CN103907228B - 电极材料、以及均包括该材料的电池、非水电解质电池和电容器 - Google Patents

电极材料、以及均包括该材料的电池、非水电解质电池和电容器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有高容量并能够实现高输出的电极材料、以及使用所述电极材料的电池、非水电解质电池和电容器。所述电极材料包含担载于片状铝多孔体上的活性材料，该电极材料的特征在于：所述铝多孔体具有这样的骨架结构，该骨架结构的内部具有空隙并且包含铝层，并且沿平行于片材厚度方向切割所述结构并观察时，该骨架结构中空隙的平均面积为500μm2至6,000μm2。

Description

电极材料、以及均包括该材料的电池、非水电解质电池和电容器
技术领域
本发明涉及一种电极材料，该电极材料为用于形成诸如非水电解质电池之类的电池和电容器的部件，其中所述电池和电容器被用作小型电子设备的电源等。
背景技术
铝是一种导电性和耐腐蚀性优异且轻质的材料。在电池应用中，例如，通过在铝箔表面上涂敷活性材料(例如，钴酸锂)而将其用作非水电解质电池(例如，锂离子电池)的正极。更具体而言，通过将导电助剂、粘结剂树脂等与活性材料(例如，钴酸锂)粉末混合而形成的糊状材料涂敷于铝箔的两个表面上并随后进行干燥，从而制得正极(专利文献1)。
另一方面，具有三维网状结构的金属多孔体被用于诸如各种过滤器和电池电极的应用中。例如，由镍制成的CELMET(住友电气工业株式会社的注册商标)被用作诸如镍氢电池和镍镉电池之类的电池中的电极材料。当将这样的金属多孔体用作电极时，将导电助剂、粘结剂树脂等与活性材料混合而形成糊状材料并将该糊状材料填充至该金属多孔体中，从而制得电极。例如，专利文献2描述了一种碱性电池的电极，该电极是通过用活性材料填充由金属多孔体形成的集电极而形成的。
引用列表
专利文献
专利文献1：已公布的日本专利申请特开2001-143702
专利文献2：已公布的日本专利申请特开平8-69802
发明内容
技术问题
在非水电解质电池中，当将用作正极材料的铝箔替换为铝多孔体时，由于铝多孔体内部能够填充活性材料，所以正极的容量会增加。更具体的原因是，即使电极的厚度增加，活性材料也能够被利用，从而提高了每单位体积的活性材料的利用率。
至于包括铝多孔体的电极的制备方法，正如包括镍多孔体的电极那样，可以构想这样的方法，其中用通过将导电助剂、粘结剂树脂等与活性材料混合而形成的糊状材料(活性材料复合物)填充金属多孔体。更具体而言，用活性材料复合物填充片状铝多孔体(填充步骤)，之后将包含在活性材料复合物中的溶剂干燥。随后进行压制，以在片材的厚度方向上压缩铝多孔体(压缩步骤)。压缩步骤减小了电极的体积，使得正极的单位体积的容量得以增加。此外，该步骤能够降低铝和活性材料之间的接触电阻，从而提高活性材料的利用率。
考虑到正极容量和活性材料填充密度的增加，期望的是以更大的压缩率进行所述压缩步骤中的压缩，从而能够将铝多孔体片材的厚度降低至尽可能薄的程度。然而，当将铝多孔体用作诸如非水电解质电池之类的电池中的电极时，如果压缩率过高，则电极中的空隙就会减少，从而使电解液的渗透性降低，结果导致电池的输出下降。考虑到上述情况，本发明的目的是提供能够同时实现高容量和高输出的电极材料，以及均包含该电极材料的电池、非水电解质电池和电容器。
问题的解决方案
本发明提供了一种具有片状铝多孔体的电极材料，该铝多孔体担载有活性材料。在该电极材料中：
上述铝多孔体具有由铝层形成、并且在其内部具有空隙的骨架结构，并且
当沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割并观察时，上述骨架结构中的空隙的平均面积为500μm2以上6,000μm2以下。
图1示出了用于本发明的铝多孔体的例子。如图1所示，该多孔体由具有三维网状形态的骨架结构4形成。图2为示出了铝多孔体的骨架结构4的截面示意图。骨架结构4由铝层5形成，并且在其内部具有空隙6。骨架结构4具有近似三角形的截面，并且骨架结构4的直径为约100μm至250μm，其中该直径由经过该三角形三个顶点的圆的直径“a”表示。骨架结构的截面形状不限于此形状，可以使用各种形状，例如圆形、椭圆形和四边形。
图3为示出了铝多孔体被活性材料填充的状态的截面示意图。活性材料7主要位于骨架结构4的外部。当铝多孔体被活性材料填充以后，在片材的厚度方向上对铝多孔体进行压缩。该操作使得骨架结构4塌陷，从而减小了内部的空隙6的面积。图4为示出了该状态的示意图。在包括铝多孔体的电池(例如，非水电解质电池)的电极中，当空隙6的平均面积被限定为500μm2以上6,000μm2以下时，电解液便渗透至骨架结构的空隙6中。因此，电解液中的离子被输送至电极中的活性材料，从而能够增加输出。此外，由于骨架结构4中的空隙6没有被活性材料填充，所以为了增加正极每单位体积的容量，空隙6的面积最好不要过大。理想的是该面积为6,000μm2以下，更理想地为4,000μm2以下。在以上描述中，将30个空隙的面积取平均值而得到的数值定义为空隙的平均面积。
理想的是铝层5的厚度“b”为0.5μm以上50μm以下。如果铝层5的厚度小于0.5μm，铝多孔体的强度将会降低。如果铝层的厚度大于50μm，铝多孔体的孔隙率将会降低。更理想的是该厚度为3μm以上30μm以下，优选为5μm以上20μm以下。
理想的是，活性材料为选自由钴酸锂、镍酸锂、镍钴酸锂、锰酸锂和钛酸锂构成的组中的至少一者。
本发明还提供了一种制备电极材料的方法。该方法包括：
(a)制备片状铝多孔体的步骤，其中该片状铝多孔体具有由铝层形成、并且在其内部具有空隙的骨架结构；
(b)将活性材料填充至上述铝多孔体中的填充步骤；以及
(c)在片材的厚度方向上对填充了上述活性材料的所述铝多孔体进行压缩的压缩步骤。
在该方法中，在所述压缩步骤之后，当沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割并观察时，所述骨架结构中的上述空隙的平均面积为500μm2以上6,000μm2以下。由于压缩步骤后的空隙面积为500μm2以上6,000μm2以下，因此可提高电池的输出。
期望的是，上述压缩步骤后通过沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割而观察到的所述骨架结构中的上述空隙的平均面积为上述压缩步骤前通过沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割而观察到的骨架结构中的上述空隙的平均面积的40％以上。当空隙保持为使得压缩步骤后的面积为压缩步骤前的面积的40％以上时，电解液就会渗透至空隙内，从而电池的输出得以增加。
本发明还提供一种包括上述电极材料作为正极或负极、或者作为正极和负极的电池。在电池中使用上述电极材料能够提高电池的容量和输出。具体而言，该电极材料可有利地用于锂离子电池等非水电解质电池中。此外，本发明提供了一种包括上述电极材料的电容器。使用上述电极材料可使电容器的容量和输出得以增加。
本发明的有益效果
本发明可提供能够同时实现高容量和高输出的电极材料，并提供包括该电极材料的电池、非水电解质电池和电容器。
附图简要说明
图1为铝多孔体的放大的表面照片。
图2为示出了铝多孔体的骨架结构的截面示意图。
图3为示出了铝多孔体被活性材料填充的状态的截面示意图。
图4为示出了铝多孔体被活性材料填充后，在厚度方向上对其进行压缩的状态的截面示意图。
图5为说明铝多孔体的制备过程的截面示意图。
图6为示出了压缩前铝多孔体的骨架结构截面的SEM照片。
图7为示出了压缩后铝多孔体的骨架结构截面的SEM照片。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行说明。在以下引用的附图中，具有相同编号的部分为相同或彼此相当的部分。本发明不限于所述的具体实施方式。本发明的保护范围由随附的权利要求书的范围表示。因此，本发明旨在涵盖与权利要求书的范围具有等同的含义和范围内的所有修改和变型。
铝多孔体的制备过程
图5为说明铝多孔体的制备过程的例子的图。其为示出了通过使用树脂多孔体作为芯材而形成铝多孔体的过程的截面示意图。图5(a)为通过放大具有三维网状结构的树脂多孔体(发泡树脂成形体)的表面而绘制的放大示意图，其中该树脂多孔体为基体树脂成形体的例子。通过使用发泡树脂成形体1作为骨架从而形成孔。接下来，赋予发泡树脂成形体的表面以导电性。如图5(b)所示，该步骤在发泡树脂成形体1的表面上形成了由导电材料形成的薄导电层2。随后，在熔融盐中进行镀铝，以在具有导电层的树脂成形体的表面上形成铝镀层3(图5(c))。该操作制备了由铝镀层3形成的铝多孔体，其中铝镀层3是在用作基材的树脂成形体的表面上形成的。接下来除去基体树脂成形体。通过分解或以其它方式来除去发泡树脂成形体1，能够得到仅具有金属层的铝多孔体(图5(d))。以下将按照加工顺序对各个步骤进行说明。
树脂多孔体的制备
制备具有三维网状结构的树脂多孔体。可选择任意树脂作为用于树脂多孔体的材料。可示出聚氨酯、三聚氰胺、聚丙烯和聚乙烯作为发泡树脂成形体的材料的例子。可选择具有任意形状的树脂多孔体，只要其具有连续的孔(连通的孔)即可。理想的是，树脂多孔体的孔隙率为80％至98％，并且孔径为50μm至1,000μm。由于聚氨酯泡沫和三聚氰胺泡沫不仅具有高的孔隙率和孔连通性，而且还具有优异的热分解性能，因此可特别有利地用作树脂多孔体。聚氨酯泡沫在孔的均匀性和容易获得性方面是有利的。因为三聚氰胺泡沫能够得到小孔径的产品，所以三聚氰胺泡沫是有利的。
聚氨酯泡沫的骨架在垂直于骨架延伸方向的横截面上具有近似三角形的形状。在此，通过以下等式定义孔隙率：
孔隙率＝(1-(多孔体的重量[g]/多孔体的体积[cm3]×材料的密度)))×100[％]。
通过如下方式得到孔径。通过显微镜照片等放大树脂成形体的表面。计算每英寸(25.4mm)的孔数作为空孔数目。通过使用以下等式得到平均值：平均孔径＝25.4mm/空孔数目。
铝层的形成
在树脂多孔体的表面上形成铝层。可通过包括气相法(例如，气相沉积、溅射和等离子体CVD)、铝糊状物的涂布、以及镀覆法在内的任意方法形成铝层。由于在水溶液中镀铝实际上几乎是不可能的，因此有利的是进行在熔融盐中镀铝的熔融盐电镀。通过如下方式进行熔融盐电镀。可使用双组分体系(例如AlCl3–XCl(X：碱金属)体系)或者多组分体系的盐。将树脂多孔体浸于熔融盐中。在铝板上施加电位以进行电镀。可使用有机卤化物和卤化铝的共晶盐作为熔融盐。可使用咪唑鎓盐、吡啶鎓盐等作为有机卤化物。其中理想的是1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓(EMIC)和丁基氯化吡啶鎓(BPC)。为了进行电镀，预先赋予树脂多孔体的表面以导电性。可通过包括以下方法在内的任意方法进行该赋予导电性的处理：导电性金属(例如，镍)的非电镀、铝等的气相沉积和溅射等，以及包含导电性颗粒(例如，碳颗粒)的导电性涂层的涂布。
树脂的除去
接下来除去树脂以获得铝多孔体。可通过包括以下方法在内的任意方法除去树脂，这些方法为：通过利用有机溶剂、熔融盐或超临界水的分解(溶解)、以及热分解。与镍等不同的是，一旦铝被氧化，它就难以通过还原进行处理。因此，理想的是通过不易于使铝氧化的方法除去树脂。例如，有利地是采用通过在熔融盐中进行热分解以除去树脂的方法，下面对该方法进行了阐述。
通过如下所述的过程进行熔融盐中的热分解。将表面上已经形成有铝镀层的树脂多孔体浸入熔融盐中。在向铝层施加负电位的同时，进行加热以使树脂多孔体分解。在浸入熔融盐中的状态下施加负电位可以在铝不被氧化的情况下使得树脂多孔体分解。可以根据树脂多孔体的类型来适当地选择加热温度。然而，为了不是铝熔融，需要在不高于铝熔点(660℃)的温度下进行处理。有利的温度范围为500℃以上650℃以下。所施加的负电位的值相对于铝的还原电位位于负侧，并且相对于熔融盐中阳离子的还原电位位于正侧。
关于用于树脂热分解的熔融盐，可使用碱金属或碱土金属的卤化物盐或硝酸盐，这二者均可使铝的电极电位变低。更具体而言，有利的是熔融盐包含选自氯化锂(LiCl)、氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、氯化铝(AlCl3)、硝酸锂(LiNO3)、亚硝酸锂(LiNO2)、硝酸钾(KNO3)、亚硝酸钾(KNO2)、硝酸钠(NaNO3)和亚硝酸钠(NaNO2)所构成的组中的至少一者。该方法能够制备表面具有薄氧化层且氧含量低的铝多孔体。铝多孔体仅需要为片状，而对其尺寸无特别限定。考虑到后续步骤操作的简便性，例如可使用宽度约1m、长度约200m、厚度约1mm的片材。
用于非水电解质电池的电极的制备：活性材料浆料的制备
作为活性材料，使用了钴酸锂(LiCoO2)、亚锰酸锂(LiMn2O4)、镍酸锂(LiNiO2)等。通过将活性材料与导电助剂(例如，乙炔黑)、粘结剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))和溶剂(例如，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))混合而制备了浆料。通过考虑电极容量、导电性、浆料的粘度等因素从而适当地确定这些材料的混合比率。
接下来，对用于非水电解质电池的电极的制备过程进行说明。在将卷绕成辊状的铝多孔体解开后，按照以下顺序制备电极：厚度调节步骤、引线焊接步骤、浆料填充步骤、干燥步骤、压缩步骤和切割步骤。在厚度调节步骤中，将片状铝多孔体调节至具有特定的厚度，以减少厚度的变化。在将引线焊接至经过厚度调节的铝多孔体之后，利用辊将上述活性材料浆料填充至铝多孔体中，之后，使多孔体通过烘干炉以进行干燥，从而除去活性材料浆料中的溶剂。
再次使铝多孔体通过辊，从而在片材的厚度方向上对其进行压缩。该压缩步骤减少了铝多孔体骨架结构中的空隙的面积，由此提高了活性材料的填充密度。之后根据需要沿长度和厚度方向进行切割，以得到用于非水电解质电池的电极。在这种情况下，填充了活性材料的铝多孔体无需经过压缩步骤即可被用作非水电解质电池用电极。
通过下述方法得到压缩步骤前后的空隙的平均面积。在平行于片材厚度方向的方向上切割片状铝多孔体。通过使用显微镜照片等将其截面放大约300倍。在包括空隙的骨架结构部分中绘制宽度为5μm至10μm的网格状线(lattice-formingline)。对网格中部分包含孔隙或全部为空隙的网格数(N1)以及网格中全部为空隙的网格数(N2)进行计数。通过如下所示的等式(1)计算出空隙的面积。得到30个空隙的面积，将其平均值定义为平均面积。
面积(μm2)＝网格面积(μm2)×[N2+(N1-N2)/2]....(1)
空隙的平均面积被限定为500μm2以上6,000μm2以下。如果平均面积较大，则电解液容易渗透至骨架结构中。因此，即使将电池用于大电流时，其放电容量也能够增加。更理想的平均面积的范围是500μm2以上4,000μm2以下。因为骨架结构4中的空隙6没有被活性材料填充，所以为了增加正极的单位体积的容量，空隙6的面积最好不要过大；理想的是该面积为6,000μm2以下，更理想地为4,000μm2以下。
非水电解质电池
非水电解质电池具有由上述电极形成的正极、石墨制成的负极、以及由溶解有锂盐的非水电解液构成的电解质。作为非水电解液，可使用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯等。作为锂盐，可使用四氟硼酸锂、六氟磷酸锂等。在电极之间设置有由多孔聚合物膜、无纺布等构成的隔板。电极和隔板均浸有非水电解液。由于使用了较大表面积的铝多孔体作为正极的材料，因此即使使用较小的电极面积也能够增加容量，从而能够增加电池的能量密度。电极中的空隙并没有被完全压缩，也就是说，仍然留有一定部分的空隙。因此，非水电解液会渗透入空隙中，从而能够实现高输出。
用于熔融盐电池的电极材料
本发明的电极材料还能够用作熔融盐电池的电极材料。当该电极材料被用作熔融盐电池的正极材料时，作为活性材料，可使用能够插入作为电解质的熔融盐阳离子的铬酸钠(Na2CrO4)、亚铬酸钠(NaCrO2)、二硫化钛(TiS2)或其它金属化合物。活性材料与导电助剂和粘结剂组合使用。可使用乙炔黑作为导电助剂。可使用聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等作为粘结剂。将活性材料、导电助剂、粘结剂和溶剂混合，以制备活性材料的浆料。与非水电解质电池的电极相同的是，用活性材料的浆料填充铝多孔体，从而制备电极材料。
熔融盐电池
对包括上述电极材料作为正极的熔融盐电池的结构进行说明。作为负极，使用了包含由钠单质、钠与其它金属的合金、碳等构成的活性材料的电极材料。由于钠的熔点约为98℃，而且随着温度升高该金属会软化，因此有利的是，将钠与其它金属(Si、Sn、In等)制成合金。其中，特别是，钠和锡的合金由于易于操作而是有利的。将这些正极材料、负极材料以及隔板容纳在壳体中。使用了熔融盐作为电解质。可使用在工作温度下能熔融的各种无机盐及有机盐作为熔融盐。熔融盐阴离子的种类包括：双(氟磺酰)亚胺离子(FSA离子)和双(三氟甲基磺酰)亚胺离子(TFSA离子)。作为熔融盐阳离子，可使用选自由锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)等碱金属以及铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)等碱土金属构成的组中的至少一种。
用于电容器的电极材料
本发明的电极材料也可用作电容器(例如锂离子电容器和双电层电容器)的电极材料。当所述材料被用作电容器的电极时，铝多孔体被作为活性材料的活性碳填充。由于电容器的容量随着活性碳表面积的增加而升高，所以可有利地使用比表面积为1,000m2/g以上的活性碳。活性碳与导电助剂、粘结剂等组合使用。与非水电解质电池的电极相同的是，用包含活性碳的活性材料的浆料填充铝多孔体，以制备电极材料。
双电层电容器
将上述用于电容器的电极材料进行模切，从而得到具有合适尺寸的两个片材。将隔板夹在这两个片材中间。有利的是，使用由纤维素、聚烯烃树脂等构成的无纺布或多孔膜来制备隔板。通过使用必要的隔离物(spacer)将该组件装入电池壳体中，以浸入电解液中。最后，隔着绝缘衬垫将盖子盖至壳体上，以密封壳体。由此可制得双电层电容器。水性电解液和非水性电解液均可用作电解液。然而，非水性电解液是理想的，这是因为其能够设定更高的电压。在水性电解液中，可使用氢氧化钾等作为电解质；在非水性电解液中，可使用离子液体。作为离子液体的阳离子，可使用低级脂肪族季铵、低级脂肪族季鏻、咪唑鎓盐等。作为阴离子，可使用金属氯离子、金属氟离子、双(氟磺酰)亚胺等酰亚胺化合物。作为有机溶剂，可使用碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸亚丙酯等。至于非水电解液中的支持电解质，可使用四氟硼酸锂、六氟磷酸锂等。当使用非水性材料时，为了将电容器中的湿度降至尽可能低的程度，最好充分地干燥电极等材料。
锂离子电容器
可将上述通过将活性炭填充至铝多孔体中而形成的电容器用电极材料用作正极。该正极与负极、隔板和有机电解液组合制成了锂离子电容器。对负极没有特别的限制；可使用常规的锂离子二次电池的负极。不过，常规电极中的集电体时通过使用铜箔形成的，因而其容量较小。因此，有利的是使用通过将活性材料填充至铜或镍多孔体(例如，镍泡沫)中而形成的电极。为了使该电容器能够作为锂离子电容器进行运行，有利的是预先将锂离子掺杂至负极中。关于掺杂方法，可使用已知的方法。该方法的例子包括：将锂金属箔固定于负极的表面并将其浸入电解液中的掺杂方法；以及将其上固定有锂金属的电极设置在锂离子电容器内，在组装成电池后，向负极与锂金属电极之间提供电流的电掺杂方法。关于电解液，可使用与非水电解质电池中所使用的非水电解液类似的电解液。有利的是隔板通过使用由纤维素、聚烯烃树脂等构成的无纺布或多孔膜而制备。隔板夹在上述正极和负极之间。通过使用必要的隔离物将组件装入电池壳体中，并浸于电解液中。最后，隔着绝缘衬垫将盖子盖至壳体上，以密封壳体。由此制备得到锂离子电容器。
实施例1
铝多孔体的制备
准备厚度为1.0mm、孔隙率为97％且孔径为450μm的片状聚氨酯泡沫。将该泡沫浸于碳悬浮液中，之后进行干燥，以形成由附着在表面上的碳颗粒构成的导电层。所述悬浮液的组分包括石墨和炭黑(总计25％)、树脂粘结剂、渗透剂和消泡剂。炭黑的粒径为0.5μm。
熔融盐镀覆
使用表面上具有导电层的聚氨酯泡沫作为工件。将该工件固定在具有供电功能的夹具上，然后将其置于具有低水含量(露点：-30℃或以下)的氩气氛的手套箱中，并浸于熔融盐浴(33摩尔％EMIC和67摩尔％AlCl3)中。将其上固定有工件的夹具连接至整流器的负极，并将由铝板(纯度：99.99％)制成的反电极连接至正极。之后施加直流电以进行铝镀覆。镀浴保持为60℃的温度。
树脂多孔体的分解
将表面具有铝镀层的聚氨酯泡沫浸于温度为500℃的LiCl–KCl共晶熔融盐中。之后，施加-1V的负电位5分钟以分解和除去聚氨酯，从而得到铝多孔体。
填充活性材料
使用钴酸锂(LiCoO2)作为活性材料，将LiCoO2、乙炔黑和PVDF以88:6:6的质量比混合，并向该混合物中进一步添加NMP作为溶剂，从而制得活性材料的浆料。用该浆料填充上述铝多孔体并进行干燥。填充了活性材料的铝多孔体的厚度为1.0mm。取出一部分该多孔体作为样品，将该样品沿厚度方向切开，并对截面进行SEM观察，以得到骨架结构中的空隙的面积。图6示出了骨架结构的照片的例子。绘制了宽度为7μm的网格；骨架结构中的空隙位于网格的中心部分。在图6左侧的空隙中，网格中部分包含或全部为空隙的网格数(N1)为99，网格中全部为空隙的网格数(N2)为51。因此，空隙的面积为：
7×7(μm2)×[51+(99-51)/2]＝49×75＝3,675(μm2)。
在右侧的空隙中，网格中部分包含或全部为空隙的网格数(N1)为31，网格中全部为空隙的网格数(N2)为6。因此，空隙的面积为：
7×7(μm2)×[6+(31-6)/2]＝49×18.5＝906.5(μm2)。
对30个空隙进行了相同的计算。对所得的值取平均值以得到空隙的平均面积。该平均面积为1,333μm2。
电池的评价
将所得的用于非水电解质电池的电极用作正极，锂金属箔作为负极，玻璃纤维过滤器作为隔板，含有1摩尔/L的LiPF6的EC/DEC溶液作为电解液。准备了这些之后，测量0.2C放电容量和2C放电容量。通过使用活性材料的填充量而计算得到的填充容量为8mAh/cm2。
实施例2
对实施例1中制备的填充了活性材料的铝多孔体进行压缩，使其厚度为0.5mm，从而制得用于非水电解质电池的电极。取一部分该电极作为样品，将该样品沿厚度方向切开，并对截面进行SEM观察，以得到骨架结构中的空隙的面积。图7示出了压缩后的骨架结构的照片的例子。绘制了宽度为7μm的网格；骨架结构中的空隙位于网格的中心部分。在左侧的空隙中，网格中部分包含或全部为空隙的网格数(N1)为17，网格中全部为空隙的网格数(N2)为0。因此，空隙的面积为：
7×7(μm2)×[0+(17-0)/2]＝49×8.5＝416.5(μm2)。
在右侧的空隙中，网格中部分包含或全部为空隙的网格数(N1)为18，网格中全部为空隙的网格数(N2)为2。因此，空隙的面积为：
7×7(μm2)×[2+(18-2)/2]＝49×10＝490(μm2)。
对30个空隙进行了相同的计算。对所得的值取平均值以得到空隙的平均面积。该平均面积为657μm2。压缩后的平均面积为压缩前的平均面积的49％。通过使用活性材料的填充量而计算得到的填充容量为8mAh/cm2。
比较例1
进行了与实施例1相同的一系列操作，不同之处在于：对填充了活性材料的铝多孔体进行压缩以使其厚度为0.4mm，从而制得用于非水电解质电池的电极。空隙的平均面积为486μm2。压缩后的平均面积为压缩前的平均面积的36％。通过使用活性材料的填充量计算得到的填充容量为8mAh/cm2。在表I中归纳了上述结果。
表I
实施例1 实施例2 比较例1
空隙的平均面积(μm2) 1333 657 486
0.2C放电容量(mAh/g) 122 123 121
2C放电容量(mAh/g) 120 121 95
在空隙的平均面积为500μm2以上的实施例1和2中，0.2C放电容量和2C放电容量均较大，这表明活性材料的利用效率为100％。顺便提及的是，钴酸锂的0.2C放电容量约为120mAh/g。由于实施例2的厚度为实施例1的一半，由此可减小体积，所以能够在增加电池容量的同时提高能量密度。比较例1的空隙的平均面积低于500μm2。当电流小时，其具有大的放电容量。然而当电流增大时，其放电容量下降，这表明其不能进行高速充电和放电。其原因似乎是因为在压缩步骤中，骨架结构中的空隙过度减少，使得电解液不太容易渗透入骨架结构中，所以电极的电阻增加。
参考符号列表
1：发泡树脂成形体
2：导电层
3：铝镀层
4：骨架结构
5：铝层
6：空隙
7：活性材料

Claims (8)

1.一种电极材料，包含担载有活性材料的片状铝多孔体；其中：
所述铝多孔体具有由铝层形成、并且在其内部具有空隙的骨架结构；并且
当沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割并观察时，所述骨架结构中的所述空隙的平均面积为500μm2以上6,000μm2以下。
2.根据权利要求1所述的电极材料，其中所述铝层的厚度为0.5μm以上50μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的电极材料，其中所述活性材料为选自由钴酸锂、镍酸锂、镍钴酸锂、锰酸锂和钛酸锂构成的组中的至少一者。
4.一种制备电极材料的方法，所述方法包括：
制备片状铝多孔体的步骤，其中该片状铝多孔体具有由铝层形成、并且在其内部具有空隙的骨架结构；
将活性材料填充至所述铝多孔体中的填充步骤；以及
在片材的厚度方向上对填充了所述活性材料的所述铝多孔体进行压缩的压缩步骤；
其中在所述压缩步骤之后，当沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割并观察时，所述骨架结构中的所述空隙的平均面积为500μm2以上6,000μm2以下。
5.根据权利要求4所述的制备电极材料的方法，其中，所述压缩步骤后通过沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割而观察到的所述骨架结构中的所述空隙的平均面积为所述压缩步骤前通过沿着与片材的厚度方向平行的方向进行切割而观察到的所述骨架结构中的所述空隙的平均面积的40％以上。
6.一种电池，包括根据权利要求1至3中任意一项所述的电极材料作为正极或负极、或者作为正极和负极。
7.一种非水电解质电池，包括根据权利要求1至3中任意一项所述的电极材料作为正极或负极、或者作为正极和负极。
8.一种电容器，包括根据权利要求1至3中任意一项所述的电极材料作为正极或负极、或者作为正极和负极。
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