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Abstract

本发明提供一种多孔电极，该多孔电极包括一集电体及一电极活性材料，其特征在于该集电体包括一基底及形成于该基底内的多个孔隙，该多个孔隙一端开口，另一端封闭，该电极活性材料填充于该多个孔隙内。集电体内形成多个孔隙，使电极表面积增大，从而提高电池电容量及集电体集电性能；电极活性材料在多个孔隙内有序排列，有利于锂离子迁移；另外，该多个孔隙尺寸小，电极活性材料填充后不易与集电体脱离。本发明还提供一种具有该多孔电极的锂二次电池。

Description

多孔电极及具有该电极的锂二次电池
【技术领域】
本发明关于锂二次电池，特别是关于具有多孔电极的锂二次电池。
【背景技术】
电池是将化学能转化为电能的装置，电池产品从早期的铅酸电池、镍镉电池与镍氢电池发展到现在的锂电池。其中，镍镉电池因为环境污染问题渐渐被锂电池取代。目前锂电池有一次锂电池与可充锂电池之分，可充锂电池即锂二次电池，与传统电池最大区别在于使用有机溶液而不是水溶液做为电解液。
锂二次电池应用范围相当广泛，主要包括消费性电子产品(ConsumerElectronic Products)、电脑(Computer)及通讯产品(Communication Products)，一般简称为3C产品。为满足各种产品的需要，锂二次电池的发展方向包括：(1)延长电池使用寿命；(2)增加电池容量密度；(3)体积要求微型化；(4)去除容量记忆效应。
一般而言，锂二次电池通常包括正极、负极及位于该两电极之间的微孔性聚合物隔离膜。其中，正极或负极一般由电极活性材料覆盖于一导电基材而构成。目前，大多使用碳素材料作为负极活性材料，如天然石墨，类石墨，焦碳，碳黑，以及近来发展起来的碳纳米管材料，另外，也有使用锂金属作为负极活性材料，以利用其高能量密度的优点。正极则大多以过渡金属氧化物或锂过渡金属氧化物作为活性材料，如氧化钴、氧化镍、氧化锰或氧化锂钴、氧化锂镍、氧化锂锰。
要提高电池容量，方法之一是增大基材的尺寸，使其可涂覆更多电极活性材料，提高电极面积，但是，此方法直接导致电池总体积及重量增加，不符合电池小型化、轻薄化的发展趋势；另一方法是发展高能量密度的新型材料，替代现有电极活性材料。
如图5所示，2003年6月24日公告的美国专利第6,582,855号揭露一种碱性二次电池的电极结构及其制备方法，其包括一集电体基底201，形成于集电体基底201表面凸起的毛口203，该毛口203形成有通孔202。电极活性材料涂覆于该集电体基底表面。
但是，上述电极结构仅适用于颗粒状电极材料；且集电体基底201的厚度受限于80微米或更小，导致其强度可能不足，在制备或使用过程中容易受到破坏；相邻凸起的毛口203之间的间距也受限制，容易导致集电体的集电能力减弱，或者导致电极材料与集电体基底的结合强度不够，使得制备过程中电极材料容易脱落。
因此，提供一种具有大电容量，结合强度高且集电性能良好的锂二次电池电极结构实为必要。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有大电容量，结合强度高且集电性能良好的电极结构。
本发明的另一目的是提供一种具有上述电极结构的锂二次电池。
本发明提供一种多孔电极，其包括一集电体及一电极活性材料，其中，该集电体包括一基底及形成于该基底内的多个孔隙，该多个孔隙一端开口，另一端封闭；该电极活性材料填充于该多个孔隙内。该多个孔隙的直径为100纳米至10微米，电极活性材料有序排列在多个孔隙内。
本发明还提供一种具有该多孔电极的锂二次电池。
与现有技术相比，本发明充分利用多孔隙表面积大的优点，提高电容量及集电性能；且电极活性材料可有序排列在孔隙内，利于锂离子迁移；另外，孔隙尺寸小，电极活性材料填充后不易与集电体脱离。
【附图说明】
图1是本发明多孔电极结构填充碳纳米管的示意图。
图2是本发明多孔电极结构填充金属氧化物的示意图。
图3是本发明含有多孔电极结构的锂二次电池第一实施例示意图。
图4是本发明含有多孔电板结构的锂二次电池第二实施例示意图。
图5是现有技术电极结构的示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明多孔电极结构第一实施例包括：一金属基材10，可用作集电体，其具有一底端(未标示)，自该底端向外垂直延伸的多个孔壁12，及形成于孔壁12之间的多个孔隙14，该孔隙14具有预定的孔径大小，从基材10的封闭底端沿相同方向延伸，且另一端为开口，相邻孔隙14之间以孔壁12隔开；碳纳米管22作为负极活性材料填充在孔隙14内。
孔隙14的截面形状可以为圆形、椭圆形、三角形或多边形，其形状尺寸大小可根据填充物的大小及制备工艺而确定，形状尺寸过大，则会使相同体积的基材可得到的孔隙数量减少，使得电极表面积减少，同时对填充物的有序排列性及结合强度不利；尺寸过小，则不利于填充物顺利填充，且小尺寸孔隙不易制备，增加制备成本；所以，孔隙14的形状尺寸应为100纳米至10微米为宜，优选为100纳米至1微米。孔壁12的厚度在保持一定机械强度及工艺条件下越小越好，以便形成更多的孔隙14。孔隙14的深度与孔壁12的长度相同，该深度应配合电池的厚度，过深则使电池厚度增加，不利于小型化，且制造成本增加；过浅则填充物易从孔隙12内脱离，并使表面积减少。
金属基材10是由导电性良好，并具有一定机械强度及硬度的金属制成，优选为铜及铝两种金属，因为其导电性良好，机构强度及硬度符合要求，且成本较低。
孔隙14可通过机械加工或化学蚀刻等方法形成。化学蚀刻法包括湿法蚀刻及干法蚀刻，湿法蚀刻经济、简单，但孔隙大小及蚀刻深度不易控制；相对而言，干法蚀刻能精确控制蚀刻尺寸及深度。
碳纳米管22可通过下列方法填充固定于孔隙14内：将碳纳米管22分散溶于有机溶剂后，添加粘结剂形成溶胶，将溶胶填充于孔隙14内，最后干燥即可，碳纳米管22牢固结合于孔隙14内，而有机溶剂及粘结剂在干燥过程中挥发除去，剩有缝隙以便电解液渗入。
因多个孔隙14存在，从而增加电极表面积，提高电池电容量及集电体的集电性能；孔隙14的径向尺寸较小，可迫使碳纳米管14沿孔隙14的长度方向排列，有序排列的碳纳米管14可增强锂离子的快速迁入及迁出能力，有利于电池快速充放电，提高电池循环寿命；另外，孔隙14的尺寸限制，加强碳纳米管22与金属基材10的结合强度，碳纳米管22不易由孔隙14中脱离。
如图2所示，本发明的多孔电极结构第二实施例，金属基材10的多个孔隙14内填充作为正极活性材料的金属氧化物颗粒24，金属基材10的结构与第一实施例基本相同，包括孔壁12及位于孔壁间的孔隙14，不同之处在于孔隙14内填充金属氧化物颗粒24，该金属氧化物颗粒24为过渡金属氧化物，如氧化钴、氧化镍、氧化锰或氧化锂钴、氧化锂镍、氧化锂锰的粉体颗粒，其粒径小于孔隙14的直径，优选小于100纳米。
金属氧化物颗粒24的填充方法包括下列步骤：将金属氧化物辗磨、粉碎为颗粒，分散于有机溶剂及添加粘结剂后，填充于孔隙14内，干燥后即可。
金属氧化物颗粒24限制于孔隙14内，有机溶剂及粘结剂经干燥后挥发，留有孔隙有利于锂离子迁入及迁出；充分利用孔隙14的大表面积，可提高电容量及集电性能；另外，微孔结构增强金属氧化物颗粒24与基材的结合强度，使其不易脱离。
上述多孔电极结构可填充不同形状的电极活性材料，如管状、柱状、纤维、颗粒等，只需其直径小于孔隙14的孔径即可。
上述多孔电极结构填充不同性质的电极活性材料，构成相应的电极，配合以电解液、隔离膜及其它部件，即可组合为完整电池。
如图3所示，本发明含有多孔电极的锂二次电池包括正极2，负极6，及位于正极2与负极6之间的含电解液的隔离膜4。正极2与负极6的结构基本相同，分别以前述多孔电极结构填充相应的电极活性材料而成，所以，下面仅以正极2为例作详细说明。
该正极2包括一前述的多孔电极，其包括用作集电体的金属基材10及形成于金属基材内的多个孔隙(未标示)，相应的正极活性材料20填充于孔隙内，孔隙的开口端靠近该隔离膜4，正极活性材料20包括过渡金属氧化物颗粒，其可与锂发生电化学反应，实现充电及放电。
负极6与正极2不同之处在于填充有负极活性材料，如石墨、碳纳米管等。
如图4所示，本发明含有多孔电极的锂二次电池第二实施例，其与图3所示的实施例基本相同，不同之处在于，正极2的多个孔隙(未标示)的开口端与隔离膜之间形成有一活性材料层30，该活性材料层厚度薄且具有多孔性，其与填充在孔隙内的电极活性材料20可以相同，该活性材料层30与孔隙14内的电极活性材料20互相补充，延长电池使用寿命。
上述锂二次电池含有多孔电极结构，充分利用本发明多孔电极结构的优点，提高电容量及集电体的集电性能，并使电极活性材料与集电体牢固结合。

Claims (11)

1.一种多孔电极，其包括
一集电体；及
一电极活性材料；
其特征在于该集电体包括一基底及形成于该基底内的多个孔，该多个孔一端开口，另一端封闭；电极活性材料填充于该多个孔内。
2.如权利要求1所述的多孔电极，其特征在于该集电体为金属材料。
3.如权利要求1所述的多孔电极，其特征在于该多个孔的孔径为100纳米至10微米。
4.如权利要求1所述的多孔电极，其特征在于该电极活性材料包括正极活性材料和负极活性材料。
5.如权利要求4所述的多孔电极，其特征在于该电极活性材料包括碳纳米管。
6.如权利要求4所述的多孔电极，其特征在于该电极活性材料包括过渡金属氧化物颗粒，其粒径小于孔直径。
7.一种锂二次电池，其包括
一正极；
一负极；及
一形成于正极与负极之间的隔离膜；
其特征在于该正极与负极中至少一电极包括一集电体，该集电体内形成一端开口的多个孔，该多个孔的开口一端靠近该隔离膜，电极活性材料填充于该多个孔内。
8.如权利要求7所述的锂二次电池，其特征在于该集电体为金属材料。
9.如权利要求7所述的锂二次电池，其特征在于该多个孔的孔径为100纳米至10微米。
10.如权利要求7所述的锂二次电池，其特征在于该锂二次电池进一步包括一活性材料层形成于集电体与隔离膜之间。
11.如权利要求10所述的锂二次电池，其特征在于该活性材料层的材料与该电极活性材料相同。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107871851A (zh) * 2016-09-22 2018-04-03 财团法人工业技术研究院 电极及包含其的电池
CN110419137A (zh) * 2017-03-09 2019-11-05 三星Sdi株式会社 电极组件和包括其的锂电池
US11870079B2 (en) 2017-03-09 2024-01-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode assembly and lithium battery comprising same

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