CN110392954A - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可抑制在负极产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱的二次电池。一种二次电池，该二次电池包括负极，该负极具有配置有负极活性物质层的负极集电体(32)，该负极活性物质层具有含有硅的负极活性物质，其中，负极集电体(32)具有：活性物质区域(40)，其配置有负极活性物质层；非活性物质区域(46)，其未配置有负极活性物质层；以及狭缝(36)，其自非活性物质区域(46)延长到活性物质区域(40)。

Description

二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池。
背景技术
二次电池至少具有1个发电元件。发电元件具有：正极，其具有配置有正极活性物质层的集电体；电解质层，其保持电解质；以及负极，其具有配置有负极活性物质层的集电体。负极集电体具有配置有负极活性物质层的活性物质区域和未配置有负极活性物质层的非活性物质区域。
近年来，以增大容量为目的而将含有硅的负极活性物质应用于负极活性物质层(例如参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第01/029918号
发明内容
发明要解决的问题
但是，硅因二次电池的充放电而产生体积变化。因此，在含有硅的活性物质区域中，会产生伸缩，在不含有硅的非活性物质区域中，不会产生伸缩。
由此，产生由负极的活性物质区域中的伸缩尺寸和非活性物质区域中的伸缩尺寸的差导致的应力，存在产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱的问题。例如，褶皱因二次电池重复充放电而增大，且到达作为电极进行反应的部位(即与正极相对的部位)，引起正极与负极的电极间距离的不均匀化，其结果，有可能使循环特性(寿命)变差。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，提供一种可抑制在负极产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱的二次电池。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明提供一种二次电池，该二次电池具有负极，该负极具有配置有负极活性物质层的负极集电体，该负极活性物质层具有含有硅的负极活性物质，其中，所述负极集电体具有：活性物质区域，其配置有所述负极活性物质层；非活性物质区域，其未配置有所述负极活性物质层；以及狭缝，其自所述非活性物质区域延长到所述活性物质区域。
发明的效果
在本发明中，自非活性物质区域延长到活性物质区域的狭缝缓和二次电池的充放电时在负极产生的应力。因此，即使硅的体积变化较大，也能够抑制产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱。因而，能够提供一种可抑制在负极产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱的二次电池。
通过参照在之后的说明和附图中例示的优选实施方式，本发明的其他目的、特征以及特质变得明确。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式的二次电池的立体图。
图2是图1所示的二次电池的剖视图。
图3是用于说明图2所示的电池主体部和发电元件的剖视图。
图4是用于说明图3所示的负极的俯视图。
图5是用于说明图3所示的正极的俯视图。
图6是用于说明图4所示的狭缝的放大图。
图7是用于说明本发明的实施方式的变形例1的俯视图。
图8是用于说明本发明的实施方式的变形例2的俯视图。
图9是用于说明本发明的实施方式的变形例3的俯视图。
图10是用于说明本发明的实施方式的变形例4的立体图。
图11是用于说明本发明的实施方式的变形例4的俯视图。
图12是用于说明本发明的实施方式的变形例5的俯视图。
图13是用于说明本发明的实施方式的变形例6的俯视图。
图14是用于说明本发明的实施方式的变形例7的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。此外，对于附图的尺寸比例，在说明的方便性上有放大、与实际的比例不同的情况。
图1是用于说明本发明的实施方式的二次电池的立体图，图2是图1所示的二次电池的剖视图。
本发明的实施方式的二次电池10是非双极型的锂离子二次电池，如图1所示，具有负极引板12、正极引板14以及外壳体16。二次电池10例如被电池组化，并被用作车辆的电源装置。车辆例如是电动汽车、混合动力电动汽车。
负极引板12和正极引板14是由高导电性构件构成的强电端子，自外壳体16的内部朝向外部延长，是为了引出电流而使用的。优选的是，负极引板12和正极引板14例如被耐热绝缘性的热收缩管覆盖，由此可靠地防止与周边设备、配线等电接触。
如图2所示，外壳体16在内部配置有电池主体部20，是为了防止来自外部的冲击、环境劣化而使用的。外壳体16是通过对片材的外周部的一部分或片材的整个外周部进行接合而形成的。接合方法例如是热熔接。
电池主体部20具有多个发电元件(单电池)22。发电元件22被层叠，且被并联地电连接。附图标记S表示发电元件22的层叠方向。
构成负极引板12和正极引板14的高导电性构件例如是铝、铜、钛、镍、不锈钢以及它们的合金。
从轻量化和导热性的观点考虑，构成外壳体16的片材优选由高分子－金属复合层压膜构成。高分子例如是聚丙烯、聚乙烯等的热塑性树脂材料。金属例如是铝、不锈钢、镍、铜等金属(包含合金)。外壳体16并不限于由一对层压膜(片材)构成的形态，例如，也能够应用预先形成为袋状的层压膜。
接下来，详细叙述电池主体部和发电元件。
图3是用于说明图2所示的电池主体部和发电元件的剖视图。
如图3所示，电池主体部20具有负极30、分隔件50以及正极60。
负极30具有集电体32和大致矩形的负极活性物质层34。负极活性物质层34配置于集电体32的在层叠方向S上的两个面。也就是说，相邻的负极30共用集电体32。
集电体32例如由具有1μm～100μm左右的厚度的铜箔构成。
负极活性物质层34含有负极活性物质和添加剂，例如具有1μm～100μm左右的厚度。负极活性物质具有在放电时使锂离子脱离且在充电时吸存锂离子的组成。添加剂是粘结剂和导电助剂。粘结剂是以维持负极构造为目的而添加的，具有将负极活性物质层34的构成材料彼此间粘结起来的功能和使负极活性物质层34粘结于集电体32的功能。粘结剂例如由羧甲基纤维素(CMC)和苯乙烯－丁二烯橡胶(SBR)构成。导电助剂由具有良好的导电性的碳材料等构成，是为了提高负极活性物质层34的导电性而加入的。例如，碳材料是乙炔黑。
在本实施方式中，负极活性物质含有硅系材料。与石墨等相比，硅的每单位体积的锂离子的吸存能力良好，能够使二次电池高容量化。尤其是，在本实施方式中，如后述那样，能够抑制褶皱的产生，因此容易应用含有膨胀性较大的硅的负极活性物质。
正极60具有集电体62和大致矩形的正极活性物质层64。正极活性物质层64配置于集电体62的在层叠方向S上的两个面。也就是说，相邻的正极60共用集电体62。
集电体62例如具有1μm～100μm左右的厚度。集电体62的构成材料与负极30的集电体32的构成材料相同。
正极活性物质层64含有正极活性物质和添加剂，例如具有1μm～100μm左右的厚度。正极活性物质具有能够在充电时放出锂离子且在放电时吸存锂离子的组成。正极活性物质例如是LiNiCoAlO2。添加剂是粘结剂和导电助剂。粘结剂是以维持正极构造为目的而添加的，具有将正极活性物质层64的构成材料彼此间粘结起来的功能和使正极活性物质层64粘结于集电体62的功能。粘结剂例如是聚偏二氟乙烯(PVdF)。导电助剂是为了提高正极活性物质层64的导电性而加入的，其与负极30的导电助剂相同。
分隔件50例如是由具有1μm～50μm左右的厚度的聚丙烯形成的大致矩形的微多孔质(微多孔膜)片。分隔件50配置在负极活性物质层34与正极活性物质层64之间，负极活性物质层34和正极活性物质层64隔着分隔件50相对。
分隔件50浸渗有电解质，构成了保持电解质的电解质层。电解质例如是液体电解质。也就是说，分隔件50具有确保正极60与负极30之间的锂离子(载体离子)的传导性的功能和作为正极60与负极30之间的分隔壁的功能。
发电元件22由配置有负极活性物质层34的集电体32、负极活性物质层34、分隔件50、正极活性物质层64、以及配置有正极活性物质层64的集电体62构成。此外，集电体32和集电体62分别被相邻的发电元件22共用。
负极活性物质层34的面积构成为大于正极活性物质层64的面积。由此，即使在正极活性物质层64相对于负极活性物质层34产生位置偏移的情况下，也能够抑制负极活性物质层34与正极活性物质层64之间的相对面积的减少。因而，能够防止相对面积的减少引起的发电容量的变动。
接下来，依次说明集电体、负极活性物质的硅系材料、负极粘结剂、正极活性物质、正极粘结剂、导电助剂、分隔件以及电解质的结构等。
集电体32的构成材料并不限定于铜，也能够应用其他金属、导电性树脂。其他金属例如是铝、镍、铁、不锈钢、钛、镍和铝的金属包层材料、铜和铝的金属包层材料以及这些金属的组合的镀覆材料。导电性树脂例如是导电性高分子材料、添加有导电性填料的导电性高分子材料、或添加有导电性填料的非导电性高分子材料。
负极活性物质的硅系材料例如是硅金属(Si单体)、硅合金、硅氧化物、硅化合物、硅半导体。硅合金含有铝、锡、锌、镍、铜、钛、钒、镁、锂等与硅进行合金化的金属。硅合金优选为Si－Sn－Ti系合金等三元合金以上的多元合金。硅氧化物是SiO2、SiO、SiOx等。SiOx是非晶SiO2颗粒和Si颗粒的混合体(x表示满足Si的原子价的氧原子数)。硅化合物例如含有从由锂、碳、铝、锡、锌、镍、铜、钛、钒以及镁构成的组中选取的至少1种成分。负极活性物质并不限定于单独含有1种硅系材料的形态。
负极粘结剂并不限于含有苯乙烯－丁二烯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)的形态。例如，也能够应用除苯乙烯－丁二烯橡胶(SBR)以外的橡胶系粘结剂、除羧甲基纤维素(CMC)以外的水溶性高分子。根据需要，负极粘结剂也能够单独使用1种或并用3种以上。
正极活性物质并不限定于包含LiNiCoAlO2的形态，例如，能够适当应用LiMn2O4、LiNiO2、LiCoO2、LiNiMnCoO2、LiFePO4等。
正极粘结剂并不限定于由聚偏二氟乙烯(PVdF)构成的形态。
导电助剂并不限定于由乙炔黑构成的形态。例如，能够应用除乙炔黑以外的碳粉末、气相沉积碳纤维(VGCF；注册商标)等碳纤维、膨胀石墨等。
构成分隔件的微多孔质片并不限定于由聚丙烯形成的形态。例如，微多孔质片也能够由聚乙烯等除聚丙烯以外的聚烯烃、层叠多层聚烯烃而成的层叠体、聚酰亚胺、芳族聚酰胺、聚偏二氟乙烯－六氟丙烯(PVdF－HFP)、玻璃纤维等形成。另外，分隔件也能够由无纺布片构成。无纺布片例如由绵、人造丝、醋酸纤维、尼龙(注册商标)、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃、聚酰亚胺、芳族聚酰胺等形成。
由分隔件保持的液体电解质具有溶剂和作为溶解于溶剂的支持盐的锂盐。锂盐例如是Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3。溶剂例如是碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)。
分隔件保持的电解质并不限定于液体电解质。例如，分隔件也能够保持凝胶聚合物电解质。凝胶聚合物电解质由注入有液体电解质的基质聚合物(主体聚合物)构成。基质聚合物是离子传导性聚合物。离子传导性聚合物例如是聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)以及它们的共聚物。
接下来，说明负极和正极的构造。
图4是用于说明图3所示的负极的俯视图，图5是用于说明图3所示的正极的俯视图。
如图4所示，负极30的集电体32具有活性物质区域40、非活性物质区域46以及狭缝36。活性物质区域40是配置有负极活性物质层34的区域，具有相对部42和非相对部44。
相对部42是隔着分隔件50与正极活性物质层64相对的区域。非相对部44是与相对部42相邻且不与正极活性物质层64相对的区域(参照图3)。
非活性物质区域46具有过渡部47和接合部位48，且自大致矩形的活性物质区域40的一边41突出。接合部位48是接合(固定)于用于朝向外部引出电流的负极引板12的部位(参照图2)。过渡部47位于接合部位48与活性物质区域40之间。也就是说，接合部位48隔着过渡部47与活性物质区域40相对。此外，附图标记C示出一边41的中央部。
如图5所示，正极60的集电体62具有活性物质区域70和非活性物质区域76。活性物质区域70是配置有正极活性物质层64的区域，且是隔着分隔件50与负极活性物质层34相对的相对部72(参照图3)。
非活性物质区域76具有过渡部77和接合部位78，且自大致矩形的活性物质区域70的一边71突出。接合部位78是接合(固定)于用于朝向外部引出电流的正极引板14的部位。过渡部77位于接合部位78与活性物质区域70之间。也就是说，接合部位78隔着过渡部77与活性物质区域70相对。
非活性物质区域76以在层叠方向S上不与负极30的集电体32的非活性物质区域46重叠的方式定位。对于接合部位48与负极引板12之间的接合以及接合部位78与正极引板14之间的接合，例如能够应用超声波焊接、电阻焊。
接下来，详细叙述狭缝36。
图6是用于说明图4所示的狭缝的放大图。
如图6所示，负极集电体32具有多个狭缝36。狭缝36沿与活性物质区域40的一边41交叉的方向(交叉方向)I并排配置，自非活性物质区域46延长到相对部42与非相对部44之间的分界。
例如，在将15张正极60(具有尺寸为200mm×190mm的活性物质区域70)和16张负极30(具有尺寸为205mm×195mm的活性物质区域40)隔着分隔件(尺寸为219mm×191mm，厚度为25μm，孔隙率为55％)层叠而形成的发电元件(二次电池)的情况下，配置有5个狭缝。狭缝在非活性物质区域46中的长度是8.5mm，在活性物质区域40中的长度是1.5mm，因而，狭缝的全长是10mm。狭缝宽度是0.5mm。狭缝间隔是10mm。
由于狭缝36自非活性物质区域46延长到活性物质区域40，因此能够可靠地缓和二次电池10的充放电时因非活性物质区域46中的伸缩尺寸与活性物质区域40中的伸缩尺寸的差而在负极30产生的应力。因此，即使负极活性物质层34所包含的硅的体积变化较大，也能够抑制产生以非活性物质区域46与活性物质区域40之间的分界为起点的褶皱。从抑制对负极集电体32的电传导性和强度造成的影响(干涉)的观点考虑，优选的是，狭缝宽度尽量狭窄。狭缝36的形成方法并未特别限定，例如，能够应用冲压加工、机械加工。
狭缝36与固定有负极引板12的接合部位48分开，且自非活性物质区域46中的过渡部47的中途延长。因而，能够抑制狭缝对负极引板12与接合部位48之间的电传导性和接合强度造成的影响(干涉)。另外，由于狭缝36自位于接合部位48与活性物质区域40之间的过渡部47延长，因此能够高效地缓和因接合部位48固定于负极引板12而引起的应力。
接下来，依次说明变形例1～变形例7。
图7是用于说明本发明的实施方式的变形例1的俯视图。
负极30并不限定于具有自非活性物质区域46延长到相对部42与非相对部44之间的分界的狭缝36的形态。例如，如图7的变形例1所示，负极30也能够具有以延长到非相对部44的同相对部42与非相对部44之间的分界分开的预定位置的方式构成的狭缝36A。
图8是用于说明本发明的实施方式的变形例2的俯视图。
狭缝尺寸并不限定于同一形态。例如，如图8的变形例2所示的狭缝36B那样，也能够是，越接近活性物质区域40的一边41的中央部C，使狭缝长度L越大。
图9是用于说明本发明的实施方式的变形例3的俯视图。
并不限定于狭缝间隔相同的形态。例如，如图9的变形例3所示的狭缝36C那样，也能够是，越接近活性物质区域40的一边41的中央部C，使狭缝间隔D越小。
图10和图11是用于说明本发明的实施方式的变形例4的立体图和俯视图。
二次电池10并不限定于具有自外壳体16的一边朝向外部延长的负极引板12和正极引板14的形态。例如，如图10的变形例4所示，也能够是，二次电池10构成为具有自外壳体16的一边朝向外部延长的负极引板12A和自位于与该一边的相反侧的一边朝向外部延长的正极引板14A。
在该情况下，如图11所示，负极30A具有自非活性物质区域46A延长到相对部42A与非相对部44A之间的分界的狭缝36D。此外，附图标记32A、47A、48A以及60A表示负极集电体、过渡部、接合部以及正极。
图12～图14是用于说明本发明的实施方式的变形例5～变形例7的俯视图。
对于负极30A，与变形例1～变形例3同样地，能够改变狭缝。
例如，如图7的变形例5所示，也能够是，负极30A具有构成为延长到非相对部44A的同相对部42A与非相对部44A之间的分界分开的预定位置的狭缝36E。另外，如图13的变形例6所示的狭缝36F那样，也能够是，越接近活性物质区域40A的一边41的中央部C，使狭缝长度L越大。并且，如图14的变形例7所示的狭缝36G那样，也能够是，越接近活性物质区域40A的一边41的中央部C，使狭缝间隔D越小。
如以上那样，在本实施方式中，自非活性物质区域延长到活性物质区域的狭缝缓和二次电池的充放电时在负极产生的应力。因此，即使硅的体积变化较大，也能够抑制产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱。因而，能够提供一种可抑制在负极产生以非活性物质区域与活性物质区域之间的分界为起点的褶皱的二次电池。
优选的是，狭缝延长到隔着电解质层与正极集电体的活性物质区域相对的相对部与不与所述活性物质区域相对的非相对部之间的分界。在该情况下，能够更可靠地缓和二次电池的充放电时在负极产生的应力。
优选的是，狭缝与接合有用于朝向外部引出电流的引板的接合部位分开。在该情况下，能够抑制狭缝对引板与接合部位之间的电传导性和接合强度造成的影响(干涉)。
优选的是，狭缝自位于接合部位与活性物质区域之间的过渡部延长。在该情况下，能够高效地缓和因接合部位固定于引板而引起的应力。
在设置多个狭缝的情况下，能够更可靠地缓和二次电池的充放电时在负极产生的应力。
越接近活性物质区域的一边的中央部，应力越大，因此，通过越接近活性物质区域的一边的中央部使狭缝长度越大、使狭缝间隔越小(使狭缝的配置密度增加)，能够更可靠地缓和应力。
优选的是，负极活性物质层的面积大于正极活性物质层的面积。在该情况下，在正极活性物质层相对于负极活性物质层在与层叠方向交叉的横向上产生位置偏移时，能够抑制位置偏移对相对面积造成的影响，能够防止发电容量的变动。
本发明并不限定于上述实施方式，而能够在权利要求书中进行各种改变。例如，二次电池也能够以串联化和/或并联化的电池组的形态加以利用。另外，也能够适当组合变形例1～变形例3、适当组合变形例4～变形例7。
附图标记说明
10、二次电池；12、12A、负极引板；14、14A、正极引板；16、外壳体；20、电池主体部；22、发电元件；30、30A、负极；32、32A、集电体(负极集电体)；34、负极活性物质层；36、36A～36F、狭缝；40、40A、活性物质区域；41、一边；42、42A、相对部；44、44A、非相对部；46、46A、非活性物质区域；47、47A、过渡部；48、48A、接合部；50、分隔件(电解质层)；60、60A、正极；62、集电体(正极集电体)；64、正极活性物质层；70、活性物质区域；71、一边；72、相对部；76、非活性物质区域；77、过渡部；78、接合部；80、集电体；C、中央部；D、狭缝间隔；I、交叉方向；L、狭缝长度；S、层叠方向。

Claims (8)

1.一种二次电池，其中，
该二次电池具有发电元件，该发电元件具有：
正极，其具有配置有正极活性物质层的正极集电体；
电解质层，其保持电解质；以及
负极，其具有配置有负极活性物质层的负极集电体，该负极活性物质层具有含有硅的负极活性物质，
所述正极活性物质层和所述负极活性物质层隔着所述电解质层相对，
所述负极集电体具有：
活性物质区域，其配置有所述负极活性物质层；
非活性物质区域，其未配置有所述负极活性物质层；以及
狭缝，其自所述非活性物质区域延长到所述活性物质区域。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述正极集电体具有配置有所述正极活性物质层的活性物质区域，
所述负极集电体的所述活性物质区域具有：
相对部，其隔着所述电解质层与所述正极集电体的所述活性物质区域相对；以及
非相对部，其不与所述正极集电体的所述活性物质区域相对，
所述狭缝延长到所述相对部与所述非相对部之间的分界。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池，其中，
所述负极集电体的所述非活性物质区域具有接合部位，该接合部位接合有用于朝向外部引出电流的引板，所述狭缝与所述接合部位分开。
4.根据权利要求3所述的二次电池，其中，
所述负极集电体的所述非活性物质区域具有位于所述接合部位与所述负极集电体的所述活性物质区域之间的过渡部，
所述狭缝自所述过渡部延长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的二次电池，其中，
所述负极集电体具有多个所述狭缝，
所述负极集电体的所述活性物质区域是大致矩形，
所述狭缝沿与所述负极集电体的所述活性物质区域的一边交叉的方向并排配置。
6.根据权利要求5所述的二次电池，其中，
越接近所述一边的中央部，所述狭缝的长度越大。
7.根据权利要求5或6所述的二次电池，其中，
越接近所述一边的中央部，所述狭缝的间隔越小。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的二次电池，其中，
所述负极活性物质层的面积大于所述正极活性物质层的面积。
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