DE102022100560A1

DE102022100560A1 - Negative electrode für eine sekundärbatterie und sekundärbatterie, die diese enthält

Info

Publication number: DE102022100560A1
Application number: DE102022100560.7A
Authority: DE
Inventors: Chan Young Jeon; So Hyun Park; Hae Suk Hwang; Hee Gyoung Kang
Original assignee: SK Innovation Co Ltd
Current assignee: SK On Co Ltd
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20220231272A1; KR20220104908A

Abstract

Es ist eine negative Elektrode für eine Sekundärbatterie bereitgestellt, die einen Stromkollektor und eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial umfasst, die auf dem Stromkollektor ausgebildet ist, wobei die negative Elektrode die Relation 1 erfüllt:3,0<τ*DP<7,2wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und DPeine Pelletdichte (g/cm3) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm2, und eine Sekundärbatterie, die dieselbe enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die folgende Offenbarung betrifft eine negative Elektrode für eine Sekundärbatterie und eine Sekundärbatterie, die dieselbe enthält.
HINTERGRUND
Da die Nachfrage nach elektronischen Geräten, wie z.B. mobilen Geräten, zunimmt, wurden in letzter Zeit die Gewichtsreduzierung und Miniaturisierung einer elektrochemischen Batterie (Sekundärbatterie) weiter entwickelt, um die Tragbarkeit elektronischer Geräte zu erhöhen. Zusammen mit dem Trend wird die Entwicklung einer Lithium-Sekundärbatterie mit hoher Kapazität und hoher Leistung gefordert.
Um die hohe Kapazität der Lithium-Sekundärbatterie zu erreichen, wird eine Mischungsdichte einer negativen Elektrode erhöht. Wenn die Mischungsdichte der negativen Elektrode erhöht wird, kann ein Gehalt eines Negativelektroden-Aktivmaterials in demselben Negativelektrodenvolumen erhöht werden, so dass eine Energiedichte erhöht wird. Wenn jedoch die Mischungsdichte erhöht wird, wird eine Porosität einer negativen Elektrode verringert, um eine Diffusionsrate eines Lithiumions zu verlangsamen, und eine Okklusions-/Freisetzungsreaktion des Lithiumions in der negativen Elektrode wird nicht gut durchgeführt und die Ausgangsleistung wird eher verringert. Dieses Problem tritt bei einem Lade- und Entladeprozess mit hoher Rate ernsthafter auf, und daher werden selbst in dem Fall, in dem ein Gehalt an aktivem Material in der negativen Elektrode erhöht wird, eine Entladekapazität und Zykluseigenschaften werden während des Ladens und Entladens mit hoher Rate signifikant verringert. Daher wird die Entwicklung einer negativen Elektrode benötigt, die eine Expression mit hoher Ausgangsleistung selbst bei einer hohen Mischungsdichte ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist darauf gerichtet, der Hochausgangseigenschaften einer hohen Mischungsdichte einer negativen Elektrode durch Anpassen der Verformung von Negativelektroden-Aktivmaterialpartikeln und einer Porenstruktur der negativen Elektrode beim Implementieren einer negativen Elektrode mit hoher Mischungsdichte zu verbessern.
In einem allgemeinen Aspekt umfasst eine negative Elektrode für eine Sekundärbatterie einen Stromkollektor; und eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial enthält, die auf dem Stromkollektor ausgebildet ist, wobei die negative Elektrode die folgende Relation 1 erfüllt: $3,0 < τ * D_{P} < 7,2$
wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und D_P eine Pelletdichte (g/cm³) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des aktiven Materials der negativen Elektrode bei 8 kN/cm².
Die negative Elektrode kann eine Tortuosität (τ) von 1 bis 4 aufweisen.
Das Negativelektroden-Aktivmaterial kann eine Pelletdichte (D_P) von 1,0 bis 2,0 g/cm³ aufweisen.
Das Negativelektroden-Aktivmaterial kann einen Pelletwiderstand (Rp) von 0,005 bis 0,01 Ohm aufweisen, und der Pelletwiderstand kann ein Widerstandswert sein, der durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm² gemessen wird.
Die negative Elektrode kann ferner die folgende Relation 2 erfüllen: $4,3 < τ * D_{P} < 6,4$
wobei τ eine Tortuosität einer negativen Elektrode ist und D_P eine Pelletdichte des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm².
Das Negativelektroden-Aktivmaterial kann ein kohlenstoffhaltiges Aktivmaterial sein.
Die negative Elektrode kann mindestens zwei der folgenden Relationen 3 bis 5 erfüllen: $0,2 < V_{P} < 0,5$
wobei V_P ein Porenvolumen (g/cm3) der negativen Elektrode ist, $8 < D < 20$
wobei D D50 (µm) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist,
$0,8 < D_{T} < 1,5$
wobei D_T eine Klopfdichte (g/cm3) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist.
Eine Porengröße in der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht kann 500 bis 800 nm betragen.
Die negative Elektrode kann eine Mischungsdichte von 1,65 g/cm³ bis 1,85 g/cm³ haben.
In einem anderen allgemeinen Aspekt umfasst eine Sekundärbatterie: die negative Elektrode; eine positive Elektrode; ein Trennzeichen; und eine Elektrolytlösung.
Andere Merkmale und Aspekte werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1A und 1B stellen schematische Diagramme von verformten Negativelektroden-Aktivmaterialpartikeln gemäß einem Walzprozess dar. Insbesondere ist 1A ein schematisches Querschnittsdiagramm einer negativen Elektrode mit einer hohen Pelletdichte und einer großen Aktivmaterialpartikeldeformation bei der Herstellung der negativen Elektrode, und 1B ist ein schematisches Querschnittsdiagramm einer negativen Elektrode mit einer niedrigen Pelletdichte und einer kleinen Aktivmaterialpartikeldeformation bei der Herstellung der negativen Elektrode.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung und Verfahren zu deren Erzielung werden anhand von beispielhaften Ausführungsformen erläutert, die unten im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehend offenbarten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern wird in verschiedenen Formen implementiert. Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung machen die Offenbarung der vorliegenden Erfindung gründlich und werden bereitgestellt, damit Fachleute den Umfang der vorliegenden Erfindung leicht verstehen können. Daher wird die vorliegende Erfindung durch den Umfang der beigefügten Ansprüche definiert. Eine detaillierte Beschreibung zum Ausführen der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bereitgestellt. Unabhängig von den Zeichnungen bezeichnet die gleiche Bezugszahl das gleiche konstituierende Element, und „und/oder“ umfasst jedes und alle Kombinationen von einem oder mehreren der erwähnten Elemente.
Sofern hierin nicht anders definiert, können alle in der Beschreibung verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die Bedeutung haben, die von Fachleuten allgemein verstanden wird. In der gesamten vorliegenden Beschreibung wird, sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben, „umfassend“ irgendwelche Elemente so verstanden, dass es die weitere Einbeziehung anderer Elemente impliziert, anstatt den Ausschluss irgendwelcher anderer Elemente. Außerdem schließt eine Singularform hierin eine Pluralform ein, sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben.
In der vorliegenden Beschreibung versteht es sich, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ oder „über“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es sich direkt auf dem anderen Element befinden kann oder es auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine negative Elektrode für eine Sekundärbatterie bereit, umfassend: einen Stromkollektor; und eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial enthält, die auf dem Stromkollektor ausgebildet ist, wobei die negative Elektrode die folgende Relation 1 erfüllt: $3,0 < τ * D_{P} < 7,2$
wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und DP eine Pelletdichte (g/cm³) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm².
Im Allgemeinen kann als ein Verfahren zum Erzielen einer hohen Kapazität einer Sekundärbatterie die Energiedichte durch eine hohe Mischungsdichte einer negativen Elektrode erhöht werden. Wenn jedoch die Mischungsdichte erhöht wird, werden Poren, die Diffusionskanäle (Übertragungskanäle) für Lithiumionen in der negativen Elektrode sind, verformt, so dass sich die Lithiumionen nicht gut bewegen und die Ausgangsleistung eher abnimmt. Außerdem wird eine Beladungsmenge eines Negativelektroden-Aktivmaterials oder eine Walzdichte einer negativen Elektrode verringert, um eine Porosität der negativen Elektrode zu erhöhen, sodass sich Ionen und/oder Elektronen gut bewegen, wodurch eine hohe Lade- und Entladeleistung erreicht wird, aber es ist schwierig, eine höhere Dichte der negativen Elektrode zu erreichen, was es schwierig macht, eine hohe Kapazität auszudrücken.
In der vorliegenden Erfindung werden sowohl die Verformung der Negativelektroden-Aktivmaterialpartikel als auch die Porenstruktur einer negativen Elektrode eingestellt, wodurch die Hochausgangseigenschaften der negativen Elektrode mit einer hohen Mischungsdichte verbessert werden. Insbesondere hat die negative Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Pelletdichte (D_P) eines Negativelektroden-Aktivmaterials und eine Tortuosität (τ) einer negativen Elektrode, die die folgende Relation 1 erfüllen, wodurch ermöglicht wird, eine hohe Mischungsdichte von 1,65 g/cm³ oder mehr zu implementieren und die Ladeleistung bei hoher Rate zu verbessern.
Im Allgemeinen wird die Tortuosität als ein Indikator verwendet, der Durchflusseigenschaften in einem porösen Material darstellen kann. Das heißt, wenn die Tortuosität gering ist, werden die Durchflusseigenschaften eines porösen Materials stärker erhöht, so dass ein Sender wie Ionen das poröse Material besser passieren kann. Wenn jedoch die Leistung der negativen Elektrode für eine Sekundärbatterie nur durch die oben als Indikator beschriebene Tortuosität bestimmt wird, ist ihre Genauigkeit sehr gering. Die Tortuosität ist ein Faktor, der durch die Form und Struktur der negativen Elektrode bestimmt wird, und im Allgemeinen neigt die Tortuosität dazu, sich zu erhöhen, wenn der Faktor des Mediators wie Dicke und Dichte erhöht wird. Daher kann es irreführend sein, die Leistung durch Tortuosität zu schätzen, ohne die Struktur einer negativen Elektrode zu interpretieren. Als ein nicht einschränkendes Beispiel wird, wenn eine negative Elektrode mit geringer Dicke und Dichte hergestellt wird, um die Tortuosität zu verringern, wird die Energiedichte einer Elektrode übermäßig verringert. Das heißt, wenn die Leistung einer negativen Elektrode nur durch die Tortuosität bestimmt wird, können die obigen Probleme übersehen werden, und somit ist eine umfassende Analyse der Tortuosität und einer Struktur der negativen Elektrode erforderlich, um die Performance einer Batterie genau zu bewerten.
Unterdessen können Sackgassenporen, die aufgrund übermäßiger Verformung von Negativelektroden-Aktivmaterialpartikeln während eines Walzprozesses gebildet werden, in der negativen Elektrode vorhanden sein. Da eine große Menge an Sackgassen in der negativen Elektrode den Diffusionsweg von Lithiumionen selbst blockieren, kann die Bildung der Sackgassen im Walzprozess so weit wie möglich verringert werden.
Der Wert von τ * D_P der negativen Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung kann 3,0 bis 7,2, vorzugsweise 3,5 bis 7,1 und stärker bevorzugt 4,3 bis 6,4 genügen. Hier ist D_P eine Pelletdichte (g/cm³) des Negativelektroden-Aktivmaterials, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm². Innerhalb des Bereichs können eine hohe Mischungsdichte von 1,65 g/cm³ oder mehr, vorzugsweise 1,65 g/cm³ bis 1,85 g/cm³, nur durch das Negativelektroden-Aktivmaterial mit einer niedrigen Pelletdichte und ein Lithium-Ionen-Diffusionsweg-Verlängerungs- oder Blockierungsproblem aufgrund der Verformung der Partikel des Negativelektroden-Aktivmaterials in dem Walzprozess verringert werden.
Insbesondere kann die Tortuosität (τ) der negativen Elektrode durch die folgende Gleichung berechnet werden: $τ = (R_{ion} \times A \times κ \times ε) / d$
wobei R_Ion ein lonendiffusionswiderstand (Ohm) durch Impedanzanalyse ist, A eine Fläche einer negativen Elektrode (cm²) ist, κ eine Ionenleitfähigkeit (mS/cm) einer Elektrolytlösung ist, ε eine Porosität einer negativen Elektrode ist, und d eine Dicke (µm) einer negativen Elektrode ist.
Die Tortuosität (τ) der negativen Elektrode kann 1 bis 4, vorzugsweise 3 bis 4 betragen. Da der Tortuositätswert der negativen Elektrode niedrig ist, wird eine Diffusionsrate von Lithiumionen erhöht, was für eine Leistungsverbesserung mit hoher Rate vorteilhaft ist. Die Elektrode (negative Elektrode) hat jedoch eine Struktur, in der voneinander unterschiedliche Partikel gepackt sind, und es ist schwierig, die Tortuosität einer Elektrode unter einer spezifischen Elektrodendichte oder Elektrodenaufschlämmungs-Beladungsmenge extrem zu verringern. Als nicht einschränkendes Beispiel ist es, wenn die Beladungsmenge einer negativen Elektrodenaufschlämmung auf einem Stromkollektor 10 mg/cm² oder mehr beträgt, praktisch sehr schwierig, die Tortuosität der negativen Elektrode auf 3 oder weniger zu verringern.
Die Pelletdichte (D_p) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist eine Pelletdichte, die durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm² gemessen wird. Insbesondere kann die Pelletdichte (D_P) eines Negativelektroden-Aktivmaterials erhalten werden, indem 2g (W) des Negativelektroden-Aktivmaterials in eine runde Pelletierform mit einem Durchmesser von 20 mm (D) eingeführt werden, wobei die Form bei 25 kN für 10 Sekunden gedrückt wird, Ablassen des Drucks, Messen einer Höhe (H2) des Granulators und Berechnen der Pelletdichte durch die folgende Gleichung: $D_{P} = W / [π \times {(D / 2)}^{2} \times (H 2 - H 1) / 1000]$
wobei W eine Menge eines eingebrachten Negativelektroden-Aktivmaterials ist, D ein Durchmesser (mm) einer Pelletierform ist, und H1 und H2 eine Höhe (mm) des Pelletisierers vor und nach dem Pressen sind.
Die Pelletdichte (DP) des Negativelektroden-Aktivmaterials kann 1,0 bis 2,0 g/cm³, vorzugsweise 1,50 bis 1,85 g/cm³, und der Pelletwiderstand (R_P) kann unter den Pressbedingungen 8 kN/cm2, was die gleichen wie die oben beschriebenen Pelletdichtemessbedingungen sind, 0,005 bis 0,01 Ohm, vorzugsweise 0,005 bis 0,008 Ohm und stärker bevorzugt 0,0055 bis 0,0065 Ohm betragen.
Wie in 1A gezeigt, werden, wenn die Pelletdichte (D_P) übermäßig hoch oder der Pelletwiderstand (R_P) übermäßig niedrig ist, die Negativelektroden-Aktivmaterialpartikel während des Hochwalzprozesses eines Negativelektroden-Herstellungsprozesses stark verformt, so dass der Diffusionsweg von Lithiumionen verlängert wird, um dadurch den Diffusionswiderstand zu erhöhen, oder Poren, die ein Diffusionsweg von Lithiumionen sind, geschlossen werden, um die Bildung von Sackgassenporen zu verursachen, wodurch die Lade- und Entladeleistung bei hoher Rate verringert wird.
Jedoch werden innerhalb des Bereichs der Pelletdichte (D_P) und des Pelletwiderstands (R_P) des Negativelektroden-Aktivmaterials, wie in 1B gezeigt, die Negativelektroden-Aktivmaterialpartikel nicht stark verformt, wodurch das Problem unterdrückt wird, dass der Diffusionsweg von Lithiumionen übermäßig verlängert wird, um den Diffusionswiderstand zu erhöhen. Zusätzlich wird die Kontaktierbarkeit zwischen den Negativelektroden-Aktivmaterialpartikeln verbessert, um einen leitenden Pfad während des Ladens und Entladens mit niedrigerem Widerstand bereitzustellen.
Die negative Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die folgende Relation 2 erfüllen: $4,3 < τ * D_{P} < 6,4$
wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und D_P eine Pelletdichte (g/cm³) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm². Innerhalb des Bereichs kann eine Ladeeffizienz von 90 % oder mehr sogar unter Ladebedingungen einer 2 C-Rate gezeigt werden.
Die negative Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens zwei der folgenden Relationen 3 bis 5 erfüllen: $0.2 < V_{P} < 0.5$
wobei V_P ein Porenvolumen (g/cm3) der negativen Elektrode ist, $8 < D < 20$
wobei D D50 (µm) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, $0,8 < D_{T} < 1,5$
wobei D_T eine Klopfdichte (g/cm3) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist.
Insbesondere kann das Porenvolumen der negativen Elektrode 0,2 bis 0,5 g/cm³, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 g/cm³ betragen und kann unter Verwendung eines Quecksilberinjektionsverfahrens gemessen werden. Hier kann eine Größe der Poren durch ein BET-Verfahren in der negativen Elektrode 500 bis 800 nm, vorzugsweise 500 bis 700 nm betragen.
Die Partikelgröße D des Negativelektroden-Aktivmaterials kann sich auf einen Partikeldurchmesser (D50) mit einem kumulativen Volumen von 50% beziehen, wenn es vom kleinsten Partikel bei der Messung einer Partikelgrößenverteilung durch ein Laserstreuverfahren kumuliert wird. Insbesondere wurde D50 durch Sammeln einer Probe gemäß einem KS A ISO 13320-1-Standard und Messen einer Partikelgrößenverteilung unter Verwendung eines Mastersizers 3000 von Malvern Panalytical Ltd. gemessen.
Die Klopfdichte des Negativelektroden-Aktivmaterials kann 0,8 bis 1,5 g/cm³, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 g/cm³ betragen. Die Klopfdichte kann unter Verwendung eines Klopfdichtemessgeräts (Autotap, erhältlich von Quantachrome) gemessen werden. Insbesondere wird ein 25-ml-Messzylinder mit 10 g eines Negativelektroden-Aktivmaterials gefüllt und 3.000 Mal mit einer Hublänge von 10 mm geklopft, um die Klopfdichte aus dem Volumen und dem Gewicht des Negativelektroden-Aktivmaterials zu messen.
Wenn das Negativelektroden-Aktivmaterial mit einer Pelletdichte (D_P) von 2,0 g/cm³ oder weniger verwendet wird, werden die Partikel im Allgemeinen nicht leicht im Walzprozess des Herstellungsprozesses der negativen Elektrode verformt und da eine Rückstellkraft auf ein Anfangsvolumen nach dem Walzen groß ist, ist es auch schwierig, eine hohe Mischungsdichte von 1,7 g/cm³ oder mehr zu implementieren. Auch im Fall der Implementierung der hohen Mischungsdichte tritt ein Problem auf, wie beispielsweise eine übermäßige Deformation von Partikeln, die eine Leistungsverschlechterung verursacht.
Da die negative Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens zwei der Relationen 3 bis 5 erfüllt, kann ein Negativelektroden-Aktivmaterial mit einer Pelletdichte (D_P) von 2,0 g/cm³ oder weniger angewendet werden, um die Partikelverformung im Walzprozess zu minimieren, um das Schließen oder Expandieren von Poren in den Partikeln zu unterdrücken, während die Walzfestigkeit zum Herstellen der negativen Elektrode mit einer hohen Mischungsdichte verringert werden kann. Dementsprechend kann eine hohe Mischungsdichte von 1,65 g/cm³ oder mehr, vorzugsweise 1,65 g/cm³ bis 1,85 g/cm³, mit einem Negativelektroden-Aktivmaterial implementiert werden, welches eine niedrige Pelletdichte und einer hohe Kapazität und eine hohe Lade- und Entladeleistung aufweist, verbessert werden.
Das Negativelektroden-Aktivmaterial kann ein kohlenstoffhaltiges aktives Material sein und kann insbesondere eines oder mehrere enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus natürlichem Graphit, künstlichem Graphit, graphitierter Kohlefaser, graphitisierten Mezokohlenstoff-Mikroperlen und amorphem Kohlenstoff besteht.
Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht umfasst ferner ein Bindemittel, und das Bindemittel kann ein wässriges Bindemittel sein. Insbesondere kann das Bindemittel Styrol-Butadien-Kautschuk, acrylierter Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyvinylalkohol, Natriumpolyacrylat, ein Copolymer von Propylen und einem Olefin mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, Polyacrylamid, ein Copolymer von (Meth)acrylsäure und (Meth)acrylsäurealkylester sein, oder eine Kombination davon.
Wenn das wässrige Bindemittel verwendet wird, kann das Elektrodenaktivmaterial gut mit dem wässrigen Bindemittel an den Stromkollektor gebunden werden, ohne die Viskosität einer Aufschlämmung zu beeinflussen, aber da die Aufschlämmung aufgrund des Elektrodenaktivmaterials und des leitfähigen Materials, die feine Partikel sind, leicht geliert, kann ein Verdickungsmittel, um der Aufschlämmung Viskosität zu verleihen, um eine stabilere Aufschlämmung herzustellen, weiter eingeschlossen werden. Beispielsweise kann das Verdickungsmittel eine Mischung aus einer oder mehreren Verbindungen auf Zellulosebasis sein, insbesondere Carboxymethylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Methylzellulose oder Alkalimetallsalze davon. Als Alkalimetall können Na, K oder Li verwendet werden.
Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht kann ferner ein leitfähiges Material enthalten. Das leitfähige Material wird verwendet, um der negativen Elektrode Leitfähigkeit zu verleihen, und ist nicht besonders eingeschränkt, solange es ein herkömmliches elektronenleitfähiges Material ist, das keine chemische Veränderung verursacht. Beispielsweise kann das leitfähige Material natürlicher Graphit, künstlicher Graphit, Ruß, Acetylenruß, Ketjen-Ruß, Kohlefaser, Kohlenstoffnanoröhren und eine Kombination davon sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Stromkollektor kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus einer Kupferfolie, einer Nickelfolie, einer Edelstahlfolie, einer Titanfolie, einem Nickelschaum, einem Kupferschaum, einem mit einem leitfähigen Metall beschichteten Polymersubstrat und Kombinationen davon sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Sekundärbatterie bereit, die die negative Elektrode gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine negative Elektrode; einen Separator, der zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist; und eine Elektrolytlösung, enthält.
Die Sekundärbatterie mit der negativen Elektrode gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann nicht nur verbesserte Schnellladeeigenschaften, sondern auch verbesserte Langzeitstabilität aufweisen, was somit bevorzugt ist.
Die positive Elektrode kann einen Stromkollektor und eine auf dem Stromkollektor positionierte Positivelektroden-Aktivmaterialschicht umfassen. Als Stromkollektor kann Aluminium, Kupfer oder dergleichen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
Jedes Material kann als aktives Material der positiven Elektrode verwendet werden, solange es ein üblicherweise verwendetes aktives Material der positiven Elektrode ist. Beispielsweise kann es ein Verbundoxid eines Metalls sein, das aus Kobalt, Mangan, Nickel und einer Kombination davon und Lithium ausgewählt ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Separator ist nicht besonders beschränkt, solange es ein im Stand der Technik bekannter Separator ist. Beispielsweise kann der Separator aus Glasfaser, Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder einer Kombination davon ausgewählt werden, kann in Form eines Vlieses oder Gewebes vorliegen und kann wahlweise in Form einer Einzelschicht oder einer Mehrschichtstruktur verwendet werden.
Die Elektrolytlösung enthält ein nichtwässriges organisches Lösungsmittel und ein Elektrolytsalz. Das nichtwässrige organische Lösungsmittel kann Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), 1,2-Dimethoxyethen (DME), γ-Butyrolacton (BL), Tetrahydrofuran (THF), 1,3-Dioxolan (DOL), Diethylether (DEE), Methylformiat (MF), Methylpropionat (MP), Sulfolan (S), Dimethylsulfoxid (DMSO), Acetonitril (AN) oder eine Mischung davon sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Elektrolytsalz ist ein Material, das in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel gelöst ist und als Quelle für elektrolytische Metallionen in der Batterie dient, um einen Grundbetrieb der Sekundärbatterie zu ermöglichen, und ist ein Material, welches die Bewegung elektrolytischer Metallionen zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode fördert. Als ein nicht einschränkendes Beispiel, wenn das elektrolytische Metall Lithium ist, kann das elektrolytische Salz LiPF₆, LiBF₄, LiTFSI, LiSbF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiSbF₆, LiAlO₄, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂) (wobei x und y eine natürliche Zahl sind), LiCI, Lil oder eine Mischung davon sein, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Außerdem kann als Elektrolytsalz ein bekanntes Material in einer zweckgebundenen Konzentration verwendet werden, und falls erforderlich, kann ein bekanntes Lösungsmittel oder ein Additiv ferner zur Verbesserung der Lade-/Entladeeigenschaften, der Flammhemmung und dergleichen enthalten sein.
Nachfolgend werden die bevorzugten Beispiele und Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die folgenden Beispiele sind jedoch nur eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
Beispiele
(Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 und 2)
1. Herstellung von Negativelektroden-Aktivmaterial
Eine Klopfdichte, eine Pelletdichte und eine Partikelgröße wurden gemessen, und künstlicher Graphit, der eine Klopfdichte ≤ 1,2 g/cm³, eine Pelletdichte ≤ 2,0 g/cm³ und eine Partikelgröße < 20 µm erfüllte, wurde ausgewählt, um ein Negativelektroden-Aktivmaterial herzustellen. Jedes Negativelektroden-Aktivmaterial, das in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 verwendet wird, hat Eigenschaften, die in den folgenden Tabellen 1 bis 3 aufgeführt sind.
2. Herstellung einer negativen Elektrode
Wasser wurde zu 93,4 Gew.-% des Negativelektroden-Aktivmaterials, 3,0 Gew.-% eines leitfähigen Rußmaterials, 2,4 Gew.-% eines SBR-Bindemittels und 1,2 % CMC gegeben und bei Raumtemperatur für 120 Minuten gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die hergestellte Aufschlämmung wurde auf einen Stromkollektor aus Cu-Folie mit einer Beladungsmenge von 13 mg/cm² aufgebracht, getrocknet und gewalzt, so dass die Mischungsdichte einer negativen Elektrode 1,7 g/cm³ betrug, wodurch eine negative Elektrode hergestellt wurde. Die in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten negativen Elektroden weisen die in den folgenden Tabellen 1 bis 3 aufgeführten Eigenschaften auf.
3. Herstellung einer Halbbatterie
Die oben hergestellte negative Elektrode, eine positive Elektrode aus Lithiummetall und ein zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordneter PE-Separator wurden verwendet, und eine Elektrolytlösung wurde eingespritzt, um eine CR2016-Knopfzelle herzustellen. Die zusammengebaute Knopfzelle wurde 24 Stunden lang bei Raumtemperatur angehalten, um eine halbe Batterie herzustellen. Hier wurde die Elektrolytlösung durch Mischen von 1,0 M LiPF₆ als Lithiumsalz mit einem organischen Lösungsmittel (EC:EMC = 1:4 Vol.-%) und Mischen von 1 Vol.-% FEC als Elektrolytadditiv erhalten.
4. [Bewertung der physikalischen Eigenschaften!
1) Messung der Klopfdichte (D_T) des Aktivmaterials der negativen Elektrode
Ein 25 ml Messzylinder wurde mit 10 g einer Probe gefüllt und 3000 Mal mit einer Hublänge von 10 mm geklopft und die Klopfdichte aus dem Volumen und dem Gewicht der Probe gemessen. Nach dreimaligem Messen wurde ein Durchschnittswert berechnet und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Hier wurde bestätigt, dass die Ergebnisse innerhalb von ±1 % eines Fehlerbereichs jeder Messung lagen.
2) Messung der Pelletdichte (Dp) des Negativelektroden-Aktivmaterials
Die Pelletdichte ist eine Volumenänderung, die gemessen wird, wenn eine Probe in einen Behälter gegeben und bei konstantem Druck gepresst wird; 2 g einer Probe wurden bei 8 kN gepresst, eine Volumenänderung zu diesem Zeitpunkt wurde gemessen, die Pelletdichte derselben wurde berechnet und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Das Messverfahren und die Berechnungsformel der Pelletdichte sind wie folgt.
[Messverfahren der Pelletdichte]

a) Eine Höhe eines leeren Granulators wurde gemessen. (Höhenmaß, H₁, mm)
b) Etwa 2 ± 0,1 g (W, g) einer Probe wurden in einen Probeneinlass des Pelletierers gegeben, und es wurde darauf geachtet, dass die Probe nicht aus dem Pelletierer herausfließt oder ausläuft.
c) Der Pelletisierer wurde in der Mitte eines Pressers vom manuellen Typ angeordnet.
d) Ein Hebel des manuellen Drucktyps wurde gezogen, um Druck auszuüben, während das Manometer bis 8 kN bestätigt wurde.
e) Der Druck wurde nach 10 Sekunden Pressen abgelassen. Danach wurde der Pelletisierer vorsichtig herausgenommen und dann die Höhe gemessen (H₂, mm).

[Berechnungsformel der Pelletdichte]
$Pelletdichte = W / [π \times {(20 / 2)}^{2} \times (H_{2} - H_{1}) / 1000],$
Durchmesser des Lochs des Pelletisierers: 20 mm
3) Messung des Pelletwiderstands (R_p) des Aktivmaterials der negativen Elektrode
Der Pelletwiderstand wurde unter Verwendung eines Stromdurchgangswiderstandsmessgeräts unter den gleichen Bedingungen wie die Pelletdichte(DP)-Messbedingungen des Negativelektroden-Aktivmaterials gemessen.
4) Bewertung der Tortuosität der negativen Elektrode (τ)
Eine symmetrische Knopfzelle, auf die eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode identisch mit der in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten negativen Elektrode aufgebracht wurden. Hier wurde die Elektrolytlösung durch Mischen von 1,0 M LiPF₆ als Lithiumsalz mit einem organischen Lösungsmittel (EC:EMC = 1:4 Vol.-%) und Mischen von 1 Vol.-% FEC 1 als Elektrolytadditiv erhalten.
Anschließend wurde an der hergestellten symmetrischen Elektrode eine Impedanzspektroskopie (Frequenzbereich von 500 kHz bis 100 mHz) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden als Nyquist-Diagramm ausgedrückt, die Tortuosität wurde durch Dateninterpretation berechnet, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:
[Formel zur Berechnung der Tortuosität]
$Tortuosit \ddot{a} t (τ) = (R_{ion} \times A \times κ \times ε) / d$
(R_ion: lonendiffusionswiderstand, A: Elektrodenfläche, κ: lonenleitfähigkeit des Elektrolyten, ε: Porosität, d: Dicke)
5) Messung der Poreneigenschaften der negativen Elektrode
Die Porenvolumina (V_P) der in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten negativen Elektroden wurden durch ein Quecksilberpenetrationsverfahren gemessen, und das bei der Messung verwendete Instrument war eine Quecksilberporosimetrie (AutoPore IV 9505, erhältlich von Micromeritics).
Außerdem wurden die Porengrößen in den negativen Elektroden, die in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellt wurden, unter Verwendung eines Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Verfahrens gemessen.
6) Bewertung der Hochgeschwindigkeitsladeeigenschaften einer Halbbatterie
Die in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Halbbatterien wurden mit einer niedrigen Rate (0,1 C) für anfängliche 3 bis 5 Zyklen geladen und entladen, um die Elektrode zu stabilisieren, und mit einer hohen Rate (2 C) geladen, um die Ladeleistung bei hoher Rate zu bewerten, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Hier wurde die Laderate mit hoher Rate (%) berechnet, indem eine Lademenge mit hoher Rate relativ zu einer Lademenge mit niedriger Rate gemessen wurde.
Bewertungsbeispiel
[Bewertungsbeispiel 1]: Vergleich der Hochgeschwindigkeitsladeeigen-schaften der Sekundärbatterie in Abhängigkeit davon, ob die Relation 1 ((τ * D_P) erfüllt war

Für die negativen Elektroden und die in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Halbbatterien sind die Relation 1, D_P, τ und die Ladeeffizienz (%) der vorliegenden Erfindung in der folgenden Tabelle 1 gezeigt: [Tabelle 1]

	τ * D_P (g/cm³)	D_P (g/cm³)	τ	Ladeeffizienz (%)
Beispiel 1	7,13	1,829	3,9	89%
Beispiel 2	5,08	1,693	3,0	91%
Beispiel 3	6,10	1,793	3,4	92%
Beispiel 4	6,46	1,657	3,9	90%
Beispiel 5	7,13	1,783	4,0	88%
Vergleichsbeispiel 1	8,13	1,808	4,5	79%
Vergleichsbeispiel 2	8,21	2,002	4,1	80%

Unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 betrug in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 die Pelletdichte (D_P) des künstlichen Graphits alle 2,0 g/cm³ oder weniger, und somit wurde ein aktives Material aus künstlichem Graphit mit einer relativ niedrigen Walzdichte (Verformungsgrad unter hohem Druck) verwendet. Als Ergebnis der Herstellung der negativen Elektrode unter Bedingungen hoher Mischungsdichte (1,7 g/cm³) unter Verwendung des aktiven Materials wurde jedoch bestätigt, dass die Hochgeschwindigkeitsladeeigenschaften der Halbbatterie jedes Beispiels und Vergleichsbeispiels unterschiedlich gezeigt wurden. Es wurde analysiert, dass die Ergebnisse auf die Tatsache zurückzuführen waren, dass die Verformungsgrade der Porenstruktur in der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht unterschiedlich waren, und es wurde vorgeschlagen, dass zur Verbesserung der Hochgeschwindigkeitsladungseigenschaften sowohl die Rolldichte des Aktivmaterials und die Porenstruktur (Tortuosität, τ) der negativen Elektrode berücksichtigt werden sollten.
Insbesondere wurde bestätigt, dass die Beispiele, die Relation 1 der vorliegenden Erfindung erfüllen, signifikant verbesserte Hochgeschwindigkeitsladeeigenschaften im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen, die Relation 1 nicht erfüllten, aufwiesen. In dem Vergleichsbeispiel 1 wurde jedoch künstlicher Graphit mit dem gleichen Niveau an Pelletdichte wie im Beispiel 1 verwendet, aber da die Porenstruktur (τ) unter Bedingungen hoher Mischungsdichte nicht gut war, war die Hochgeschwindigkeitsladerate sehr niedrig, und im Vergleichsbeispiel 2 war die Pelletdichte des künstlichen Graphits etwas hoch und die Porenstruktur war nicht gut, um eine verschlechterte Wirkung zu zeigen.
Da indessen in den Beispielen 2 und 3 der τ*D_P-Wert der hergestellten negativen Elektrode den bevorzugten numerischen Wertebereich (4,3 bis 6,4) der vorliegenden Erfindung erfüllte, wird davon ausgegangen, dass die Lithiumionen-Diffusionsrate während des Ladevorgangs mit hoher Rate signifikant erhöht war und der Widerstand der negativen Elektrode verringert war. Insbesondere wurde im Herstellungsprozess (Walzprozess) der negativen Elektrode der Diffusionsweg von Lithiumionen in der negativen Elektrode aufgrund der Verformung der Negativelektroden-Aktivmaterialpartikel verlängert oder die Erzeugung von Sackgassen wirksam unterdrückt, und somit wird davon ausgegangen, dass eine noch verbesserte Hochgeschwindigkeits-Ladeeffizienz gezeigt wurde. Da die Beispiele 1, 4 und 5 den Bereich nicht erfüllten, zeigten sich relativ niedrige Ladewirkungsgrade bei hoher Rate. Die Ergebnisse legen nahe, dass es bevorzugt ist, den τ*D_P-Wert der negativen Elektrode auf 4,3 bis 6,4 einzustellen.
[Bewertungsbeispiel 2]: Bewertung der Ladeeffizienz der Sekundärbatterie in Abhängigkeit vom Pelletwiderstand des Aktivmaterials der negativen Elektrode
(Beispiele 6 und 7)
Die Halbbatterien wurden auf die gleiche Weise wie oben hergestellt, außer dass die Negativelektroden-Aktivmaterialien (künstlicher Graphit) mit den in der Tabelle 2 aufgelisteten Eigenschaften verwendet wurden, um die negative Elektrode herzustellen.

Der Pelletwiderstand, das Porenvolumen und der durchschnittliche Porenpartikeldurchmesser des in den Beispielen 1 bis 7 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Negativelektroden-Aktivmaterials (künstlicher Graphit) sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt:
[Tabelle 2] [Tabelle 2]

	R_P (mOhm)	D50 (µm)	V_P (g/cm³)	Porengröße (nm)	τ*D_P (g/cm³)	D_P (g/cm³)	Ladeeffizienz (%)
Beispiel 1	5,01	14,4	0,229	767	7,13	1,829	89%
Beispiel 2	6,41	13,4	0,211	646	5,08	1,693	91%
Beispiel 3	5,89	11,1	0,244	651	6,10	1,793	92%
Beispiel 4	5,54	12,7	0,214	586	6,46	1,657	90%
Beispiel 5	5,94	9,5	0,233	708	7,13	1,783	88%
Beispiel 6	8,39	13,2	0,306	623	9,98	1,56	82%
Beispiel 7	3,84	10,5	0,198	675	9,30	1,83	78%
Vergleichsbeispiel 1	4,84	12,8	0,114	890	8,13	1,808	79%
Vergleichsbeispiel 2	5,24	12,1	0,134	902	8,21	2,002	80%

Unter Bezugnahme auf die Tabelle 2 zeigte das Beispiel, in dem der Widerstand des Pellets mehr als 5 (mOhm) betrug, eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung als Vergleichsbeispiel 1. Da der intrinsische Widerstand des als aktives Material in den Beispielen und den Vergleichsbeispielen verwendeten Graphitmaterials gleich war, bedeutet ein großer Pelletwiderstand, dass das Material nicht mit dem gleichen Druck gepresst wurde, was darauf hindeutet, dass das Material weniger verformt wurde und somit, selbst wenn das Material auf die negative Elektrode aufgetragen wurde, die Porenstruktur in der negativen Elektrode weniger verformt wurde.
In Vergleichsbeispiel 1 wurde analysiert, dass der Pelletwiderstand relativ niedrig war und die Hochgeschwindigkeitsladungseigenschaften im Vergleich zu den Beispielen verschlechtert waren, und insbesondere in den Beispielen 2 und 3 war der Pelletwiderstand relativ hoch (5,5 bis 6,5 mOhm) und die Batterieleistung war am besten. Dies bedeutet, dass die Poren in der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht innerhalb des Bereichs des Pelletwiderstands von 5,5 bis 6,5 mOhm am wenigsten verformt wurden. Wenn dagegen der Pelletwiderstand mehr als 6,5 mOhm betrug (Beispiel 6), traten Probleme auf, beispielsweise wurde festgestellt, dass die Leitfähigkeit von Elektronen in der Elektrode übermäßig verringert wurde, um den Widerstand zu erhöhen, und somit wurde die Hochgeschwindigkeitsleistung eher verringert.
Außerdem wurde bestätigt, dass in Vergleichsbeispiel 2 der Pelletwiderstand 5 (mOhm) oder mehr betrug, aber die Pelletdichte am höchsten war, und der Grund dafür, dass der Pelletwiderstand und die Pelletdichte proportional waren, war dieser, dass die Widerstände in Abhängigkeit von den Packungsstrukturen der Partikel im Pellet unterschiedlich waren. Das heißt, da in Vergleichsbeispiel 2 der Pelletwiderstand relativ hoch war, aber die Partikel stark deformiert waren, wurde analysiert, dass die Porenstruktur in der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht verschlechtert war.
Indessen zeigte sich in den Beispielen, in denen das Porenvolumen (V_P) 0,2 g/cm³ oder mehr betrug, eine hervorragende Hochgeschwindigkeitsleistung im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel, in dem das Porenvolumen nicht 0,2 g/cm³ oder mehr betrug. Ein geringes Porenvolumen bedeutet, dass eine Hemmung der Porenbildung oder ein Porenverschluss aufgrund einer übermäßigen Verformung des Materials verursacht wurde, um das Porenvolumen in der Elektrode zu verringern, und legt nahe, dass eine Leistungsverschlechterung aufgrund eines Mangels an Poren in der Elektrode auftreten kann. Insbesondere war in den Beispielen 1 bis 5 die Batterieleistung aufgrund eines bevorzugten Porenvolumens von 0,2 bis 0,3 besser als die der Beispiele 6 und 7.
Außerdem zeigten die Beispiele mit der Porengröße in der Elektrode von 800 nm oder weniger eine bessere Batterieleistung als die Vergleichsbeispiele mit einer großen Porengröße. Das Vorhandensein einer kleinen Porengröße in der Elektrode bedeutet, dass die feinen Poren in der Elektrode gut erhalten bleiben, ohne geschlossen zu werden, was als ausgezeichnete Hochgeschwindigkeitsleistung angesehen wird. Im Gegensatz dazu bedeutet eine große Porengröße, dass die meisten der feinen Poren in der Elektrode aufgrund einer übermäßigen Verformung des Materials verformt oder geschlossen wurden, und somit wird insbesondere davon ausgegangen, dass die Beispiele 2 bis 4 die beste Batterieleistung zeigten. Bei einer Porengröße von 600 nm oder weniger, die zu klein ist, war es jedoch nicht problematisch, eine hohe Geschwindigkeitsleistung auszudrücken, sondern es kann aufgrund einer erhöhten Reaktionsfläche in der Elektrode eine hohe spezifische reversible Kapazität und eine Verschlechterung der Langzeit-Charakteristik während des Lade- und Entladevorgangs auftreten, sodass sich herausstellte, dass der am meisten bevorzugte Bereich der Porengröße 600 bis 800 nm ist.
[Bewertungsbeispiel 3]: Auswertung der Ladeeffizienz der Sekundärbatterie in Abhängigkeit davon, ob die Relationen 3 bis 5 (V_P-, D-, D_T-Werte) erfüllt waren

[Tabelle 3] [Tabelle 3]

	Partikelgröße des aktiven Materials (D50, µm)	D_T (g/cm³)	V_P (g/cm³)	Ladeeffizienz (%)
Beispiel 1	14,4	0,94	0,229	89%
Beispiel 2	13,4	1,04	0,211	91%
Beispiel 3	11,1	0,98	0,244	92%
Beispiel 4	12,7	0,92	0,214	90%
Beispiel 5	9,5	1,00	0,233	88%
Vergleichsbeispiel 1	12,8	1,05	0,114	79%
Vergleichsbeispiel 2	12.1	0.97	0.134	80%

Unter Bezugnahme auf die Tabelle 3 wurde bestätigt, dass die Beispiele 1 bis 5 alle drei Bedingungen erfüllen: die Partikelgröße des aktiven Materials (D50) von 8 bis 20 µm, die Klopfdichte (DT) von 0,8 bis 1,5 g/cm3, und das Porenvolumen (VP) der negativen Elektrode von 0,2 bis 0,5 g/cm³ zeigten im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 und 2, die die Bedingungen nicht erfüllten, eine ausgezeichnete Hochgeschwindigkeitsladungseffizienz.
Die negative Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung kann trotz der Verwendung eines Negativelektroden-Aktivmaterials mit einer geringen Pelletdichte eine hohe Mischungsdichte implementieren, um eine hervorragende Kapazität und Leistung zu zeigen.
Zusätzlich kann die negative Elektrode einen glatten Migrationskanal für ein Lithiumion bereitstellen, sogar unter Bedingungen hoher Mischungsdichte, um die Lade- und Entladeleistung bei hoher Rate und die Lebensdauereigenschaften in Abhängigkeit von dem Zyklus signifikant zu erhöhen.
Obwohl die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen voneinander unterschiedlichen Formen hergestellt werden, und Fachleute werden verstehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen implementiert werden kann, ohne von dem Geist oder wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher versteht es sich, dass die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nicht einschränkend, sondern in allen Aspekten veranschaulichend sind.

Claims

Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie, umfassend: einen Stromkollektor; und eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial beinhaltet, die auf dem Stromkollektor ausgebildet ist, wobei die negative Elektrode die folgende Relation 1 erfüllt: $3,0 < τ * D_{P} < 7,2$
wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und D_P eine Pelletdichte (g/cm³) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm².
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode eine Tortuosität (τ) von 1 bis 4 aufweist.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Negativelektroden-Aktivmaterial eine Pelletdichte (D_P) von 1,0 bis 2,0 g/cm³ aufweist.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 3, wobei das Negativelektroden-Aktivmaterial einen Pelletwiderstand (R_P) von 0,005 bis 0,01 Ohm aufweist, und der Pelletwiderstand ein Widerstandswert ist, der durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials mit 8 kN/cm² gemessen wird.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode ferner die folgende Relation 2 erfüllt: $4,3 < τ * D_{P} < 6,4$
wobei τ eine Tortuosität der negativen Elektrode ist und D_P eine Pelletdichte des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, gemessen durch Pressen des Negativelektroden-Aktivmaterials bei 8 kN/cm².
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Negativelektroden-Aktivmaterial ein kohlenstoffhaltiges aktives Material ist.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode mindestens zwei der folgenden Relationen 3 bis 5 erfüllt: $0,2 < V_{P} < 0,5$
wobei VP ein Porenvolumen (g/cm³) der negativen Elektrode ist, $8 < D < 20$
wobei D D50 (µm) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist, $0,8 < D_{T} < 1,5$
wobei DT eine Klopfdichte (g/cm3) des Negativelektroden-Aktivmaterials ist.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei eine Porengröße in der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 500 bis 800 nm beträgt.
Negative Elektrode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode eine Mischungsdichte von 1,65 g/cm³ bis 1,85 g/cm³ aufweist.
Sekundärbatterie, umfassend: die negative Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eine positive Elektrode, einen Separator; und eine Elektrolytlösung.