CN109792038A - 电极和二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电极,所述电极包含:金属箔41;在所述金属箔的至少一个表面上形成的电极层42;以及在所述电极层上形成的绝缘层45。所述绝缘层与所述电极层之间的界面部分使得所述绝缘层的一部分嵌入所述电极层的一部分中。当在其中所述金属箔延伸的方向上的直线的基准长度是L,平行于所述金属箔的特定直线上的基准长度是L,并且沿着所述绝缘层与所述电极层之间的界面的边界长度是Ls时,则Ls/L是1.25以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极和一种使用所述电极的锂离子二次电池,所述电极中至少一个表面涂有绝缘层,特别是涉及一种电极和一种二次电池,其中绝缘层的剥离强度提高并且电极之间短路的发生能够减少。
背景技术
特征在于小尺寸和大容量的锂离子二次电池已经广泛用作诸如移动电话和笔记本电脑的电子装置的电源并且有助于提高移动IT装置的便利性。近年来,更大型化的用途,如用于驱动摩托车和汽车的电源以及用于智能电网的蓄电池,已经引起关注。随着对锂离子二次电池的需求增加并且它们已经被用于多种领域,已经需要电池具有诸如如下特征:进一步更高的能量密度、能够经受长期使用的寿命特征以及在宽范围的温度条件下的可用性。
对于二次电池中的电极,使用绝缘涂层提高安全性的各种技术已经被提出并且投入实际使用。在制备具有绝缘层(无机材料层)的活性材料层的情况下,常见的是,分别施涂活性材料层和绝缘层。同时,还已经提出了依次或同时施涂两层的方法。在其中在单独的步骤中形成活性材料层和绝缘层的情况下,首先,施涂作为第一层的活性材料层,干燥并且加压成形,然后涂布作为第二层的绝缘层,干燥并且加压成形。另一方面,在依次或同时涂布的情况下,在施涂活性材料层之后施涂绝缘层而不每一次都进行干燥。
对于活性材料层与绝缘层之间的界面结构,专利文献1公开了一种结构,其中活性材料层具有存在于它的表面附近的多个凹部,其中绝缘层的一部分进入所述凹部中,从而提高绝缘层与电极之间的粘结强度。
此外,专利文献2公开了一种结构,其中在负极活性材料层上形成涂层(绝缘层)以在正极与负极之间进行绝缘,并且其中负极活性材料与绝缘层之间的界面的一部分包含具有表面粗糙度Ra=0.7μm以上的粗糙化区域。
引文清单
专利文献
专利文献1:WO2013/136426
专利文献2:日本特开2014-127275号公报
发明内容
技术问题
在上述常规结构中,存在不能充分确保绝缘层与电极层之间的粘附强度的情况并且因此存在进一步改进的空间。因此,本发明的目的在于提供一种电极等,其中绝缘层的剥离强度提高并且电极之间短路的发生能够减少。
为了实现上述目的,根据本发明的一个实施方式的电池如下:
电极,所述电极包含:
金属箔;
在所述金属箔的至少一个表面上形成的电极层;以及
在所述电极层上形成的绝缘层;
其中所述绝缘层与所述电极层之间的界面部分处于其中所述绝缘层的一部分进入所述电极层的一部分中的状态,并且
Ls/L是1.25以上,
其中所述金属箔延伸的方向上的直线的基准长度被设为L并且沿着所述绝缘层与所述电极层之间的界面的边界长度被设为Ls。
发明的有益效果
根据本发明,可以提供一种电极等,其中绝缘层的剥离强度提高并且电极之间短路的发生能够减少。
附图说明
图1是示出了膜包装电池的基本结构的截面图。
图2是示意性地示出了本实施方式的电极(负极)的截面结构的截面图。
图3是示意性地示出了本实施方式的电极(负极)的截面结构的截面图(图3(a))和示意性地示出了参考实施方式的电极(负极)的截面结构的截面图(图3(b))。
图4是示意性地示出了电极活性材料层与绝缘层之间的界面的一些形状的图。
图5是示意性地示出了电极活性材料层与绝缘层之间的界面的一些形状的图。
图6是示意性地示出了电极活性材料层与绝缘层之间的界面的一些形状的图。
图7是示意性地示出了将电极活性材料层与绝缘层之间的界面形状近似为折线的结果的图。
具体实施方式
1.膜包装电池的基本结构
对于膜包装电池的基本结构,将通过采用具有堆叠型电池元件的膜包装电池作为实例来进行说明。如图1中所示,根据本发明的一个实施方式的膜包装电池1包含电池元件20、用于将电池元件20与电解质一起容纳的膜外包装体10、正极极耳和负极极耳(在下文也仅称为“电极极耳”。在图1中仅示出了负极极耳52)。在该实例中,所述膜外包装体利用通过热封被粘附在一起的两个膜10-1和10-2而形成为袋形状。
在电池元件20中,多个正极30和多个负极40隔着插入其间的隔膜25交替堆叠。在正极30中,金属箔31的两个表面都已经涂有正极活性材料层(电极层)32,并且类似地,在负极40中,金属箔41的两个面都已经涂有负极活性材料层(电极层)42。电池元件20的整体外形没有特别限制,本例中是扁平的大致长方体。在图1中,省略了待施涂于正极或负极上的绝缘层的图示。
2.各部分的结构
将针对锂离子二次电池的每一个构件描述本发明的实施方式。
[负极]
负极具有如下结构,其中将负极活性材料作为通过负极粘合剂一体化的负极活性材料层施涂到集电器上。负极活性材料是能够在充放电中可逆地接收和释放锂离子的材料。
图2是示意性地示出了负极结构的截面图。在本发明的一个实施方式中,在作为集电器的金属箔41上形成有负极活性材料层42,并且在其上进一步形成有绝缘层45。在下文中,将描述其中在负极上形成有绝缘层45的实例,但是本发明的技术思想能够类似地应用于其中在正极上设置绝缘层的情况。换句话说,本发明能够适用于具有集电器、形成于集电器上的电极层以及电极层上的绝缘层的电极,并且对于具有导电性的电极的种类,可以使用正极和负极。
在本实施方式中,考虑了负极活性材料层42的表面(具体来说,是负极活性材料层42与绝缘层45之间的界面部分)的表面积Sa。在其中在相同的条件下制造绝缘层和包含负极活性材料的负极活性材料层的情况下,认为绝缘层与负极活性材料层之间的粘附性能会随着表面积Sa增加而增加。然而,难以估计实际电极中的表面积Sa。因此,当认为电极表面在整个电极表面上相对均匀地形成时,可以将表面积Sa用当在垂直于电极表面的方向上切割电极时截面中负极活性材料层与绝缘层之间的界面的长度La代替。在这种情况下,可认为随着连接负极活性材料层与绝缘层之间的界面的两端的长度La长于沿着平行于金属箔的特定直线的基准长度Lb,粘附性能增加。在本说明书中,使用表述“负极活性材料层42”,但是当然,除了活性材料之外,层42还可以含有粘合剂或导电材料等。
因此,负极活性材料层42与绝缘层45之间的界面由参数“L值”限定。“L值”被定义为比La/Lb,即活性材料层与绝缘层之间的界面的长度La相对于基准长度Lb的比。认为随着L值更大,因为绝缘层与负极活性材料之间的粘附面积更大,粘附性能增加。因此,L值优选地是1.25以上,更优选地是1.45以上。
随着“L值”增加,绝缘层与负极活性材料层之间的界面的表面积相应地增加。因此,这是优选的,这是因为绝缘层从负极活性材料层剥离的风险降低。然而,一般来说,随着“L值”增加,界面显著起伏。因此,在其中“L值”大的构造中,当电极表面被形成为基本上平坦时,因为绝缘层的厚度变化显著,因此不优选。此外,当绝缘层被形成为具有恒定的厚度时,因为作为电极而言,表面不平坦,因此不优选。根据允许范围设定L值的上限。
作为表示界面状态的参数,常常使用表面粗糙度Ra。Ra被称为算术平均粗糙度并且定义为基准长度(在此,尽管它被假定为约100μm至1mm,但是不限于此)中垂直于绝缘层表面的偏差量的平均绝对值。也就是说,图3(a)和图3(b)具有相同的值作为Ra。然而,当比较图3(a)和图3(b)时,锚定结构45a在图3(a)中错综复杂地形成,能够获得更高的防止绝缘层分离的效果。在这种意义上,单独的Ra不足以表示界面的粘附状态。
此外,存在如下情况:仅在界面的一部分处形成锚定结构是不够的。举例来说,当锚定结构的根部较薄时,有可能仅靠该锚固结构不能保持粘附性能,因此锚固结构破裂。在这种意义上,优选的是,锚定结构存在于特定大小以下的各范围中。
假定绝缘层与负极活性材料层之间的界面在层的平面内方向上具有特定的周期结构,要素的平均长度“RSm”作为表示周期的参数是已知的。如果该值小于特定值,那么存在接触面积能够变宽的可能性,并且它优选地是约40μm以下,更优选地是30μm以下。
在界面处要素的平均长度(RSm)可以根据JIS-B-0601(2001)获得。平均长度(RSm)表示每个基准长度中的粗糙度曲线要素之间长度的平均值。也就是说,在基准长度的范围内,假设粗糙度曲线(具有多个峰(在此被假定为局部最大点))的峰数被设定为m+1,各峰之间的距离是W1、W2、W3……Wm,它是通过用W1至Wm的长度总和除以m而获得的值,如下式中所示。
(式1)
对于RSm的下限,就均匀性等观点而言优选以尽可能小的周期重复,因此没有特别限制。然而,根据定义,认为RSm不小于构成绝缘层与负极活性材料层之间的界面附近的负极活性材料层的粒径,因此其是RSm的实质的下限值。
图4至图6示出了示意性界面。诸如“51”至“56”的数字分别指示示意性界面。相对于作为参考的界面51,界面52的周期是2倍,界面53的振幅是2倍,界面54具有1/4周期和1/2振幅,并且界面55具有2倍的周期和振幅。
在上述情况下,表1示出了如上所示的“L值”、“RSm”以及“Ra”的近似计算的结果。
(表1)
51 | 52 | 53 | 54 | 55 | |
L值 | 1.32 | 1.09 | 1.95 | 1.94 | 1.32 |
RSm | 10 | 20 | 10 | 2.5 | 20 |
Ra | 1.27 | 1.27 | 2.54 | 0.62 | 2.54 |
基于所述结果,可以理解下文。Ra是显著取决于界面的振幅并且不太取决于周期的参数。另一方面,RSm是显著取决于周期并且不取决于振幅的参数。考虑到这些事实,L值直接表示界面部分的长度,因此认为它作为显示粘附性能的指标是适当的。
另一方面,表2示出了如下构造中的近似计算结果:其中如图6中的界面56所示锚定结构仅存在于一部分中并且其他部分采取恒定值的状态周期性地重复。
(表2)
51 | 56 | |
L值 | 1.32 | 1.33 |
RSm | 10 | 40 |
Ra | 1.27 | 0.79 |
因而,界面56具有大致相同的L值,但是平坦界面占整体的3/4。在这样的情况下,当在异常时发生绝缘层的剥离时,存在以下风险,即当在平坦界面处发生剥离时,整个绝缘层可能以剥离区域作为起点开始剥离。因此,除了L值之外,具有周期特性的参数也是有用的。
基于上述认为,除了L值之外还设定RSm值的上限值的方式导致提供了能够获得更高的防止绝缘层剥离的效果的范围。此外,基于此制作的具备具有绝缘层的活性材料层的电极能够提高绝缘层的剥离强度。
在活性材料上形成绝缘层的情况下,不管是在正极活性材料层上还是在负极活性材料层上,在任一者的情况下都能用作用于电池的电极。一般来说,当制造电池时,由于负极的面积大于正极的面积,因此在负极活性材料层中施涂绝缘层能够减少为了降低正极与负极之间短路的风险所需的用于制造电池的步骤数。
在本发明的一个实施方式中,负极包含金属和/或金属氧化物和碳作为负极活性材料。金属的实例包括Li、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La以及它们中两种以上的合金。这些金属或合金可以作为两种以上的混合物使用。此外,这些金属或合金可以含有一种以上非金属元素。
金属氧化物的实例包括硅氧化物、氧化铝、锡氧化物、铟氧化物、氧化锌、锂氧化物以及它们的复合物。在本实施方式中,优选地含有锡氧化物或硅氧化物作为负极活性材料,并且更优选地含有硅氧化物。这是因为硅氧化物是相对稳定的并且几乎不会引起与其他化合物的反应。此外,例如,可以将0.1质量%至5质量%的选自氮、硼以及硫中的一种以上元素添加到金属氧化物中。以这种方式,能够提高金属氧化物的导电性。
碳的实例包括石墨、无定形碳、类金刚石碳、碳纳米管以及它们的复合物。高度结晶的石墨具有高导电性并且在对由诸如铜的金属制成的负极集电器的粘附性和电压平坦性方面是优异的。另一方面,由于具有低结晶度的无定形碳具有相对小的体积膨胀,因此它具有高的缓和整个负极的体积膨胀的效果,并且由于诸如晶粒边界和缺陷的不均匀性引起的劣化几乎不会发生。
金属和金属氧化物具有以下特征,即接受锂的能力比碳大得多。因此,可以通过使用大量金属和金属氧化物作为负极活性材料来提高电池的能量密度。为了实现高能量密度,优选的是,负极活性材料中金属和/或金属氧化物的含量比率高。将金属和/或金属氧化物混合到负极中,使得负极中所含的碳的可接受锂量小于正极的可释放锂量。在本说明书中,正极的可释放锂量和负极中所含的碳的可接受锂量分别意指理论容量。负极中所含的碳的可接受锂量相对于正极的可释放锂量的比率优选地是0.95以下,更优选地是0.9以下,更优选地是0.8以下。随着金属和/或金属氧化物的量增加,作为负极整体而言的容量增加,因此是优选的。金属和/或金属氧化物优选地以占负极活性材料的0.01质量%以上,更优选地0.1质量%以上,进一步优选地1质量%以上的量包含在负极中。然而,与碳相比,金属和/或金属氧化物在吸收和解吸锂时有大的体积变化,并且电气接合可能损失。因此,负极活性材料中金属和/或金属氧化物的量是99质量%以下,优选地是90%以下,更优选地是80质量%以下。如上文所述,负极活性材料是能够随着负极中的充放电而可逆地吸收和解吸锂离子的材料并且不包括其他粘合剂等。
用于负极的粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、丙烯酸类、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等。除了上述之外,还可以包括苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)等。当使用水性粘合剂如SBR乳液时,也可以使用诸如羧甲基纤维素(CMC)的增稠剂。从足够的粘合强度与高能量之间权衡的观点来看,相对于100质量份的负极活性材料,所使用的负极粘合剂的量优选地是0.5质量份至20质量份。负极粘合剂可以混合并且使用。
负极活性材料可以与导电辅助材料一起使用。具体来说,作为导电辅助材料,可以使用与正极中具体例示的相同的导电辅助材料,并且使用的量也可以是相同的。
作为负极集电器,从电化学稳定性的观点来看,优选地使用铝、镍、铜、银以及其合金。集电器形状的实例包括箔状、平板状和网眼状。
负极可以例如通过在负极集电器上形成含有负极活性材料和负极粘合剂的负极活性材料层来制造。用于形成负极活性材料层的方法的实例包括刮刀法、模涂法、CVD法、溅射法等。在预先形成负极活性材料层之后,可以通过诸如气相沉积、溅射等方法形成铝、镍或其合金的薄膜以获得负极集电器。
[正极]
正极指的是在电池中高电位侧的电极。举例来说,正极包含能够在充放电时可逆地吸收和解吸锂离子的正极活性材料并且具有以下结构,其中正极活性材料作为用正极粘合剂一体化的正极活性材料层层压于集电器上。在本发明的一个实施方式中,正极具有3mAh/cm2以上、优选地3.5mAh/cm2以上的每单位面积充电容量。从安全性等的观点来看,正极的每单位面积充电容量优选地是15mAh/cm2以下。在此,每单位面积充电容量是由活性材料的理论容量计算的。也就是说,每单位面积的正极的充电容量是通过(用于正极的正极活性材料的理论容量)/(正极的面积)来计算的。注意,正极的面积指的是正极的一个表面而不是两个表面的面积。
为了增加正极的能量密度,用于正极的正极活性材料优选地接受和释放锂并且是具有更高容量的化合物。高容量化合物的实例包括镍酸锂(LiNiO2)和通过用其他金属元素部分置换镍酸锂中的Ni而获得的锂镍复合氧化物,并且由下式(A)表示的层状锂镍复合氧化物是优选的。
LiyNi(1-x)MxO2 (A)
(其中0≤x<1,0<y≤1.2且M是选自由Co、Al、Mn、Fe、Ti和B组成的组中的至少一种元素。)
作为由式(A)表示的化合物,Ni含量优选地是高的,或者也就是说,在式(A)中x小于0.5,并且更优选地是0.4以下。这样的化合物的实例包括LiαNiβCoγMnδO2(0<α≤1.2,优选地1≤α≤1.2,β+γ+δ=1,β≥0.7,且γ≤0.2)以及LiαNiβCoγAlδO2(0<α≤1.2,优选地1≤α≤1.2,β+γ+δ=1,β≥0.6,优选地β≥0.7,γ≤0.2),特别是LiNiβCoγMnδO2(0.75≤β≤0.85,0.05≤γ≤0.15,0.10≤δ≤0.20)。更具体地说,例如,可以优选使用LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2和LiNi0.8Co0.1Al0.1O2。
从热稳定性的观点来看,还优选的是,Ni含量不超过0.5,或者也就是说,在式(A)中x是0.5以上。还优选的是,特定过渡金属不占超过一半。这样的化合物的实例包括LiαNiβCoγMnδO2(0<α≤1.2,优选地1≤α≤1.2,β+γ+δ=1,0.2≤β≤0.5,0.1≤γ≤0.4,0.1≤δ≤0.4)。更具体的实例包括LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2(缩写为NCM433)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(缩写为NCM523)以及LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2(缩写为NCM532)(条件是这些化合物包括其中各过渡金属的含量变化约10%的那些)。
此外,两种以上由式(A)表示的化合物可以作为混合物使用,例如,还优选的是,将NCM532或NCM523与NCM433在9:1至1:9范围内(2:1是典型实例)作为混合物使用。此外,具有高容量和高热稳定性的电池可以通过在式(A)中将Ni含量高(x是0.4以下)的材料与Ni含量不超过0.5(x是0.5以上,如NCM433)的材料混合而形成。
除上述正极活性材料以外,实例包括具有层状结构或尖晶石结构的锰酸锂,如LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3以及LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2);LiCoO2和通过用其他金属部分地置换这些过渡金属而获得的那些;基于这些锂过渡金属氧化物的化学计量组成,具有过量的Li的那些;以及具有橄榄石结构的那些,如LiFePO4。此外,也可以使用通过用Al、Fe、P、Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等部分地置换这些金属氧化物而获得的材料。上述正极活性材料中的一种可以单独使用,或可以组合使用两种以上。
可以使用类似于负极粘合剂的正极粘合剂。其中,从通用性和低成本的观点来看,聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯是优选的,并且聚偏二氟乙烯是更优选的。从“足够的粘合强度”与“高能量”之间权衡的观点来看,相对于100质量份的正极活性材料,所用的正极粘合剂的量优选地是2质量份至15质量份。
可以将导电辅助材料添加到含有正极活性材料的涂层中以降低阻抗。导电辅助材料的实例包括薄片状、煤状、纤维状碳质微粒等,如石墨、炭黑、乙炔黑、气相生长碳纤维(例如由昭和电工公司制造的VGCF)等。
可以使用类似于负极集电器的正极集电器。特别地,作为正极,使用铝、铝合金、铁镍铬钼型不锈钢的集电器是优选的。
如同负极,正极可以通过在正极集电器上形成含有正极活性材料和用于正极的粘合剂的正极活性材料层来制成。
[绝缘层]
绝缘层可以通过施涂绝缘层用浆料组合物以覆盖正极或负极的活性材料层的一部分并且干燥并去除溶剂而形成。
绝缘层用浆料是用于形成多孔绝缘层的浆料组合物。因此,绝缘层也可以被称为具有多孔性的绝缘层(多孔绝缘层)。绝缘层用浆料包含非导电粒子和具有特定组成的粘合剂,并且将非导电粒子、粘合剂以及任选的组分作为固体成分均匀地分散在溶剂中。
期望的是,非导电粒子稳定地存在于锂离子二次电池的使用环境中并且是电化学稳定的。作为非导电粒子,例如,可以使用多种无机粒子、有机粒子以及其他粒子。其中,无机氧化物粒子或有机粒子是优选的。从粒子中金属离子(它在下文中可以被表述为金属异物)的污染更少的观点来看,更优选的是,使用有机氧化物粒子。粒子中的金属离子有时在电极附近形成盐,这可能导致电极的内阻增加以及二次电池的循环特征降低。所述其他粒子包括通过用非导电物质对细粉表面进行表面处理而赋予绝缘性的粒子。所述细粉可以由导电金属、化合物以及氧化物制成,如炭黑、石墨、SnO2以及金属粉末。上述粒子中的两种以上可以组合用作非导电粒子。
无机粒子的实例包括无机氧化物粒子,如氧化铝、硅氧化物、氧化镁、钛氧化物、BaTiO2、ZrO、氧化铝-二氧化硅复合氧化物;无机氮化物粒子,如氮化铝和氮化硼;共价晶体粒子,如金刚石等;难溶性离子晶体粒子,如硫酸钡、氟化钙、氟化钡等;粘土细粒,如滑石和蒙脱石。如果需要的话,这些粒子可以经受元素置换、表面处理、固溶处理等,并且可以单独使用或以两种以上的组合使用。其中,从在电解液中的稳定性和电位稳定性的观点来看,无机氧化物粒子是优选的。
无机粒子的形状不受特别限制,并且可以是球状、针状、棒状、纺锤状、板状等。从有效防止针状物贯穿的观点来看,无机粒子的形状可以是板状形态。
通过对如上文所述的无机粒子进行定向,可以设想的是,无机粒子被布置成在平坦表面的一部分上彼此重叠,并且从多孔膜的一个表面到另一个表面的空隙(通孔)不是以直线形状形成的,而是以弯曲形状形成的(即,曲折路径率增加)。推测这防止了锂枝晶穿透多孔膜并且更好地抑制短路的发生。
无机粒子的平均粒径优选地在0.005μm至10μm的范围内,更优选地在0.1μm至5μm的范围内,特别优选地在0.3μm至2μm的范围内。当无机粒子的平均粒度在上述范围内时,容易控制多孔膜浆料的分散状态,从而易于制造具有均匀的预定厚度的多孔膜。此外,这样的平均粒度提供以下优势。对粘合剂的粘附性提高,并且甚至当卷绕多孔膜时,也可以防止无机粒子剥离,结果,即使是多孔膜变薄也能够实现足够的安全性。由于可以抑制多孔膜中粒子填充率的增加,因此可以抑制多孔膜中离子传导性的降低。此外,多孔膜能够被做得薄。
无机粒子的平均粒度可以通过从SEM(扫描电子显微镜)图像中在任意视野中任意选择50个一次粒子,进行图像分析,并且获得各粒子的当量圆直径的平均值来获得。
无机粒子的粒径分布(CV值)优选地是0.5%至40%,更优选地是0.5%至30%,特别优选地是0.5%至20%。通过将无机粒子的粒度分布设定在上述范围内,保持了非导电粒子之间的预定间隙,从而可以抑制由于锂的移动被抑制而导致的电阻增加。无机粒子的粒度分布(CV值)可以例如通过使用电子显微镜观察无机粒子,测量200个以上粒子的粒径,确定平均粒径和粒径的标准偏差,并且计算(粒径的标准偏差)/(平均粒径)来确定。CV值越大意味着粒径变化越大。
从抑制无机粒子聚集和优化随后所述的绝缘层浆料的流动性的观点来看,用于本发明的一个实施方式中的无机粒子的BET比表面积特别优选地是0.9m2/g至200m2/g,更优选地是1.5m2/g至150m2/g。
当绝缘层用浆料中所含的溶剂是非水性溶剂时,可以使用分散或溶解在非水性溶剂中的聚合物作为粘合剂。作为分散或溶解在非水性溶剂中的聚合物,可以使用聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚六氟丙烯(PHFP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚全氟烷氧基氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等作为粘合剂,并且它不限于此。
此外,可以使用用于将混合物层粘合的粘合剂。
当绝缘层用浆料中所含的溶剂是水性溶剂(使用水或含有水作为主要组分的混合溶剂作为粘合剂的分散介质的溶液)时,可以使用分散或溶解在水性溶剂中的聚合物作为粘合剂。分散或溶解在水性溶剂中的聚合物包括例如丙烯酸类树脂。作为丙烯酸类树脂,优选地使用通过使单体聚合而获得的均聚物,所述单体诸如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙基己酯、丙烯酸丁酯。丙烯酸类树脂可以是通过使上述单体中的两种以上聚合而获得的共聚物。此外,可以混合所述均聚物和所述共聚物中的两种以上。除了上述丙烯酸类树脂之外,还可以使用聚烯烃树脂,如苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)和聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)等。这些聚合物可以单独使用或以两种以上的组合使用。其中,优选使用丙烯酸类树脂。粘合剂的形态不受特别限制,并且呈粒子(粉末)形态的粒子可以原样使用或可以使用以溶液状态或乳液状态制备的那些。可以以不同的形态使用两种以上粘合剂。
如果需要的话,绝缘层可以含有除上述无机填料和粘合剂以外的材料。这样的材料的实例包括可以充当用于绝缘层用浆料的增稠剂的各种聚合物材料,其将随后描述。当使用水性溶剂时,优选的是,含有充当增稠剂的聚合物。作为充当增稠剂的聚合物,优选地使用羧甲基纤维素(CMC)或甲基纤维素(MC)。
尽管没有特别限制,但是无机填料(隔膜侧部分和电极侧表面部分中的无机填料的总量)对整个绝缘层的比率适当地是约70质量%以上(例如70质量%至99质量%),优选地是80质量%以上(例如80质量%至99质量%),特别优选地是约90质量%至99质量%。
绝缘层中粘合剂的比率适当地是约30质量%以下,优选地是20质量%以下,更优选地是10质量%以下(例如0.5质量%至3质量%)。在含有除无机填料和粘合剂以外的绝缘层形成组分(例如增稠剂)的情况下,增稠剂的含量比率优选地是约3质量%以下,更优选地是约2质量%以下。如果粘合剂的比率过小,那么绝缘层本身的强度(保形性)降低,这可能导致如开裂和剥离的缺陷。如果粘合剂的比率过大,那么绝缘层的粒子之间的间隙变得不足,并且在一些情况下绝缘层中的离子渗透性可能降低。
(绝缘层的形成)
将描述形成绝缘层的方法。作为用于形成绝缘层的材料,可以使用无机填料、粘合剂和溶剂混合并分散而得的糊状材料(包括浆料形态或油墨形态,下同)。
用于绝缘层浆料的溶剂包括水或主要含水的混合溶剂。作为构成这样的混合溶剂的除水以外的溶剂,可以适当地选择和使用可以与水均匀混合的一种以上有机溶剂(低级醇、低级酮等)。或者,它可以是有机溶剂,如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、吡咯烷酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、环己酮、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或其两种以上的组合。绝缘层用浆料中溶剂的含量不受特别限制,并且它优选地是整个涂布材料的40质量%至90质量%,特别优选地是约50质量%。
将无机填料和粘合剂与溶剂混合的操作可以通过使用合适的捏合机进行,如球磨机、均匀分散机(homodisper)以及超声波分散机。
对于施涂绝缘层用浆料的操作,可以使用常规的一般涂布手段而不受限制。举例来说,可以通过借助于合适的涂布装置(凹版涂布机、狭缝涂布机、模涂机、浸涂机等)以均匀厚度进行涂布来施涂预定量的绝缘层用浆料。
之后,可以通过利用合适的干燥手段(通常在低于隔膜的熔点的温度下,例如110℃以下,例如30℃至80℃)干燥所施涂的材料来去除绝缘层用浆料中的溶剂。
具有绝缘层的用于锂离子二次电池的电极可以根据以下方法制备。在制备正极和负极时,首先,将例如矩形区域的活性材料层施涂到作为集电器的长金属箔上。然后,施涂例如矩形区域的绝缘层以覆盖活性材料层。
对于涂有活性材料的矩形区域和涂有绝缘层的矩形区域,涂有绝缘层的区域可以形成得更大或更小。
随后,将涂有活性材料和绝缘层的电极干燥并加压成形。
尽管在此公开了依次进行活性材料层的施涂步骤和绝缘层的施涂步骤的方法,但是也可以将它们同时进行。此外,也可以分别进行各层的施涂并且分别进行干燥和加压成形。
根据本发明的一个实施方式的方法甚至能够以相同的方式测量通过依次或同时进行活性材料的施涂步骤和绝缘层的涂布步骤的方法所制造的电极、和分别进行所述两个步骤而得到的电极。
此外,在其中在集电器的两侧上都进行活性材料层的施涂和绝缘层的涂布并且同时进行干燥的方法中,一般来说,认为当活性材料层和绝缘层的粘合剂在界面附近部分地混合时或当粘合剂之间发生粘合时,活性材料层与绝缘层之间的粘附性变得更强。就提高粘附性来说,在该方法中,优选的是,对于活性材料层和绝缘层使用相同的溶剂,更优选的是,使用相同的粘合剂材料。
3.其他组件
[电池]
通过组装根据本实施方式的电极,能够获得电池。举例来说,电池可以具有以下构造,其中正极和负极作为根据本实施方式的电极形成,隔膜夹在它们之间,并且其与电解液一起封装在外包装袋中。
[电池组]
可以组装根据本实施方式的多个锂离子二次电池以形成电池组。举例来说,可以使用两个以上根据本实施方式的锂离子二次电池,并且电池组可以被构造成以串联、并联或这两种方式连接。通过串联和/或并联连接,能够自由地调节容量和电压。电池组中设置的锂离子二次电池的数量可以根据电池容量和输出而适当地设定。
[车辆]
根据本实施方式的锂离子二次电池或电池组可用于车辆中。根据本实施方式的车辆的实例包括混合动力车辆、燃料电池车辆、电动车辆(均除了四轮车辆(商用车辆如轿车、卡车、公共汽车、轻型汽车等)之外,还有两轮车辆(自行车)和三轮车)。顺便提及,根据本实施方式的车辆不限于汽车,而可以是其他车辆、例如像电气列车等移动体的各种电源。
[蓄电装置]
根据本实施方式的锂离子二次电池或电池组可以用于蓄电装置。根据本实施方式的蓄电装置的实例包括连接在供应给普通家庭的商用电源与诸如家用电器的负载之间并且当发生停电时用作备用电源或辅助电力的蓄电装置。此外,还存在用于大规模电力存储以使诸如太阳能发电的基于可再生能源的随时间变化大的电力输出稳定的那些蓄电装置。
[其他]
此外,根据本实施方式的锂离子二次电池或电池组可以用作诸如移动电话、笔记本电脑等移动装置的电源。
实施例
随后,将参考具体实施例描述本发明。然而,本发明不限于以下实施例。
(绝缘涂层电极的制造)
[实施例1]
将石墨和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)以95:5的重量比分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备负极活性材料用浆料。随后,将氧化铝和聚偏二氟乙烯(PVdF)以90:10的重量比分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备绝缘层用浆料。按照负极活性材料层用浆料和绝缘层用浆料的顺序将这两种浆料施涂于由铜制成的负极集电箔的表面上。之后,将它干燥以形成负极活性材料层和绝缘层。类似地,在负极集电箔的背面上形成负极活性材料层和绝缘层。随后,将负极集电箔、负极活性材料层和绝缘层整体加压成形。
[实施例2]
将LiNi0.8Mn0.15Co0.05O2、碳导电剂(乙炔黑)以及作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)以90:5:5的重量比分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备正极活性材料层用浆料。随后,将氧化铝和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)以90:10的重量比分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备绝缘层用浆料。按照正极活性材料层浆料和绝缘层浆料的顺序将它们施涂于由铝制成的正极集电箔的表面上。之后,将它干燥以形成正极活性材料层和绝缘层。类似地,在正极集电箔的背面上形成正极活性材料层和绝缘层。最终,将正极集电箔、正极活性材料层和绝缘层整体加压成形。
[比较例1]
将石墨、作为增稠剂的羧甲基纤维素和作为粘合剂的苯乙烯丁二烯橡胶以97:1:2的重量比在水溶液中混合以制备负极活性材料层用浆料。随后,将氧化铝和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)以90:10的重量比分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备绝缘层用浆料。将其施涂于由铜制成的负极集电箔的表面上并且干燥以形成负极活性材料层。类似地,在负极集电箔的背面上形成负极活性材料层,之后加压成形。随后,以与实施例1中相同的方式,制备绝缘层用浆料。将其施涂于负极活性材料层上并且干燥以形成绝缘层。类似地,在负极集电箔的背面上的负极活性材料层上形成绝缘层。随后,将负极集电箔、负极活性材料层和绝缘层整体加压成形。
(参数计算)
随后,对于实施例1至实施例3中制备的各电极,测量多个截面SEM图像。从图像中,将绝缘层与电极活性材料层之间的界面用折线近似并且提取,并且计算“L值”、RSm以及Ra。从这些多个图像中获得的结果示于表3中。由从通过相同的制造方法制备的电极获得的多个图像计算的结果通过将-1、-2等添加到末尾来指示(“实施例1-1”、“实施例1-2”是通过分析一个电极的不同部分的SEM图像而获得的参数)。如例如图7中所示,通过提取界面中的多个特征点来进行基于界面的折线的提取(此处,基准长度160μm是利用36个点近似的)。RSm等是基于以下假设计算的,即在图7中有11个点(用圆圈标记;即在160μm长度中存在5.5个周期)指示界面的近似曲线中的近似极大值或极小值。
(表3)
L值 | RSm(μm) | Ra(μm) | |
实施例1-1 | 1.49 | 29 | 4.3 |
实施例1-2 | 1.60 | 24 | 4.0 |
实施例2-1 | 1.36 | 25 | 2.4 |
实施例2-2 | 1.44 | 40 | 3.0 |
比较例1-1 | 1.12 | 69 | 1.1 |
比较例1-2 | 1.14 | 42 | 2.7 |
比较例1-3 | 1.24 | 50 | 2.5 |
(简单剥离测试)
随后,对实施例1至实施例4和比较例1中获得的电极进行以下简单剥离测试。准备玻璃纸胶带(宽度18mm)和Kapton(注册商标)胶带(宽度10mm)作为胶带,将它们粘贴在表面上,然后将它们剥离。此外,观察绝缘层或活性材料层是否粘附到胶带上。在粘附的情况下,利用颜色来观察是绝缘层剥离还是活性材料层剥离。结果示于表4中。在本实施例的范围内,使用玻璃纸胶带和Kapton(注册商标)胶带,结果是一致的。
(表4)
简单剥离测试结果 | |
实施例1 | OK |
实施例2 | OK |
比较例1 | NG |
在此,OK指示电极层与绝缘层一起几乎以整个表面粘到胶带上,或仅一部分绝缘层剥离,并且在胶带附着着的部分中,几乎都是残留了绝缘层和电极层。NG指示仅绝缘层粘到胶带上并且几乎是白色的,而样品侧显示黑色,这是电极层的颜色(也就是说,电极层暴露在表面上)。换句话说,OK指示绝缘层与电极层之间的粘附性提高,因此电极层更早破裂,或绝缘层与电极层之间的粘附性提高,并且电极层或电极层与集电器之间的界面牢固粘合。另一方面,NG被认为是因为绝缘层与电极层之间的界面的粘附性不足,从绝缘层与电极层之间的界面发生剥离。
如从表3和表4中明显看出,无法用Ra值来区分OK和NG的范围,然而,在本申请中所示的L值是1.25以上的样品中,几乎整个样品中绝缘层与电极层之间的粘附性提高。此外,当RSm是40μm以下时,绝缘层与电极层之间的粘附性能够提高。认为以适当的间隔插入了锚定形状。
(补充说明)
本申请公开了以下发明。括号中的符号仅供参考并且完全不限制本发明:
1.一种电极,所述电极包含:
金属箔(41);
在所述金属箔的至少一个表面上形成的电极层(42);以及
在所述电极层上形成的绝缘层(45);
其中所述绝缘层与所述电极层之间的界面部分处于其中所述绝缘层的一部分进入所述电极层的一部分中的状态,
并且
Ls/L是1.25以上,
其中在其中所述金属箔延伸的方向上的直线的基准长度被设为L并且沿着所述绝缘层与所述电极层之间的界面的边界长度被设为Ls。
2.如上文所述的电极,其特征在于将在所述绝缘层与所述电极层之间的所述界面处的要素的平均长度设为RSm时,RSm是40μm以下。
3.如上文所述的电极,其特征在于所述RSm是30μm以下。
4.如上文所述的电极,其特征在于Ls/L是1.45以上。
5.如上文所述的电极,其中所述电极层是负极活性材料层。
6.一种二次电池,所述二次电池包含:
如上文所述的电极(被称为第一电极);
具有与所述第一电极不同的极性的第二电极;以及
电解质。
符号说明
1 膜外包装电池
10 膜外包装体
20 电池元件
25 隔膜
30 正极
31 金属箔
32 正极活性材料层
40 负极
41 金属箔
42 负极活性材料层
45 绝缘层
45a 锚定结构
Claims (6)
1.一种电极,所述电极包含:
金属箔;
在所述金属箔的至少一个表面上形成的电极层;以及
在所述电极层上形成的绝缘层;
其中所述绝缘层与所述电极层之间的界面部分处于其中所述绝缘层的一部分进入所述电极层的一部分中的状态,并且
Ls/L是1.25以上,
其中,在所述金属箔延伸的方向上的直线的基准长度被设为L,并且沿着所述绝缘层与所述电极层之间的界面的边界长度被设为Ls。
2.根据权利要求1所述的电极,其特征在于将在所述绝缘层与所述电极层之间的所述界面处的要素的平均长度设为RSm时,RSm是40μm以下。
3.根据权利要求2所述的电极,其特征在于所述RSm是30μm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极,其特征在于Ls/L是1.45以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极,其中所述电极层是负极活性材料层。
6.一种二次电池,所述二次电池包含:
根据权利要求1至5中任一项所述的第一电极;
具有与所述第一电极不同的极性的第二电极;以及
电解质。
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