极层32的输出特性。即，由于剜切突起部34起到导电部件的作用，因此由剜切突起部34来形成输出特性高的第二正极层32与集电箔33相电连接的导电通路。据此，在需要高输出时，由于第二正极层32的电子经由作为导电通路的剜切突起部34而到达至集电箔33，因此可从第二正极层32获取更高应答性的输出。
如上所述，在本实施例中，为了在维持容量特性的同时提高输出特性，而具备了高容量的第一正极层31和高输出的第二正极层32，并且第二正极层32和集电箔33相电连接。此时，存在于第二正极层32中的电子若不通过第一正极层31则不能到达至集电箔33，并且若不能到达至集电箔33则不能使其具有高的输出特性，但在本实施例中，第二正极层32的电子并不经由第一正极层31而到达至集电箔33，而是通过剜切突起部34到达至集电箔33。因此，与通过第一正极板31的情形相比电子的移动更容易。其结果，二次电池能更加发挥第二正极层32的输出性能，从而满足高输出的要求。
虽然在本实施例中，两张集电箔33是将剜切突起部34互相错开而粘贴在一起的，但其并不限定于此。例如，剜切突起部34彼此对向也可以。
并且，负极活性物质层27和正极活性物质层25也可分别进一步包括聚偏氟乙烯等粘合剂(binder)。
在所述本实施例的二次电池中，首先，针对形成有剜切突起部34的集电箔33，调整用于形成第一正极层31的浆（slurry），并对此进行涂布和干燥，进而形成第一正极层31，此后，调整用于形成第二正极层32的浆，并对此进行涂布和干燥，进而形成第二正极层32。在干燥时还可进行加热，干燥后还可进行冲压（press）工艺。此时因剜切突起部34具有一定程度的刚性，因此即使涂布了浆也不会发生颠倒。并且，此后接合形成了第一正极层31和第二正极层32的两张集电箔33而形成一张正极板22。因此，如上所述，能够简便地形成根据本实施例构成的正极活性物质层25。
(第二实施例)
在上述第一实施例中，通过剜切突起部34将集电箔33和第二正极层32电连接，但在本实施例中，如图4所示，其差异在于通过导电部件35A将集电箔33A和第二正极层32A电连接。并且，在本实施例中为了便于说明，省略了隔膜侧的集电箔和正极活性物质层。
在本实施例中，在集电箔33A上形成第一正极层31A和第二正极层32A后，从第二正极层32A的表面侧插入棒状的导电部件35A。导电部件35A是比第一正极层31A的厚度更长的棒状部件。导电部件35A可以使用通常作为配线使用的金属例如铜（Cu）或银（Ag）等。导电部件35A在与具有刚性的集电箔33A接触的状态下滞留在正极内。
在本实施例中，导电部件35A虽然采用了金属，但其只要电阻低，即为通常作为配线使用的材料，则不做特别的限定。例如，可用与集电箔33相同的金属来形成，也可用不同的金属来形成。
在如上所述形成的本实施例中，二次电池包括具有第一正极层31A和第二正极层32A之两种不同性能的正极层，并且第二正极层32A和集电箔33A经由导电部件35A相连接，因此二次电池在维持容量的同时也具有高的输出性能。
(第三实施例)
在上述第二实施例中，从第二正极层32A的表面侧插入棒状的导电部件35A而通过导电部件35A形成了导电通路，但在本实施例中，如图5所示，与第二实施例的差异在于，从集电箔33B侧插入棒状的导电部件35B而通过导电部件35B形成导电通路。在本实施例中为了便于说明，省略了隔膜侧的集电箔和正极活性物质层。
如图5中(1)所示，在本实施例中，在集电箔33B上形成第一正极层31B和第二正极层32B之后，从在集电箔33B上形成的开口36B插入棒状的导电部件35B。导电部件35B与第二实施例中的导电部件35A相同。并且在集电箔33B上形成的开口36B处插入棒状的导电部件35B。此时，开口36B的直径比导电部件35B的直径略小。鉴于此种结构，若向开口36B中插入导电部件35B，则导电部件35B可与集电箔33B连接，从而通过导电部件35B使得第二正极层32B与集电箔33B连接。
并且，在本实施例中，虽然在集电箔33B上形成开口36B，且从开口36B插入导电部件35B，但本发明并不限定于此。可用比集电箔33B更结实的金属构成导电部件35B，并且据此可用导电部件35B穿透集电箔33B而插入至正极活性物质层内进行配置。
在如上述形成的本实施例中，二次电池包括具有第一正极层31B和第二正极层32B之两种不同性能的正极层，并且第二正极层32B和集电箔33B经由导电部件35B相连接，因此二次电池在维持容量的同时也具有高的输出性能。
(第四实施例)
在上述第三实施例中，导电部件35B是棒状，但在本实施例中，其与第三实施例的差异在于导电部件35C是钉形状。并且，在本实施例中为了便于说明，省略了隔膜侧的集电箔和正极活性物质层。
在本实施例中，导电部件35C由棒状的躯干部和直径比躯干部大的头部构成，当通过集电箔33C的开口36C插入至第一正极层31C侧时，所述导电部件35C的头部能起到阻挡件(stopper)的作用。在如上所述构成中，导电部件35C能更容易与集电箔33C接触，因此能更好地起到导电部件的作用。
在如上所述形成的本实施例中，二次电池包括具有第一正极层31C和第二正极层32C之两种不同性能的正极层，并且第二正极层32C和集电箔33C经由导电部件35C相连接，因此二次电池在维持容量的同时也具有高的输出性能。
(其他实施例)
上述剜切突起部34或导电部件(35A至35C)的形状并不局限于此。例如，如下图7和图8中所示的实施例中，导电部件构成为与第二活性物质层的接触面积相比与集电箔的接触面积更大。
如图7所示，导电部件35D，其相对集电箔33D的后端侧还可被分叉为多个。此时，能更加提高输出特性。并且，如图8所示，导电部件35E，其相对集电箔33E的前端侧还可形成为尖端部。由于将此导电部件35E的前端形成为尖端部，因此更容易进行插入。
并且，导电部件向正极活性物质层25的导入方法并不限定于上述示例。例如，如图9中(1)所示，也可事先将导电部件35F混载于浆中并对其进行涂布，并且如图9中(2)所示，在干燥时使导电部件35F竖立。为了竖立导电部件35F，例如可以通过磁铁等使导电部件35F竖立，也可以在干燥时伴随着浆的蒸发使其变成竖立形状。
当然，也可使导电部件35C的钉形状发生变形，或使导电部件35D、35E的分叉数或分叉方向发生变形。
在上述实施例中，虽然利用锂离子电池对二次电池进行了说明，但其并不限定于此。只要为将金属离子作为可动离子的摇椅型的二次电池即可。这种摇椅型的二次电池除此以外还可以例举钠离子电池等。
在上述实施例中，虽然只在集电箔33A至33E的一端面上设置了导电部件35A至35E，但其并不限定于此。也可在集电箔33A至33E的两面设置导电部件35A至35E。
在上述实施例中，虽然层叠了第一正极层31和第二正极层32，但其并不限定于此。可在第一正极层31和第二正极层32之间形成紧贴层，而且可在第一正极层31和集电箔33之间形成紧贴层。并且也可在第二正极层32上再形成另外表层。
并且，在上述实施例中，虽然由两张集电箔33形成了集电板，但其并不限定于此。例如，可在一张集电箔33A的两面上形成第一正极层31A和第二正极层32A后，从两侧表面开始设置导电部件35A也无妨。
在上述实施例中，虽然第一正极层31相比第二正极层32具有高容量，且第二正极层32相比第一正极层31具有高输出，但其并不限定于此。只要第一正极层31和第二正极层32具有不同特性即可。例如，第一正极层31可以相比第二正极层32具有高输出。此时，根据导电部件，即使介入第一正极层31也能提高来自第二正极层32的输出。

Claims (7)

1.一种二次电池，包括电极体，所述电极体具有集电箔以及在所述集电箔上形成的活性物质层，在所述活性物质层中包含的金属的金属离子被用作为可动离子，
其中，所述活性物质层由所述集电箔侧的第一活性物质层和所述集电箔的另一方侧的第二活性物质层构成为至少两层，
所述第二活性物质层相比所述第一活性物质层具有容量性能和输出性能中的至少一个不相同的特性，并经由导电部件与所述集电箔连接。
2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述第一活性物质层相比所述第二活性物质层具有高容量，所述第二活性物质层相比所述第一活性物质层具有高输出。
3.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述活性物质层是含有构成正极的正极活性物质的正极活性物质层。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的二次电池，其特征在于，所述导电部件由与所述集电箔相同的材料构成。
5.如权利要求4所述的二次电池，其特征在于，所述导电部件是将所述集电箔剜切而突起形成的剜切突起部。
6.如权利要求1至3中任意一项所述的二次电池，其特征在于，所述导电部件由与所述集电箔不同的材料构成。
7.如权利要求6所述的二次电池，其特征在于，所述导电部件构成为所述导电部件与所述第二活性物质层的接触面积大于所述导电部件与所述集电箔的接触面积。
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