CN106611869B - 可再充电锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可再充电锂电池，包括：正极，其包含正极集流器和正极集流器上的正极活性物质层，正极活性物质层包含正极活性材料；负极，其包含负极集流器和负极集流器上的负极活性物质层，负极活性物质层包含负极活性材料；以及电解质，其中，满足方程式1：方程式10.3≤A/B≤2.5其中，在方程式1中，A为正极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与正极的厚度(μm)的比值且满足方程式2，且B为负极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与负极的厚度(μm)的比值且满足方程式3：方程式20.01≤A≤0.1方程式30.01≤B≤0.05。

Description

可再充电锂电池
技术领域
本申请公开了可再充电锂电池。
背景技术
在当今时代，由于便携式电子设备的尺寸和重量减小，以及便携式电子装置的流行，已积极开展了对于作为便携式电子装置的电源的具有高能量密度的可再充电锂电池的研究。可再充电锂电池包括负极、正极和电解质，并且当锂离子在正极和负极中被嵌入/解嵌时通过氧化还原反应产生电能。
这样的可再充电锂电池使用锂金属、碳类材料、Si和/或类似的材料用于负极活性材料。对于可再充电锂电池的正极活性材料，已经使用了能够嵌入和解嵌锂离子的金属硫属化合物，例如，复合金属氧化物，如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-xCoxO2(0<X<1)、LiMnO2和/或类似的化合物。最近，为了将可再充电锂电池用于车辆，已经开展了对于实现可再充电锂电池的高能量特性的研究。
发明内容
实施方式的一个方面涉及具有高倍率性能(high rate capability)和改善的输出特性的可再充电锂电池。
一种实施方式提供了可再充电锂电池，其包括：正极，所述正极包括正极集流器和所述正极集流器上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括正极活性材料；负极，所述负极包括负极集流器和所述负极集流器上的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性材料；以及电解质，其中满足方程式1：
方程式1
0.3≤A/B≤2.5
其中，在方程式1中，
A为正极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与正极的厚度(μm)的比值且满足方程式2，且
B为负极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与负极的厚度(μm)的比值且满足方程式3：
方程式2
0.01≤A≤0.1
方程式3
0.01≤B≤0.05。
所述正极活性物质层可位于所述正极集流器的两面上。所述负极活性物质层可位于所述负极集流器的两面上。
所述正极活性物质层的活性物质密度可为约0.5g/cc至约4.0g/cc，且所述正极的厚度可为约30μm至约200μm。
所述负极活性物质层的活性物质密度可为约0.5g/cc至约2.5g/cc，且所述负极的厚度可为约30μm至约200μm。
所述正极活性物质层可进一步包括活性碳。
所述负极活性材料可包括软碳。
因此，根据一种实施方式的正极显示出以高倍率快速嵌入和解嵌的特性，并且可提供具有优异输出特性的可再充电锂电池单元。
附图说明
附图和说明书一起示例性说明了本公开的主题的实施方式，并且与描述一起用于解释本公开的主题的实施方式的原理。图1是示出了根据一种实施方式的可再充电锂电池的结构的示意图。
具体实施方式
下文中将更加详细地描述示例性实施方式。然而，这些实施方式是示例性的，且本公开不限于此。而且，这些实施方式作为实施例提供，以使得该公开全面和完整，并且将向本领域技术人员完整表达本公开的各方和特征。因此，可不描述对于本领域普通技术人员完整理解本公开的各方面和特征并非必要的方法、元素和技术。除非另外说明，贯穿附图和说明书的相同的附图标记代表相同的元素，并且因此不对其进行重复描述。在附图中，为了清楚，会夸大元素、层和区域的相对尺寸。
根据一种实施方式的可再充电锂电池包括正极，包括正极集流器；正极活性物质层，位于(例如，布置在)正极集流器上并且包括正极活性材料；负极，包括负极集流器；负极活性物质层，位于(例如，布置在)负极集流器上并且包括负极活性材料；和电解质，其中满足方程式1。
方程式1
0.3≤A/B≤2.5
其中，在方程式1中，
A为正极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与正极的厚度(μm)的比值且满足方程式2，且
B为负极活性物质层的活性物质密度(g/cc)与负极的厚度(μm)的比值且满足方程式3。
方程式2
0.01≤A≤0.1
方程式3
0.01≤B≤0.05.
在可再充电锂电池的一种实施方式中，通常，活性物质为包括活性材料以及选择性地或任选地包括导电材料和粘结剂的混合物，并且活性物质层由活性物质在集流器上形成。
当比值A/B满足方程式条件(例如，方程式1)时，可提供具有以高倍率快速嵌入和解嵌的特性以及适合的或适当的容量的可再充电锂电池的一种实施方式。
根据一种实施方式，正极活性物质层可在正极集流器的两面上形成(例如，在彼此背向的正极集流器的两面上形成)，并且负极活性物质层可在负极集流器的两面上形成(例如，在彼此背向的负极集流器的两面上形成)。
在一种实施方式中，正极和负极可各自通过各集流器的厚度加上各活性物质层的厚度而获得的厚度，并且其中，当活性物质层在集流器的两面上形成时，正极可具有由正极集流器的厚度和在其两面上形成的正极活性物质层的厚度(例如，两个活性物质层的厚度和)确定的厚度。当在负极集流器的两面上形成负极活性物质层时，该负极可具有由负极集流器的厚度和在其两面上形成的负极活性物质层的厚度(例如，负极活性物质层的厚度和)确定的厚度。
正极活性物质层的活性物质密度可为约0.5g/cc至约4.0g/cc，且正极的厚度可为约30μm至约200μm。当该活性物质密度和厚度满足方程式2关于它们之间的关系时，可获得适合的或适当的电流密度和优异的输出，以及例如，以高倍率快速嵌入和解嵌的特性。
负极活性物质层的活性物质密度可为约0.5g/cc至约2.5g/cc，且负极的厚度可为约30μm至约200μm。当该活性物质密度和厚度满足方程式3关于在上述活性物质和厚度范围内的它们之间的关系时，可获得优异的输出以及适合的或适当的电流密度，以及例如，以高倍率快速嵌入和解嵌的特性。
通常，随着电极具有更高的活性物质密度，容量也会增加，但过量的活性物质可能并不适合或适当。例如，当负载时水平(每单位面积活性材料的量)增加(例如，过度增加)时，会使输出特性变差。另外，当活性物质层更薄时，以高倍率嵌入和解嵌的特性会得到改善，但是当太薄(例如，过薄)时，容量会显著变差。因此，一种实施方式是通过适合地或适当地调整正负极的活性物质密度和厚度使得其满足方程式1，获得优异容量和以高倍率快速嵌入和解嵌的特性。
因此，具有根据一种实施方式的上述结构的可再充电锂电池在用于车辆的电池中可被有效地用作ISG(怠速停走)，以增加车辆(例如，汽车或机动车)的燃料效率并减少CO2(例如，减少车辆释放的CO2)。通常，当汽车停下时用于ISG的电池可起到使引擎停止的作用，并且当汽车发动(例如，继续行驶)时其可起到重新发动引擎的作用，并因此需要非常快的反应速度，从而立即(例如，非常快地)发动汽车。另外，在汽车行驶过程中这种ISG电池可保持满电(或基本满电)并且还需要在低温下的优异的输出特性。
正极的正极活性物质层可进一步包括活性碳以及正极活性材料。当进一步包括活性碳时，可获得可再充电锂电池的特征和超级电容的特征，使电池具有快速电流的嵌入和解嵌特性以及长循环寿命特性。另外，由于正极活性物质层的活性物质密度和正极的厚度满足方程式3，因此可获得以高倍率和高容量的快速嵌入和解嵌的特性。
正极活性材料可包括可逆地嵌入和解嵌锂离子的锂化的嵌入化合物。例如，可使用钴、锰、镍中的至少一种或它们的组合与锂的复合氧化物。如在本文中使用的，术语“其组合”和“它们的组合”可指组分的化学组合(例如，合金或化合物)、混合物或层压结构。
实例可包括由下式表示的化合物：
LiaA1-bXbD2(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5)；LiaA1-bXbO2-cDc(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05)；LiaE1-bXbO2-cDc(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05)；LiaE2-bXbO4-cDc(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05)；LiaNi1-b-cCobXcDα(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.5,0<α≤2)；LiaNi1-b-cCobXcO2-αTα(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05,0<α<2)；LiaNi1-b-cCobXcO2-αT2(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05,0<α<2)；LiaNi1-b-cMnbXcDα(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05,0<α≤2)；LiaNi1-b-cMnbXcO2-αTα(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05,0<α<2)；LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.5,0≤c≤0.05,0<α<2)；LiaNibEcGdO2(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.9,0≤c≤0.5,0.001≤d≤0.1)；LiaNibCocMndGeO2(0.90≤a≤1.8,0≤b≤0.9,0≤c≤0.5,0≤d≤0.5,0.001≤e≤0.1)；LiaNiGbO2(0.90≤a≤1.8,0.001≤b≤0.1)LiaCoGbO2(0.90≤a≤1.8,0.001≤b≤0.1)；LiaMn1-bGbO2(0.90≤a≤1.8,0.001≤b≤0.1)；LiaMn2GbO4(0.90≤a≤1.8,0.001≤b≤0.1)；LiaMn1-gGgPO4(0.90≤a≤1.8,0≤g≤0.5)；QO2；QS2；LiQS2；V2O5；LiV2O5；LiZO2；LiNiVO4；Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2)；Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2)；和LiaFePO4(0.90≤a≤1.8)
在上述化学式中，A选自Ni、Co、Mn以及它们的组合；X选自Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、稀土元素以及它们的组合；D选自O、F、S、P以及它们的组合；E选自Co、Mn以及它们的组合；T选自F、S、P以及它们的组合；G选自Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V以及它们的组合；Q选自Ti、Mo、Mn以及它们的组合；Z选自Cr、V、Fe、Sc、Y以及它们的组合；且J选自V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu以及它们的组合。
该化合物可具有表面上的涂层，或者可与具有涂层的另外的化合物混合。该涂层可包括选自由涂布元素的氧化物、涂布元素的氢氧化物、涂布元素的羟基氧化物、涂布元素的碳酸氧化物(oxycarbonate)和涂布元素的羟基碳酸盐(hydroxyl carbonate)组成的组中的至少一种涂布元素化合物。涂层的化合物可为无定形的或结晶的。涂层中所包括的涂布元素可包括Mg、Al、Co、K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zr或它们的混合物。涂层可根据以下方法处理：通过在化合物中使用这些元素对正极活性材料没有不良影响。例如，该方法可包括本领域中可用的任何适合的涂布方法，例如喷涂、浸涂和/或类似的方法，并且因此在本文中不必进一步描述。
在正极活性物质层中，基于正极活性材料层的总重量，所包括的正极活性材料和活性碳的量可为约85wt％至约98wt％。例如，在正极活性物质层中，该正极活性材料和活性碳可在约85wt％至约98wt％的前述范围内以77:23至98:2的重量比混合。
另外，基于正极活性物质层的总重量，所包括的粘结剂和导电材料的量各自为约1wt％至约10wt％。
粘结剂改善了正极活性材料颗粒彼此间和与集流器的粘结性质。粘结剂的实例包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化聚氯乙烯、聚氟乙烯、含环氧乙烷的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、酰化苯乙烯-丁二烯橡胶、环氧树脂、尼龙和类似的物质，但不限于此。
导电材料为电极提供导电性。任意适合的电传导材料可用作导电材料，除非其会导致电池中不适合的化学变化。导电材料的实例包括碳类材料，例如天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维和类似的物质；金属类材料，例如金属粉末或金属纤维，包括铜、镍、铝、银和类似的物质；导电聚合物，例如聚苯衍生物或它们的混合物。
集流器可为Al但不限于此。
正极可通过下述方法制造，包括在溶剂中混合正极活性材料、活性碳、导电材料和粘结剂来制备活性材料组合物，以及将该活性材料组合物涂布在集流器上来制造正极活性物质层。溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和类似的物质，但不限于此。
负极包括集流器和负极活性物质层(例如，集流器上的负极活性物质层)，且负极活性物质层包括负极活性材料。
负极活性材料包括可逆地嵌入/解嵌锂离子的材料、锂金属、锂金属合金、能够掺杂/去掺杂锂的材料和/或过渡金属氧化物。
能够可逆地嵌入/解嵌锂离子的材料包括碳材料。该碳材料可为通常用于锂离子可再充电电池中的任意适合的碳类负极活性材料。碳材料的实例包括结晶碳、无定形碳和它们的混合物。结晶碳可是无形状的或薄板状的、薄片状的、球形的或纤维形的天然石墨或人造石墨。无定形碳可为软碳、硬碳、中间相沥青碳化产物、焦碳和/或类似的物质。
锂金属合金的实例包括包括锂和选自Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Si、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、Al和Sn的元素。
能够掺杂/去掺杂锂的材料可包括Si、Si-C复合材料、SiOx(0<x<2)、Si-Q合金(其中，Q为选自碱金属、碱土金属、13族元素、14族元素、15族元素、16族元素、过渡元素、稀土元素以及它们的组合的元素，且不是Si)、Sn、SnO2、Sn-R合金(其中，R为选自碱金属、碱土金属、13族元素、14族元素、15族元素、16族元素、过渡元素、稀土元素以及它们的组合的元素，且不是Sn)和/或类似的材料。这些材料中的至少一种可与SiO2混合。元素Q和R可选自Ni、Ti、Fe、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Tl、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po以及它们的组合。
过渡金属氧化物包括氧化钒、锂钒氧化物和/或类似的化合物。
当负极活性材料为碳材料，如无定形碳(例如，软碳、硬碳和/或类似材料)、无定形碳和结晶碳的混合物或类似材料时，以高倍率快速嵌入和解嵌的特性会显著增加(例如，最大化)。
在负极活性物质层中，基于负极活性物质层的总重量，所包括的负极活性材料的量可为约95wt％至约99wt％。
负极活性物质层可包括粘结剂，以及任选地包括导电材料。基于负极活性物质层的总重量，负极活性物质层可包括约1wt％至约5wt％的粘结剂。当负极活性物质层包括导电材料时，负极活性物质层包括约90wt％至约98wt％的负极活性材料、约1wt％至约5wt％的粘结剂和约1wt％至约5wt％的导电材料。
粘结剂改善了负极活性材料颗粒彼此之间以及与集流器之间的粘结性质。粘结剂包括非水溶性粘结剂、水溶性粘结剂或它们的组合。
非水溶性粘结剂包括聚氯乙烯、羧化聚氯乙烯、聚氟乙烯、含环氧乙烷的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺或它们的组合。
水溶性粘结剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶、酰化苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、丙烯和C2至C8烯烃的共聚物、(甲基)丙烯酸和(甲基)丙烯酸烷基酯的共聚物或它们的组合。
当水溶性粘结剂被用作负极粘结剂时，纤维素类化合物可进一步被用于提供粘性。该纤维素类化合物包括羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素或其碱金属盐中的一种或多种。该碱金属可为Na、K或Li。基于100重量份的负极活性材料，所包括的纤维素类化合物的量可为约0.1至约3重量份。
包括导电材料为电极提供导电性。任意适合的电传导材料可被用作导电材料，除非其会导致电池中不适合的化学变化。导电材料的实例包括碳类材料，如天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维和类似的物质；金属粉末或金属纤维的金属类材料，包括铜、镍、铝、银和类似的物质；导电聚合物，如聚苯衍生物；或它们的混合物。
集流器可包括选自铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、镍泡沫、铜泡沫、涂布有导电金属的聚合物基材以及它们的组合中的一种。
负极可通过以下方法制造，包括在溶剂中混合活性材料、导电材料和粘结剂来制备活性材料组合物，以及将该活性材料组合物涂布在集流器上。溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和类似的物质，但不限于此。当水溶性粘结剂被用于制造负极时，可利用水作为溶剂来制备负极活性材料组合物。
电解质包括有机溶剂和锂盐。
有机溶剂起到传输参与电池的电化学反应的离子的介质的作用，并且可为非水性有机溶剂。
有机溶剂可包括碳酸酯类、酯类、醚类、酮类、醇类和/或非质子溶剂。碳酸酯类溶剂的实例可包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)和类似的物质。酯类溶剂的实例可包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸二甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲羟戊酸内酯、己内酯和类似的物质。醚类溶剂的实例包括正丁醚(dibutyl ether)、四乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、二甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃和类似的物质，酮类溶剂的实例包括环己酮和类似的物质。醇类溶剂的实例包括乙醇、异丙醇和类似的物质，非质子溶剂的实例包括腈，如R-CN(其中R为可包括双键、芳环和/或醚键的C2至C20线性、支链或环烃)、酰胺，如二甲基甲酰胺，二氧戊环类例如1,3-二氧戊环、环丁砜，以及类似的物质。
有机溶剂可单独使用或以混合物使用。当有机溶剂以混合物使用时，可根据期望的或适合的电池性能来控制混合比。
碳酸酯类溶剂可包括含环状碳酸酯和线性碳酸酯的混合物。将环状碳酸酯和线性碳酸酯以约1:1至约1:9的体积比混合在一起。当该混合物被用作电解质时，其可具有增强的性能。
另外，根据一种实施方式的有机溶剂可进一步包括芳香烃类溶剂以及碳酸酯类溶剂。可将该碳酸酯类溶剂和芳香烃类溶剂混合在一起至体积比为约1:1至约30:1。
芳香烃类有机溶剂可为由化学式1表示的芳香烃类化合物。
化学式1
Figure BDA0001143761260000081
在化学式1中，R1至R6独立地为氢原子、卤原子、C1至C10烷基、C1至C10卤代烷基或它们的组合。
芳香烃类有机溶剂可包括，但不限于，选自以下的至少一种：苯、氟苯、1,2-二氟苯、1,3-二氟苯、1,4-二氟苯、1,2,3-三氟苯、1,2,4-三氟苯、氯苯、1,2-二氯苯、1,3-二氯苯、1,4-二氯苯、1,2,3-三氯苯、1,2,4-三氯苯、碘苯、1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、1,2,3-三碘苯、1,2,4-三碘苯、甲苯、氟甲苯、2,3-二氟甲苯、2,4-二氟甲苯、2,5-二氟甲苯、2,3,4-三氟甲苯、2,3,5-三氟甲苯、氯甲苯、2,3-二氯甲苯、2,4-二氯甲苯、2,5-二氯甲苯、2,3,4-三氯甲苯、2,3,5-三氯甲苯、碘甲苯、2,3-二碘甲苯、2,4-二碘甲苯、2,5-二碘甲苯、2,3,4-三碘甲苯、2,3,5-三碘甲苯、二甲苯以及它们的组合。
电解质可进一步包括作为改善循环寿命的添加剂的由化学式2表示的碳酸亚乙烯酯或碳酸亚乙酯类化合物以改善循环寿命。
化学式2
Figure BDA0001143761260000091
在化学式2中，R7和R8相同或不同，并且可各自独立地为氢原子、卤原子、氰基(CN)、硝基(NO2)或C1至C5氟代烷基，条件是R7和R8中的至少一个为卤原子、氰基(CN)、硝基(NO2)或C1至C5氟代烷基，且R7和R8不同时为氢原子。
碳酸亚乙酯-类化合物的实例包括二氟代碳酸亚乙酯、氯代碳酸亚乙酯、二氯代碳酸亚乙酯、溴代碳酸亚乙酯、二溴代碳酸亚乙酯、硝基碳酸亚乙酯、氰基碳酸亚乙酯、氟代碳酸亚乙酯和类似的物质。用于改善循环寿命的添加剂的量可在适合的或适当的范围内灵活使用。
电解质可进一步包括作为添加剂的硼酸酯-类化合物，以改善输出特性。该硼酸酯-类化合物可包括三(三甲基硅烷硼酸酯)(TMSB)，但不限于此。硼酸酯-类化合物的量可在适合的或适当的范围内灵活使用。
将锂盐溶解于有机溶剂，为电池提供锂离子，基本运行可再充电锂电池，以及改善正负极之间的锂离子运输。锂盐的实例包括至少一种支持盐，选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiN(SO3C2F5)2、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(其中x和y为自然数，例如，1至20的整数)、LiCl、LiI和LiB(C2O4)2(双(草酸)硼酸锂；LiBOB)。锂盐可以约0.1M至约2.0M的浓度使用。当所包括的锂盐在上述范围内时，由于较佳的电解质传导性和粘度，电解质可具有优异的性能和锂离子迁移率。
取决于电池的种类，可再充电锂电池可进一步包括负极和正极之间的隔板。隔板可包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯或其多层，例如聚乙烯/聚丙烯双层隔板、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯三层隔板和/或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层隔板。
该可再充电锂电池包括正极、隔板、负极和容纳在电池盒内的电解质。
在本文中，可将正极、隔板和负极卷绕成果冻卷(jelly-roll)形，并且基于电池盒的总体积，该果冻卷的体积(正极、隔板和负极的体积)可为约88体积％至约95体积％，例如，装填比为约88体积％至约95体积％。在本说明书中，电池盒的总体积可为电池组装之前电池盒的总体积，或者当电池盒的体积由于初始充放电以及类似的情况而增加时(例如，基于100体积％的初始电池盒体积，可增加至约105体积％)该电池盒的总体积。
当装填比在前述范围内时，电池可适合地或者适当地具有所需的或适合的容量。例如，可通过调整正负极的活性物质密度和厚度以具有装填比和关系A/B使需要高嵌入和解嵌特性的电池具有适合的或最佳的容量。
图1是示出了根据一种实施方式的可再充电锂电池的代表性结构的示意图。如在图1中所示，该可再充电锂电池1包括插入在正极2和负极4之间的正极2、负极4和隔板3，浸没其中的电解质，电池盒5，以及密封该电池盒5的密封膜6。
以下实施例更加详细地示出了本公开的实施方式。然而，这些实施例无论如何都不应被解释为限制本公开的范围。
正极的制造
实施例1
将85wt％的LiCoO2、5wt％的活性碳、4wt％的乙炔黑和6wt％的聚偏二氟乙烯(Solef 6020,Solvay)在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合，制备正极活性材料浆料。
将正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并进行压制以形成活性物质密度为1g/cc且总厚度为89μm(即，两个活性物质层的厚度和，其中两个活性物质层的厚度和为89μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)，从而制造正极。正极的整体厚度为104μm。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.01。
实施例2
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为1.5g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为66μm(两个活性物质层的厚度和为66μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造整体厚度为81μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.019。
实施例3
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为2.0g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为44μm(两个活性物质层的厚度和为44μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造整体厚度为59μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.034。
实施例4
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为3.0g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为30μm(两个活性物质层的厚度和为30μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造总厚度为45μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.067。
实施例5
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为4.0g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为177μm(两个活性物质层的厚度和为177μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造整体厚度为192μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.100。
比较例1
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为0.5g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为177μm(两个活性物质层的厚度和为177μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造整体厚度为192μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.003。
比较例2
通过将根据实施例1制备的正极活性材料浆料涂布在15μm厚的Al箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为0.5g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为18μm(两个活性物质层的厚度和为18μm)的每一活性物质层(正极活性材料层)来制造整体厚度为33μm的正极。因此，正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)之比为0.152。
负极的制造
实施例6
通过在作为溶剂的水中混和92wt％的软碳、5wt％的乙炔黑和3wt％的苯乙烯-丁二烯橡胶与羧甲基纤维素(苯乙烯-丁二烯橡胶和羧甲基纤维素的重量比为2:1)的混合物来制备负极活性材料浆料。
将负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并进行压制以形成活性物质密度为约1g/cc且总厚度为50μm(即，两个活性物质层的厚度和，其中两个活性物质层的厚度和为50μm)的活性物质层(负极活性材料层)。负极具有整体厚度为60μm。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.017。
实施例7
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为1.1g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为40μm(两个活性物质层的厚度和为40μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为50μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.022。
实施例8
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为1.5g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为34μm(两个活性物质层的厚度和为34μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为44μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.034。
实施例9
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为1.6g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为32μm(两个活性物质层的厚度和为32μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为42μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.038。
实施例10
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为1.8g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为30μm(两个活性物质层的厚度和为30μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为40μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.045。
比较例3
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为0.7g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为70μm(两个活性物质层的厚度和为70μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为80μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.009。
比较例4
通过将根据实施例6制备的负极活性材料浆料涂布在10μm厚的Cu箔的两面上，在100℃干燥，并对其进行压制以形成活性物质密度为2.0g/cc且总厚度(即，两个活性物质层的厚度和)为28μm(两个活性物质层的厚度和为28μm)的每一活性物质层(负极活性材料层)来制造整体厚度为38μm的负极。因此，负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)之比为0.053。
将根据实施例1至5和比较例1至2制备的每个正极分别与根据实施例6制备的负极组合来制造电池单元。此处，通过将1.15M的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯(体积比为2:4:4)的混和溶液中并向其中加入0.5wt％的三(三甲基硅烷硼酸酯)来制备电解质溶液。
将该电池单元以1C充放电一次，以50C充放电一次，并且计算并在表1中提供50C放电容量相对于1C放电容量的比值50C/1C(％)。另外，在表1中还提供了50C放电容量。表1中还提供了正极的活性物质密度、厚度和密度/厚度之比。
表1
Figure BDA0001143761260000131
如表1中所示，具有正极活性物质密度(g/cc)/正极厚度(μm)(即，比值A)之比的范围为0.01至0.1的实施例1至5保持了适当的或适合的容量并且显示出优异的高倍率性能。
相对而言，分别具有比值A为0.003和0.152的比较例1和2则小于(比较例1)或大于(比较例2)范围0.01至0.1，其显示出显著低的高倍率性能。例如，即使比较例1的正极活性物质密度的范围为0.5g/cc至3.5g/cc且正极厚度的范围为30μm至200μm，但比值A低至0.003，这显示出显著变差的高倍率性能和容量。
将根据实施例6至10和比较例3至4制备的每个负极分别与根据实施例3制备的正极组合来制造电池单元。此处，通过将1.15M的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯(体积比为2:4:4)的混和溶液中并向其中加入0.5wt％的三(三甲基硅烷硼酸酯)来制备电解质溶液。
将该电池单元以1C充放电一次，然后以50C充放电一次，并在表2中提供50C放电容量相对于1C放电容量的比值作为50C/1C(％)。另外，在表2中还提供了50C放电容量。表2中还提供了负极的活性物质密度、厚度和负极的活性物质密度/厚度比。
表2
Figure BDA0001143761260000141
如表2中所示，具有负极活性物质密度(g/cc)/负极厚度(μm)(即，比值B)之比的范围为0.01至0.05的实施例6至10保持了适当的或适合的容量并且显示出优异的高倍率性能。
相对而言，比值B为0.009和0.053的比较例3和4则小于(比较例3)或大于(比较例4)范围0.01至0.05，分别显示出显著低的高倍率性能。
实施例11
通过将隔板插入到根据实施例1制备的正极和根据实施例6制备的负极之间，并将它们卷绕成圆柱形来制造果冻卷。隔板为25μm厚的聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯三层膜。
将该果冻卷放置于18650尺寸的电池盒中，并向其中注入50g的电解质溶液，从而制造可再充电锂电池单元。该电解质溶液是通过将1.15M的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯(体积比为2:4:4)的混和溶液中并向其中加入0.5wt％的三(三甲基硅烷硼酸酯)而获得的。此处，基于100体积％的电池盒，果冻卷(正极、负极和隔板)的体积为约92体积％。
实施例12
除了使用根据实施例2制备的正极和根据实施例7制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
实施例13
除了使用根据实施例3制备的正极和根据实施例8制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
实施例14
除了使用根据实施例4制备的正极和根据实施例9制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
实施例15
除了使用根据实施例5制备的正极和根据实施例10制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
比较例5
除了使用根据比较例1制备的正极和根据比较例3制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
比较例6
除了使用根据比较例2制备的正极和根据比较例4制备的负极之外，根据如实施例11所述相同的方法来制造可再充电锂电池单元。
将该电池单元以1C充放电一次并以50C充放电一次。在表3中提供50C放电容量相对于1C放电容量的比值作为50C/1C(％)。另外，在表3中还提供了50C放电容量。表3中还提供了负极的活性物质密度(g/cc)与厚度(整体厚度,μm)之比(比值A)、正极的活性物质密度(g/cc)与厚度(整体厚度,μm)之比(比值B)、以及A和B之比。
表3
Figure BDA0001143761260000161
如表3中所示，比值A/B的范围为0.3至2.5的实施例11至17保持了适当的或适合的容量并且显示出非常优异的高倍率性能。
相对而言，比值A/B分别为0.296、0.273、2.571和2.887的比较例5、6、7和8则小于(比较例5和6)或大于(比较例7和8)范围0.3至2.5，分别显示出显著低的高倍率性能。
应该理解，当在本文中提到元素或层在另一元素或层“上”时，其能够直接位于另外的元素或层上，或者可存在一个或多个中间的元素或层。例如，正极活性物质层可直接或间接位于正极集流器上。另外，还应该理解，当提到元素或层在两个元素或层“之间”时，其能够是两个元素或层之间的唯一元素或层，或者也可存在一个或多个中间的元素或层。
本文中所使用的术语的目的仅在于描述特定实施方式，而不是意在限制本公开。如在本文中使用的，单数形式“一个(a)”或“一种(an)”意在也包括复数形式，除非上下文中明确说明。还应该进一步理解，当在本说明书中使用术语“包含(comprises)”、“其包含(comprising)”、“包括(includes)”和“其包括(including)”时，其明确说明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其他的特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组。如在本文中使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任意或全部组合。当表达例如“至少之一”在一列元素之前时，其修饰整列元素而不是修饰该列的单个元素。
如在本文中使用的，术语“基本上”、“约”和类似的术语被用作近似的术语而不是作为程度的术语，并且是意在考虑本领域普通技术人员将会认识到的测量或计算的值的固有偏差。此外，当描述本公开的实施方式时，使用“可(may)”表示“一种或多种本公开的实施方式”。如在本文中使用的，术语“使用(use)”、“其使用(using)”和“所使用的(used)”可分别被认为与术语“利用(utilize)”、“其利用(utilizing)”和“所利用的(utilized)”是同义词。而且，术语“示例性”意在指实例或举例说明。
尽管已结合目前考虑实施的示例性实施方式描述了本公开，但应该理解，本公开不限于所披露的实施方式，但相对而言，其意在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围及其等效方式内的各种修改和等同安排。

Claims (4)

1.可再充电锂电池，包括：
正极，包含正极集流器和所述正极集流器上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包含正极活性材料和活性碳；
负极，包含负极集流器和所述负极集流器上的负极活性物质层，所述负极活性物质层包含负极活性材料；以及
电解质，
其中，满足方程式1：
方程式1
0.3≤A/B≤2.222
其中，在方程式1中，
A为所述正极活性物质层的活性物质密度与所述正极的厚度的比值且满足方程式2，且
B为所述负极活性物质层的活性物质密度与所述负极的厚度的比值且满足方程式3，其中所述活性物质密度的单位为g/cm3且所述厚度的单位为μm：
方程式2
0.01≤A≤0.1,
方程式3
0.01≤B≤0.05；
其中所述负极的厚度为30μm至60μm且所述负极活性物质层的活性物质密度为0.5g/cm3至2.5g/cm3，
其中所述正极的厚度为30μm至200μm且所述正极活性物质层的活性物质密度为0.5g/cm3至4.0g/cm3，并且
其中在所述正极活性物质层中，基于所述正极活性物质层的总重量，所包括的所述正极活性材料和所述活性碳的量为85wt％至98wt％，并且在所述正极活性物质层中，所述正极活性材料和所述活性碳以77:23至98:2的重量比混合。
2.根据权利要求1所述的可再充电锂电池，其中，所述正极活性物质层在所述正极集流器的两面上。
3.根据权利要求1所述的可再充电锂电池，其中，所述负极活性物质层在所述负极集流器的两面上。
4.根据权利要求1所述的可再充电锂电池，其中，所述负极活性材料包括软碳。
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