JP2023549443A - 負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置 - Google Patents

Abstract

本出願は、負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供し、第１のコーティングと、第２のコーティングと、集電体とを含み、前記第２のコーティングの一側は前記集電体であり、前記第２のコーティングの他側は前記第１のコーティングであり、前記第１のコーティングと前記第２のコーティングはケイ素系材料を含み、前記第１のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．５～１．５であり、前記第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．３以下である。本出願は、電池のサイクル寿命とエネルギー密度を向上させることができる。

Description

本出願は、リチウム電池技術分野に関し、特に負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置に関する。

リチウムイオン電池は、比エネルギーが大きく、作動電圧が高く、自己放電率が低く、体積が小さく、重量が軽いなどの特徴を有し、電動自動車の急速な発展に伴い、人々がリチウムイオン電池のエネルギー密度、サイクル性能などに対する要求も益々高まっている。ケイ素系材料は、それが高い比容量を有する特徴で、次世代のリチウムイオン負極材料として期待されている材料となった。

ケイ素系材料は、リチウム放出吸蔵過程に、体積が大きく変化し、リチウムイオン電池のサイクル寿命に影響を与え、なお、ケイ素系材料の初回のクーロン効率が低く、リチウムイオン電池のエネルギー密度に影響を与える。

本出願は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リチウムイオン電池のサイクル寿命とエネルギー密度を向上させることである。

上記目的を達成するために、本出願は、負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供する。

本出願の第１の態様は、負極板を提供し、この負極板は、第１のコーティングと、第２のコーティングと、集電体とを含み、前記第２のコーティングの一側は前記集電体であり、前記第２のコーティングの他側は前記第１のコーティングであり、前記第１のコーティングと前記第２のコーティングはケイ素系材料を含み、前記第１のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．５～１．５であり、前記第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．３以下である。

このため、本出願は、第１のコーティングと第２のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比を協調的に調整することによって、第１のコーティングがリチウムイオン電池のサイクル寿命を改善し、第２のコーティングがリチウムイオン電池の初回のクーロン効率とエネルギー密度を向上させ、それによってリチウムイオン電池のサイクル寿命とエネルギー密度を向上させる。

任意の実施形態において、前記第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．０５～０．２であり、リチウムイオン電池のエネルギー密度の改善と電池サイクル寿命の向上を両立させることができる。

任意の実施形態において、前記第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１と前記第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２との間は、０．８≦Ａ_１：Ａ_２≦１．２を満たし、電池のライフサイクルを通じて、リチウムイオン電池に脱膜が発生するリスクを低減し、リチウムイオン電池の性能と安全性を向上させることができる。

任意の実施形態において、前記第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１は５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇであり、前記第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２は５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇであり、優れたサイクル寿命とエネルギー密度を有するリチウムイオン電池が得られる。

任意の実施形態において、前記ケイ素系材料の前記第１のコーティングにおける含有量は１８ｗｔ％～５５ｗｔ％であり、前記ケイ素系材料の前記第２のコーティングにおける含有量は７ｗｔ％～２１ｗｔ％であり、優れたサイクル寿命とエネルギー密度を有するリチウムイオン電池が得られる。

任意の実施形態において、前記第１のコーティングは、第１の接着剤を含み、前記第２のコーティングは、第２の接着剤を含み、第１のコーティング及び第２のコーティングの界面接着効果を向上させ、第１のコーティングと第２のコーティングの脱膜リスクをさらに低減し、リチウムイオン電池の安全性を向上させることができる。

任意の実施形態において、前記第１の接着剤と前記第２の接着剤は、それぞれ独立してポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルキトサン及びスチレンブタジエンゴムのうちの少なくとも一つを含む。

任意の実施形態において、前記第１の接着剤と前記第２の接着剤は、いずれもポリアクリル酸塩系接着剤を含み、前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第１のコーティングにおける含有量は、前記第２のコーティングにおける含有量より小さく、接着効果を満たした上で、電池のエネルギー密度を効果的に向上させ、補助材料コストを削減することができる。

任意の実施形態において、前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第１のコーティングにおける含有量は３ｗｔ％～６ｗｔ％であり、前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第２のコーティングにおける含有量は４ｗｔ％～７ｗｔ％であり、接着効果を満たした上で、電池のエネルギー密度を効果的に向上させ、補助材料コストを削減することができる。

本出願的第２の態様は、本出願の第１の態様の負極板を含む二次電池を提供する。

本出願の第３の態様は、本出願の第２の態様の二次電池を含む電池モジュールを提供する。

本出願の第４の態様は、本出願の第３の態様の電池モジュールを含む電池パックを提供する。

本出願の第５の態様は、本出願の第２の態様の二次電池、本出願の第３の態様の電池モジュール、又は本出願の第４の態様の電池パックから選択される少なくとも一つを含む電力消費装置を提供する。

本出願の有益な効果は以下のとおりである。

本出願は、負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供し、負極板には、第１のコーティングと第２のコーティングとが含まれ、第１のコーティングと第２のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比を協調的に調整することによって、第１のコーティングが、初回のリチウム吸蔵の後に、リチウムイオン電池のサイクル寿命を改善し、第２のコーティングが、リチウムイオン電池の初回のクーロン効率とエネルギー密度を向上させ、それによってリチウムイオン電池のサイクル寿命とエネルギー密度を向上させることである。無論、本出願を実施するいずれか一つの製品又は方法は、以上に記載の利点の全てを同時に達成する必要があるわけではない。

本出願と従来技術の技術案をより明瞭に説明するために、以下は、実施例と従来技術において使用される必要がある図面を簡単に説明し、自明なことに、以下の記述における図面は、本出願のいくつかの実施例に過ぎない。

本出願の一実施形態による負極板の概略図である。 本出願の一実施形態による二次電池の概略図である。 図２に示される本出願の一実施形態による二次電池の分解図である。 本出願の一実施形態による電池モジュールの概略図である。 本出願の一実施形態による電池パックの概略図である。 図５に示される本出願の一実施形態による電池パックの分解図である。 本出願の一実施形態による二次電池が電源として用いられる電力消費装置の概略図である。

以下では、図面を適当に参照しながら、本出願の負極板、正極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を具体的に開示した実施形態を詳細に説明する。しかし、必要のない詳細な説明を省略する場合がある。例えば、周知の事項に対する詳細な説明、実際に同じである構造に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に長くなることを回避し、当業者に容易に理解させるためである。なお、図面及び以下の説明は、当業者に本出願を十分に理解させるために提供するものであり、特許請求の範囲に記載された主題を限定するためのものではない。

本出願に開示される「範囲」は、下限と上限の形式で限定され、所与の範囲は、一つの下限と１つの上限を選択することによって限定され、選択された下限と上限は、特定の範囲の境界を限定する。このように限定される範囲は、端値を含むか又は含まないものであってもよく、いずれかの組合せが可能であり、即ち、いずれかの下限といずれかの上限との組合せが一つの範囲を形成することができる。例えば、特定のパラメータについて６０～１２０と８０～１１０の範囲が列挙されている場合、６０～１１０と８０～１２０の範囲も予想されると理解される。なお、最小範囲値１と２が列挙される場合、及び最大範囲値３、４、及び５が列挙される場合、１～３、１～４、１～５、２～３、２～４及び２～５の範囲は、全て予想される。本出願において、特に断りのない限り、「ａ～ｂ」という数値範囲は、ａ～ｂのいずれかの実数の組み合わせの短縮表現を表し、ここで、ａとｂはいずれも実数である。例えば、「０～５」という数値範囲は、本明細書において「０～５」の間の全ての実数を列挙していることを意味し、「０～５」は、これらの数値の組合せの短縮表現だけである。なお、あるパラメータが≧２の整数であると表記すると、そのパラメータが例えば整数２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２などであることを開示していることに相当する。

特に説明しない場合、本出願の全ての実施形態及び任意選択的な実施形態は、互いに組み合わせて新な技術案を形成することができる。

特に説明しない場合、本出願の全ての技術的特徴及び任意選択的な技術的特徴は、互いに組み合わせて新な技術案を形成することができる。

特に説明しない場合、本出願の全てのステップは、順次行われてもよく、ランダムに行われてもよく、好ましくは、順次行われる。例えば、前記方法がステップ（ａ）と（ｂ）とを含むことは、前記方法が順次行われるステップ（ａ）と（ｂ）とを含んでもよく、順次行われるステップ（ｂ）と（ａ）とを含んでもよいことを表す。例えば、以上に言及された前記方法がステップ（ｃ）をさらに含むことは、ステップ（ｃ）がいずれかの順で前記方法に追加されてもよいことを表し、例えば、前記方法は、ステップ（ａ）、（ｂ）と（ｃ）を含んでもよく、ステップ（ａ）、（ｃ）と（ｂ）を含んでもよく、ステップ（ｃ）、（ａ）と（ｂ）などを含んでもよい。

特に説明しない場合、本出願で言及された「含む」と「包含」は、開放型を表し、閉鎖型であってもよい。例えば、前記「含む」と「包含」は、リストアップされていない他の成分をさらに含み又は包含してもよく、リストアップされた成分のみを含み又は包含してもよいことを表してもよい。

特に説明しない場合、本出願において、用語「又は」は包括的である。例えば、「Ａ又はＢ」という用語は、「Ａ、Ｂ、又はＡとＢの両方」を表す。より具体的には、Ａが真であり（又は存在し）かつＢが偽である（又は存在しない）条件と、Ａが偽であり（又は存在せず）、Ｂが真である（又は存在する）条件と、また、ＡとＢが共に真である（又は存在する）条件のいずれかも「Ａ又はＢ」を満たしている。

本出願人は、ケイ素系材料電池を研究する過程において、ケイ素系材料には充放電過程における体積膨張が大きいという問題が存在し、それによりケイ素系材料電池のサイクル寿命が応用のニーズを満たすことが困難であることを発見した。ケイ素系材料の初回のクーロン効率が低く、ケイ素系材料電池のエネルギー密度に影響を与えた。ケイ素系材料電池のサイクル寿命とエネルギー密度を向上させ、電力消費装置に適用される時に、ケイ素系材料電池により優れた性能、例えば、よい長い航続距離、より長い使用寿命を持たせるために、本出願は、負極板、二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を提供する。

本出願の一実施形態において、本出願は、負極板を提供し、図１に示すように、第１のコーティング１と、第２のコーティング２と集電体３とを含み、第２のコーティング２の一側は集電体３であり、第２のコーティング２の他側は第１のコーティング１であり、第１のコーティング１と第２のコーティング２は、ケイ素系材料を含み、第１のコーティング１のケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．５～１．５であり、好ましくは、０．８～１．２であり、第２のコーティング２のケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．３以下である。

メカニズムがまだよく分かっていないが、本出願者は、本出願の負極板には第１のコーティングと第２のコーティングとが含まれ、第１のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比、第２のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比を協調的に調整することによって、本出願の範囲内において、第１のコーティングがリチウムイオン電池のサイクル寿命を改善し、第２のコーティングがリチウムイオン電池の初回のクーロン効率とエネルギー密度を向上させ、それによってリチウムイオン電池のサイクル寿命とエネルギー密度を全体的に向上させたことを意外に発見した。

本出願者は、いかなる理論にも拘わらず、ケイ素系負極材料については、材料における酸素元素含有量が高いほど、１サイクル目のリチウム吸蔵後に形成された、緩衝効果を有する酸化リチウム、リチウムシリケート（例えば、Ｌｉ_２ＳｉＯ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_６Ｓｉ_２Ｏ_７など）成分の比率が大きくなり、これらの成分の存在により、ケイ素系材料のリチウム吸蔵過程での体積変化を効果的に緩和し、リチウムイオン電池のライフサイクルにおける固体電解質界面（ＳＥＩ）膜の破裂と修復程度を効果的に改善することによって、リチウムイオン電池のサイクル寿命を改善することができることを発見した。しかし、可逆的なリチウム放出吸蔵を備えないこれらの成分の存在は、ケイ素系材料の可逆的なグラム容量を低減し、さらにリチウムイオン電池の初回のクーロン効率に影響を与え、リチウムイオン電池のエネルギー密度をある程度損ない、これに対して、ケイ素系材料における酸素元素含有量が低下し、ケイ素系材料のリチウム放出吸蔵過程で膨張が増大し、サイクル数の増加に伴い、ケイ素系材料の容量減衰が速くなるが、リチウムイオン電池は、初回のクーロン効率が高く、その分、エネルギー密度も高い。

本出願者は、いかなる理論にも拘わらず、多孔質電極の充放電過程において、液相オーミック分極と拡散分極が存在するため、充放電電流が電極板の溶液に近い側に集中し、即ち活物質粒子が極板の表面（即ち電解液側）に近いほど、活物質が担う充放電過程のリチウム放出とリチウム吸蔵のスループット量が大きくなることをさらに発見した。

これに基づき、本出願において、負極板の第１のコーティングが電解液に近接して設置され、電池使用過程でのリチウムイオンスループット量を多く担うことができるが、第１のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比が０．５～１．５であり、１サイクル目のリチウム吸蔵後に、体積膨張を緩和するための酸化リチウム、リチウムシリケートなどの活物質をより多く形成することによって、リチウムイオン電池のサイクル寿命を向上させ、第２のコーティングが集電体に近接して設置され、第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモルが０．３以下であり、負極板の初回のリチウム吸蔵過程で消耗した活性リチウムの量を減少させ、リチウムイオン電池の初回のクーロン効率とエネルギー密度を向上させることができる。本出願の負極板は、上記第１のコーティングと第２のコーティングとを含むことによって、リチウムイオン電池に、高いエネルギー密度、初回のクーロン効率と長いサイクル寿命を両立させる。

いくつかの実施形態において、本出願の第１のコーティングにおけるケイ素系材料は、シリコン酸素材料（ＳｉＯ_ｘと表記される）であってもよく、第２のコーティングにおけるケイ素系材料は、シリコン酸素材料であってもよく、単体ケイ素材料であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．８～１．２であり、第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．０５～０．２である。本出願者は、第１のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比、第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比を上記範囲内に制御することによって、リチウムイオン電池のエネルギー密度の改善、電池サイクル寿命の向上を両立させることができることを発見した。

いくつかの実施形態において、第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１と第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２との間は、０．８≦Ａ_１：Ａ_２≦１．２を満たす。本出願において、あるコーティングにおける活物質の重み付けグラム容量Ａは、このコーティングの活物質におけるケイ素系材料の可逆的なリチウム放出吸蔵グラム容量と他の活性成分の可逆的なリチウム放出吸蔵グラム容量の重み付け値を指し、重み付けグラム容量Ａは、式Ａ＝Σｎ_ｉ×ｘ_ｉで計算され、単位はｍＡｈ／ｇである。ここで、ｘ_ｉは、このコーティングにおける第ｉ類の活性成分が総活物質に占める質量比を表し、且つΣｘ_ｉ＝１であり、ｎ_ｉは、このコーティングにおける第ｉ類の活性成分の可逆的なグラム容量を表し、単位はｍＡｈ／ｇである。

本出願者は、炭素材料とケイ素系材料を同時に含む複合電極板に対して、ケイ素系材料の組成が一定である場合、ケイ素系材料が占める割合が高いほど、重み付けグラム容量が高くなるが、電極板の同様な荷電状態での反発が大きくなり、第１のコーティングと第２のコーティングの重み付けグラム容量の差が大きすぎる場合、電極板のリチウム放出吸蔵過程において、第１のコーティングと第２のコーティングが受ける膨張応力の差が大きすぎて、二つのコーティングの間の界面適合性が悪くなり、満充電状態又は電池ライフサイクルにおいて、第１のコーティングと第２のコーティングが分離して脱膜することが発生する可能性があり、そのため、第１のコーティングにおける一部の活物質が導電ネットワークから脱離してリチウムを放出吸蔵できなくなり、さらに局所的な領域での陰陽極容量の不整合によるリチウム析出を引き起こし、リチウムイオン電池の性能問題、ひいては安全問題の発生を引き起こす可能性があることを発見した。

本出願は、第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１と第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２との比を上記範囲内に制御することによって、異なる容量減衰状態で、極板がリチウムイオン放出吸蔵する時、第１のコーティングと第２のコーティングとの間が良好な界面適合性を維持し、二つのコーティングの応力さを小さい範囲内に維持し、リチウムイオン電池のライフサイクルを通じて、リチウムイオン電池に脱膜が発生するリスクを低減し、リチウムイオン電池の性能と安全性を向上させる。

いくつかの実施形態において、第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１は、５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇであり、第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２は５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇである。いかなる理論にも拘わらず、第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１、第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２を上記範囲内に協調的に制御することによって、負極板のサイクル過程での膨張を適切な範囲内に制御するとともに、高いグラム容量発揮も有し、それによって良好なサイクル寿命とエネルギー密度を有するリチウムイオン電池を得る。

いくつかの実施形態において、ケイ素系材料の第１のコーティングにおける含有量は１８ｗｔ％～５５ｗｔ％であり、ケイ素系材料の第２のコーティングにおける含有量は７ｗｔ％～２１ｗｔ％である。いかなる理論にも拘わらず、第１のコーティングにおけるケイ素系材料の含有量、第２のコーティングにおけるケイ素系材料の含有量を上記範囲内に協調的に制御することによって、負極板のサイクル過程での膨張を適切な範囲内に制御するとともに、高いグラム容量発揮も有し、それによって良好なサイクル寿命とエネルギー密度を有するリチウムイオン電池を得る。

いくつかの実施形態において、第１のコーティングは、第１の接着剤を含み、第２のコーティングは、第２の接着剤を含む。本出願において、第１の接着剤と第２の接着剤は、同様であってもよく、異なってもよい。第１のコーティングに第１の接着剤を加え、第２のコーティングに第２の接着剤を加えることによって、第１のコーティング及び第２のコーティングの界面接着効果を向上させ、第１のコーティングと第２のコーティングの脱膜リスクをさらに低減し、リチウムイオン電池の安全性を向上させることができる。

本出願では、第１の接着剤と第２の接着剤に対して特に制限することはなく、本出願の目的を実現できればよい。いくつかの実施形態において、第１の接着剤と第２の接着剤は、それぞれ独立してポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルキトサン及びスチレンブタジエンゴムのうちの少なくとも一つを含む。

いくつかの実施形態において、第１の接着剤と第２の接着剤は、いずれもポリアクリル酸塩系接着剤を含み、ポリアクリル酸塩系接着剤の第１のコーティングにおける含有量は、第２のコーティングにおける含有量より小さい。本出願の負極板の第１のコーティングと第２のコーティングにはケイ素系材料が含まれ、第１の接着剤と第２の接着剤がいずれもポリアクリル酸塩系接着剤を含む場合、ポリアクリル酸塩系接着剤は、ケイ素系材料と強い水素結合を形成し、ケイ素系材料表面を効果的に被覆することによって、ケイ素系材料の充放電過程での体積膨張を緩和することができる。本出願者は、第１のコーティングにおけるケイ素系材料の酸素ケイ素モル比が高く、リチウムイオン電池サイクル過程での体積膨張が第２のコーティングより小さいため、ポリアクリル酸塩系接着剤の第１のコーティングにおける含有量が第２のコーティングにおける含有量より小さいように制御することによって、接着効果を満たした上で、電池のエネルギー密度を向上させ、補助材料コストを削減することができることを発見した。

いくつかの実施形態において、ポリアクリル酸塩系接着剤の第１のコーティングにおける含有量は３ｗｔ％～６ｗｔ％であり、ポリアクリル酸塩系接着剤の第２のコーティングにおける含有量は４ｗｔ％～７ｗｔ％である。本出願者は、いかなる理論に制限されず、ポリアクリル酸塩系接着剤の第１のコーティングと第２のコーティングにおける含有量を上記範囲内に制御することによって、接着効果を満たした上で、電池のエネルギー密度を効果的に向上させ、補助材料コストを削減することができる。

本出願では、ケイ素系材料の製造方法に対して特に制限することはなく、例えば、以下のステップによって製造することができる。

二酸化ケイ素粉末と単体ケイ素粉末を、非酸化性ガス雰囲気で、高温気相反応により得て、二酸化ケイ素粉末と単体ケイ素粉末の比率を調整することによって、得られたケイ素系材料における酸素とケイ素との元素比率を調整するというステップによって製造してもよい。本出願では、上記二酸化ケイ素粉末と単体ケイ素粉末の粒径に対して特に制限することはなく、本出願の要件を満たすことができればよく、例えば、二酸化ケイ素粉末の平均粒径は１μｍ～１０μｍであり、単体ケイ素粉末の平均粒径は１μｍ～１０μｍである。本出願では、非酸化性ガス雰囲気に対して特に制限することはなく、例えば、アルゴンガス、水素ガス雰囲気であってもよい。本出願では、気相反応の温度に対して特に制限することはなく、本出願の要件を満たすことができればよく、例えば、温度は１３００℃～１４００℃である。

いくつかの実施形態において、製造されたシリコン酸素材料は、リチウムイオン電池に用いるために、さらに被覆されるか又は他の活物質と複合化されてもよい。

また以下では、図面を適当に参照しながら、本出願の二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置を説明する。

本出願の一実施形態において、上記いずれか一つの実施形態に記載の負極板を含む二次電池を提供する。本出願の二次電池は、上記いずれか一つの実施形態に記載のリチウムイオン電池を指すことができる。

通常、二次電池は、正極板と、負極板と、電解質と、セパレータとを含む。電池の充放電過程において、活性イオンは正極板と負極板との間に往復してインターカレーションやデインターカレーションをする。電解質は、正極板と負極板との間でイオンを伝導する役割を果たす。セパレータは、正極板と負極板との間に設けられ、主に正負極の短絡を防止する役割を果たすとともに、イオンを通過させることができる。

［正極板］
正極板は、正極集電体及び正極集電体の少なくとも一つの表面に設けられた正極材料を含む。一例として、正極集電体は、その自体の厚さ方向において対向する二つの表面を有し、正極膜層は、正極集電体の対向する二つの表面のいずれか一方又は両方上に設けられている。

本出願のリチウムイオン電池において、上記正極集電体は、金属箔シート又は複合集電体を採用してもよい。例えば、金属箔シートとして、アルミニウム箔を採用してもよい。複合集電体は、高分子材料基層と高分子材料基層の少なくとも一つの表面上に形成された金属層とを含んでもよい。複合集電体は、金属材料（アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、銀及び銀合金など）を高分子材料基材（例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの基材）上に形成することによって形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、正極活物質は、当分野でよく知られている電池用の正極活物質を採用してもよい。一例として、正極活物質は、オリビン構造のリチウム含有リン酸塩、リチウム遷移金属酸化物及びそれぞれの改質化合物のうちの少なくとも一つの材料を含んでもよい。しかし、本出願では、これらの材料に限定されず、さらに電池の正極活物質として使用可能な他の従来の材料を使用してもよい。これらの正極活物質は、一つのみを単独に使用してもよく、二つ以上を組み合わせて使用してもよい。ここで、リチウム遷移金属酸化物の例は、リチウムコバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（例えば、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムマンガンコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２（ＮＣＭ_３３３と略称されてもよい）、ＬｉＮｉ_０．５Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．３Ｏ_２（ＮＣＭ_５２３と略称されてもよい）、ＬｉＮｉ_０．５Ｃｏ_０．２５Ｍｎ_０．２５Ｏ_２（ＮＣＭ_２１１と略称されてもよい）、ＬｉＮｉ_０．６Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．２Ｏ_２（ＮＣＭ_６２２と略称されてもよい）、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２（ＮＣＭ_８１１と略称されてもよい）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_０．８５Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２）及びその改質化合物などのうちの少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限られない。オリビン構造のリチウム含有リン酸塩の例は、リン酸鉄リチウム（例えば、ＬｉＦｅＰＯ_４（ＬＦＰと略称されてもよい））、リン酸鉄リチウムと炭素との複合材料、リン酸マンガンリチウム（例えば、ＬｉＭｎＰＯ_４）、リン酸マンガンリチウムと炭素との複合材料、リン酸マンガン鉄リチウム、リン酸マンガン鉄リチウムと炭素との複合材料のうちの少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限られない。

いくつかの実施形態において、正極膜層は、任意選択的に、接着剤をさらに含む。一例として、前記接着剤は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化ビニリデン－テトラフルオロエチレン－プロピレン三元共重合体、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン三元共重合体、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体及び含フッ素アクリル酸エステル樹脂のうちの少なくとも一つを含んでもよい。

いくつかの実施形態において、正極膜層は、任意選択的に、導電剤をさらに含む。一例として、前記導電剤は、超伝導性カーボン、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンドット、カーボンナノチューブ、グラフェン、およびカーボンナノファイバーのうちの少なくとも一つを含んでもよい。

いくつかの実施形態において、以下の方式で正極板を製造することができ、正極板を製造するための上記成分、例えば、正極活物質、導電剤、接着剤といずれかの他の成分を溶媒（例えば、Ｎ－メチルピロリドン）に分散させて、正極スラリーを形成し、正極スラリーを正極集電体に塗布し、乾燥、冷間加圧などのプロセスを経て、正極板が得られる。

［負極板］
いくつかの実施形態において、前記負極板の負極集電体は、金属箔シート又は複合集電体を採用してもよい。例えば、金属箔シートとして、銅箔を採用してもよい。複合集電体は、高分子材料基層と高分子材料基材の少なくとも一つの表面上に形成された金属層とを含んでもよい。複合集電体は、金属材料（銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、銀及び銀合金など）を高分子材料基材（例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの基材）上に形成することによって形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、以下の方式で負極板を製造することができ、第１の負極スラリーと第２の負極スラリーを製造し、まず集電体に形成された第２のコーティングに第２の負極スラリーを塗布し、そして第２のコーティングの表面に形成された第１のコーティングに第１の負極スラリーを塗布し、又は、塗布時に二層塗布機器を採用して、第１の負極スラリーと第２の負極スラリーを集電体に同時に塗布してもよく、乾燥、冷間加圧などのプロセスを経て、負極板を得て、この負極板において、第２のコーティングの一側は前記集電体であり、第２のコーティングの他側は第１のコーティングである。

［電解質］
電解質は、正極板と負極板との間でイオンを伝導する役割を果たす。本出願は、電解質の種類を具体的に限定せず、需要に応じて選択することができる。例えば、電解質は、液状、ゲル状又は全固体状であってもよい。

いくつかの実施形態では、前記電解質は、電解液を採用する。前記電解液は、電解質塩と溶媒とを含む。

いくつかの実施形態において、電解質塩は、ヘキサフルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、リチウムビスフルオロスルホンイミド、リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、リチウムジフルオロ（オキサラト）ボレート、リチウムビス（オキサラト）ボレート、リチウムジフルオロ（オキサラト）ボレート及びリチウムテトラフルオロ（オキサラト）ホスフェートのうちの少なくとも一つから選択されてもよい。

いくつかの実施形態において、溶媒は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、炭酸ジプロピル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルプロピル、炭酸ブチレン、炭酸フルオロエチレン、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、酪酸メチル、酪酸エチル、１，４－ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン及びジエチルスルホンのうちの少なくとも一つから選択されてもよい。

いくつかの実施形態において、前記電解液は、任意選択的に、添加剤をさらに含む。例えば、添加剤は、負極被膜形成添加剤と、正極被膜形成添加剤とを含んでいてもよいし、電池のいくつかの性能を改善できる添加剤、例えば、電池の過充電性能を改善する添加剤、電池の高温又は低温性能を改善する添加剤などをさらに含んでいてもよい。

［セパレータ］
いくつかの実施形態において、二次電池は、セパレータをさらに含む。本出願では、セパレータの種類に対して特に制限することはなく、よく知られている、良好な化学的安定性と機械的安定性を有するいずれかの多孔質構造のセパレータを選択してもよい。

いくつかの実施の形態において、セパレータの材質は、ガラス繊維、不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも一つから選択されてもよい。セパレータは、単層薄膜であってもよく、多層複合薄膜であってもよく、特に制限はない。セパレータが多層複合薄膜である場合、各層の材料は同じであってもよく、異なってもよく、特に制限はない。

いくつかの実施形態において、正極板と負極板とセパレータは、捲回プロセス又は積層プロセスによって電極アセンブリを製造してもよい。

いくつかの実施形態において、二次電池は、外装を含むことができる。この外装は、上記電極アセンブリと電解質のパッケージングに用いられてもよい。

いくつかの実施形態において、二次電池の外装は、硬質プラスチックシェル、アルミニウムシェル、スチールシェルなどの硬質シェルであってもよい。二次電池の外装は、軟包装でもよく、例えば、袋型軟包装である。軟包装の材質はプラスチックであってもよく、プラスチックとして、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンサクシネートなどが挙げられる。

本出願では、二次電池の形状に対して特に制限することはなく、それは、円柱状、四角形又は他のいずれかの形状であってもよい。例えば、図２は、一例としての角形構造の二次電池５である。

いくつかの実施形態において、図３を参照すると、外装は、筐体５１および蓋板５３を含むことができる。ここでは、筐体５１は、底板と底板上に接続された側板とを含んでもよく、底板と側板とで取り囲んで収容キャビティを形成する。筐体５１は収容キャビティに連通する開口を有し、蓋板５３は、前記開口をカバーして設けられることによって前記収容キャビティを閉鎖することができる。正極板と負極板とセパレータは、捲回プロセス又は積層プロセスによって電極アセンブリ５２を形成することができる。電極アセンブリ５２は、前記収容キャビティ内にパッケージングされる。電解液は、電極アセンブリ５２に浸潤する。二次電池５に含まれる電極アセンブリ５２の数は一つ又は複数であってもよく、当業者は実際の具体的な需要に応じて選択してもよい。

いくつかの実施の形態では、二次電池を電池モジュールに組み立てもよく、電池モジュールに含まれる二次電池の数は一つ又は複数であってもよく、具体的な数は、当業者は電池モジュールの応用と容量に基づいて選択してもよい。

図４は、一例としての電池モジュール４である。図４を参照すると、電池モジュール４において、複数の二次電池５は、電池モジュール４の縦方向に沿って順に並べて設けられてもよい。無論、いずれかの他の方式に従って配置してもよい。さらに、この複数の二次電池５を締め具で固定してもよい。

選択可能には、電池モジュール４は、複数の二次電池５を収容する収容空間を有する筐体をさらに備えていてもよい。

いくつかの実施形態において、上記電池モジュールは、さらに電池パックに組み立てられてもよく、電池パックに含まれる電池モジュールの数は、一つ又は複数であってもよく、具体的な数は、当業者は電池パックの応用と容量に基づいて選択してもよい。

図５と図６は、一例としての電池パック１０である。図５と図６を参照すると、電池パック１０には、電池ケースと電池ケースの中に設けられた複数の電池モジュール４が含まれてもよい。電池ケースは上ケース１１と下ケース１２とを含み、上ケース１１は、下ケース１２をカバーして設けられ、且つ電池モジュール４を収容するための密閉空間を形成することができる。複数の電池モジュール４はいずれかの方式で電池ケースに配列することができる。

また、本出願は、本出願による二次電池、電池モジュール、または電池パックのうちの少なくとも一つを含む電力消費装置をさらに提供する。前記二次電池、電池モジュール、又は電池パックは、前記電力消費装置の電源として用いられてもよいし、前記電力消費装置のエネルギー貯蔵ユニットとして用いられてもよい。前記電力消費装置は、移動体設備（例えば携帯電話、ノートパソコンなど）、電動車両（例えば純電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車、電動スクーター、電動ゴルフカート、電動トラックなど）、電気列車、船舶と衛星、エネルギー貯蔵システムなどを含んでもよいが、それらに限られない。

前記電力消費装置として、その使用上の需要に応じて二次電池、電池モジュール又は電池パックを選択してもよい。

図７は、一例としての電力消費装置である。この電力消費装置は、純電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグインハイブリッド電気自動車などである。この電力消費装置は二次電池に対する高パワー及び高エネルギー密度の需要を満たすために、電池パック又は電池モジュールを用いることができる。

別の例としての装置は、携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコンなどであってもよい。この装置は、一般に軽量化が求められており、二次電池を電源として採用することができる。

実施例
以下では、本出願の実施例を説明する。以下に記述されている実施例は、例示的なもので、本出願を解釈することのみに用いられ、本出願を制限するものとして理解すべきではない。実施例において具体的な技術又は条件が明記されていないものは、当技術分野の文献に記述されている技術若しくは条件、又は製品説明書に従って実行する。使用する試薬又は機器について、製造メーカーが明記されていないものは、いずれも市販で購入できる一般的な製品である。

実施例１
＜正極板の製造＞
正極活物質のＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２、導電剤の電導カーボンブラック、接着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、９６：２：２の質量比で混合し、そしてＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として加え、真空ミキサーの作用で、体系が均一になるまで撹拌し、固体含有量が７５ｗｔ％である正極スラリーを得る。正極スラリーを、厚さが１２μｍであるアルミニウム箔の一つの表面に均一に塗布し、１２０℃の条件で乾燥し、冷間加圧した後に、正極活物質層の厚さが６０μｍである正極板を得て、そしてタブ成形、スリット加工などのプロセスを経て、正極板を得る。

＜負極板の製造＞
＜第１の負極スラリーの製造＞
第１の負極活物質、炭素材料の人造黒鉛、導電剤の電導カーボンブラック、接着剤のポリアクリル酸ナトリウムを、１８：７７：２：３の質量比で混合し、脱イオン水を溶媒として加え、真空ミキサーの作用で、体系が均一になるまで撹拌し、固体含有量が５０ｗｔ％である第１の負極スラリーを得る。

＜第２の負極スラリーの製造＞
第２の負極活物質、炭素材料の人造黒鉛、導電剤の電導カーボンブラック、接着剤のポリアクリル酸ナトリウムを、７：８７：２：４の質量比で混合し、脱イオン水を溶媒として加え、真空ミキサーの作用で、体系が均一になるまで撹拌し、固体含有量が５０ｗｔ％である第２の負極スラリーを得る。

＜第１のコーティングと第２のコーティングを含む負極板の製造＞
二層塗布プロセスを採用し、製造された第１の負極スラリーと第２の負極スラリーを、厚さが８μｍである銅箔の一つ表面に塗布し、１１０℃の条件で乾燥し、冷間加圧を経て、第１のコーティングの厚さと第２のコーティングの厚さがそれぞれ２５μｍである負極板を得て、そしてタブ成形、スリット加工などのプロセスを経て、負極板を得る。

＜電解液の製造＞
含水量が１０ｐｐｍより小さい環境で、非水有機溶媒の炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルを、１：１：１の体積比で混合して電解液溶媒を得て、その後、リチウム塩ＬｉＰＦ_６を、混合した後の溶媒に溶解させ、リチウム塩濃度が１ｍｏｌ／Ｌである電解液を製造する。

＜セパレータの製造＞
厚さが９μｍであるポリエチレン膜をセパレータとして選択し、使用前に、正極板と負極板のサイズに従って、スリット加工を行って適切な幅を得る。

＜リチウムイオン電池の製造＞
正極板、セパレータ、負極板を順に積み重ね、セパレータを正極板と負極板との間に介在させて隔離の役割を果たし、そして捲回して電極アセンブリを得て、電極アセンブリを外装筐体に入れ、乾燥した後に電解液を注入し、真空パッケージ、静置、化成、整形などのプロセスを経て、リチウムイオン電池を得る。

実施例２～実施例１１
＜負極板の製造＞において、第１の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比、第２の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比を表１に示すように調整し、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_１：Ａ_２の値を表２に示すように調整し、第１のスラリーにおける第１の負極活物質の比率、第２のスラリーにおける第２の負極活物質の比率、第１のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第２のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第１の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率、第２の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率を表３に示すように調整する以外、その他は実施例１と同様である。

実施例１２
＜正極板の製造＞と＜負極板の製造＞において、正極活物質層と負極活物質層がそれぞれ両面塗布プロセスを採用し、即ち正極集電体と負極集電体の両側にいずれも活物質層が設置される以外、その他は実施例１と同様であり、ここで、負極集電体両側の活物質層は、いずれも第１のコーティングと第２のコーティングとをそれぞれ含む。

比較例１
＜負極板の製造＞が実施例２と異なる以外、その他は実施例２と同様である。

＜負極板の製造＞
実施例２の第１の負極スラリーと第２の負極スラリーを、１：１の質量比で混合して、混合スラリーを得て、そして混合スラリーを厚さが８μｍである銅箔の一つの表面に塗布し、１１０℃の条件で乾燥し、冷間加圧を経て、負極活物質層の厚さが５０μｍである負極板を得て、そしてタブ成形、スリット加工などのプロセスを経て、負極板を得る。

比較例２～比較例６
＜負極板の製造＞において、第１の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比、第２の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比を表１に示すように調整し、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_１：Ａ_２の値を表２に示すように調整し、第１のスラリーにおける第１の負極活物質の比率、第２のスラリーにおける第２の負極活物質の比率、第１のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第２のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第１の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率、第２の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率を表３に示すように調整する以外、その他は実施例１と同様である。

上記実施例１～１２、比較例１～６の関連パラメータは、下記表１～表３に示されるとおりである。ここで、第１の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比、第２の負極スラリーにおけるＯ元素とＳｉ元素とのモル比は、表１に示され、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_１：Ａ_２の値は表２に示され、第１のスラリーにおける第１の負極活物質の比率、第２のスラリーにおける第２の負極活物質の比率、第１のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第２のスラリーにおける接着剤のタイプと比率、第１の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率、第２の負極スラリーにおける人造黒鉛及び電導カーボンブラックの比率は、表３に示される。

また、上記実施例１～１２と比較例１～６で製造されたリチウムイオン電池、及び上記実施例１～１２と比較例１～６を利用する負極活物質で、ボタン型電池を製造し、性能試験を行う。試験結果は以下の表４に示されるとおりである。

エネルギー密度試験：
試験温度は２５℃であり、各実施例と比較例で製造されたリチウムイオン電池を、まず０．３３Ｃのレートで４．２５Ｖまで定電流充電し、０．０５Ｃまで定電圧充電し、５分間静置した後、０．３３Ｃで２．８Ｖまで放電し、その放電エネルギーを記録し、そして以下の式に基づいて、０．３３Ｃでの放電エネルギー密度を計算し、エネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）＝放電エネルギー（Ｗｈ）／電気化学的装置の重量（ｋｇ）。

サイクル寿命試験：
試験温度は２５℃であり、各実施例と比較例で製造されたリチウムイオン電池を、０．３３Ｃで４．２５Ｖまで定電流充電し、次に０．０５Ｃまで定電圧充電し、１０分間静置した後、０．３３Ｃで２．８Ｖまで放電する。このステップで得られた容量を初回容量とし、０．３３Ｃで４．２５Ｖまで定電流充電し、４．２５Ｖで０．０５Ｃまで定電圧充電し、０．３３Ｃで２．８Ｖまで放電し、サイクル試験を行い、各ステップの容量と初回容量との比により、容量減衰曲線を得る。２５℃でサイクルして、容量維持率が８０％になるまでのサイクル数を、電池のサイクル寿命と記録する。

初回の充放電効率試験：
各実施例と比較例で製造されたリチウムイオン電池に対して、Ｎｅｗａｒｅ ＣＴ－４０００動力電池検査システムによって充放電試験を行い、リチウムイオン電池の初回の充放電効率を計算する。

初回の効率の計算方式は（Ｃ_１／Ｃ_２）×１００％であり、ここで、Ｃ_１はリチウムイオン電池の初回の充電の容量であり、充電フローとして、０．３３Ｃで電圧が４．２５Ｖになるまで定電流充電し、次に４．２５Ｖで０．０５Ｃに定電圧充電し、Ｃ_２は、リチウムイオン電池が前記フローに従って初回の充電を行った後、０．３３Ｃで電圧が２．８Ｖになるまで放電する場合の対応する容量である。

重み付けグラム容量試験：
実施例１～１２と比較例１～６における負極板の異なるコーティングの重み付けグラム容量は、以下の方式によって取得される。

負極活物質（例えば、ケイ素系材料、人造黒鉛材料）を、導電剤の電導カーボンブラック、接着剤のＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、８０：１０：１０の比率で混合し、脱イオン水を加えて撹拌して、固体含有量が５０ｗｔ％であるスラリーを形成し、ドクターブレードを利用して集電体表面に５０μｍ厚さのコーティングを塗布し、８５℃の条件で、真空干燥ボックスで１２時間乾燥した後、打ち抜き機を利用して、乾燥環境において、直径が１ｃｍであるウェハに切り、グローブボックス内において、リチウム金属板を対極とし、ＰＥ（ポリエチレン）複合膜をセパレータとして選択し、電解液を加えてボタン型電池に組み立て、充放電試験の方法によって試験されたこのような活性成分の可逆的なグラム容量を計算する。以下の式によって、第１のコーティング又は第２のコーティングの活物質の重み付けグラム容量を計算し、Ａ＝ｘ_１×ｎ_１＋ｘ_２×ｎ_２（ｍＡｈ／ｇ）。ただし、ｘ_１とｘ_２は、それぞれケイ素系材料と炭素材料の活物質における質量比であり、且つｘ_１＋ｘ_２＝１であり、ｎ_１は、ケイ素系材料の可逆的なグラム容量を表し、単位がｍＡｈ／ｇであり、ｎ_２は、人造黒鉛材料の可逆的なグラム容量を表し、単位がｍＡｈ／ｇである。

上記結果から分かるように、実施例１～１２のリチウムイオン電池の負極板は、第１のコーティングと第２のコーティングとを含み、即ち多層構造を有し、ここで、第２のコーティングの一側は集電体であり、第２のコーティングの他側は、前記第１のコーティングである。第１のコーティングと第２のコーティングにおけるケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は、本出願の範囲内にあり、リチウムイオン電池は、優れたエネルギー密度と初回のクーロン効率を有するとともに、長いサイクル寿命を兼備する。

実施例１～４から分かるように、負極板の各コーティングにおけるケイ素系材料の酸素とケイ素との元素比が確定された後、負極板におけるケイ素系材料含有量の増加に伴い、負極板の重み付けグラム容量発揮は向上し、さらにリチウムイオン電池のエネルギー密度は向上する。

実施例２、５、６、９から分かるように、負極板の各コーティングにおけるケイ素系材料の比率が相対的に一定である場合、第１のコーティングと第２のコーティングにおけるケイ素系材料の酸素とケイ素との元素モル比の増大に伴い、リチウムイオン電池は、サイクル寿命が向上し、エネルギー密度と初回のクーロン効率が下降する傾向を示すが、下降の大きさが明らかではない。

実施例１～１２からさらに分かるように、ケイ素系材料の各コーティングにおける比率を制御することによって、第１のコーティングの重み付けグラム容量Ａ_１と第２のコーティングの重み付けグラム容量Ａ_２との比のＡ_１：Ａ_２を本出願の範囲内にする場合、リチウムイオン電池に高いエネルギー密度、高い初回のクーロン効率と長いサイクル寿命を両立させることができる。

実施例１～９、１１～１２からさらに分かるように、第１のコーティングと第２のコーティングがいずれもポリアクリル酸塩系接着剤（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム）を使用する場合、ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第１のコーティングにおける含有量が前記第２のコーティングにおける含有量より小さい時、リチウムイオン電池は、より長いサイクル寿命を有する。

第１のコーティング、第２のコーティングにおける接着剤のタイプと含有量も、一般的には、リチウムイオン電池の性能に影響を与え、実施例１～１２から分かるように、接着剤のタイプと含有量を本出願の範囲内にすれば、優れたエネルギー密度と初回のクーロン効率を有するとともに、長いサイクル寿命を兼備するリチウムイオン電池を得ることができる。

これに対して、比較例１の負極板は、実施例２の第１のコーティングのスラリーと第２の活性コーティングのスラリーを均一に混合した後に塗布して得られたものであり、集電体に垂直な方向でのこの負極板のケイ素系材料のタイプと組成がいずれも同様であるため、比較例１のエネルギー密度と初回のクーロン効率は、実施例２と実質的に一致する。しかし、本出願の二重コーティング構造を有しないため、リチウムイオン電池は、サイクル過程において、集電体表面に近い、酸素とケイ素との元素比率が０．１：１であるケイ素系材料（即ち、第２の負極活物質）の可逆的な容量が迅速に減衰ため、比較例１のリチウムイオン電池のサイクル寿命が５５０サイクルのみであり、サイクル寿命が効果的に向上しておらず、多くの応用シーンにおけるリチウムイオン電池寿命に対するニーズを満たすこと困難である。

比較例２で使用された第１のコーティングと第２のコーティングにおけるケイ素系材料の酸素とケイ素との元素モル比はいずれも１：１であり、得られたリチウムイオン電池の初回のクーロン効率は７２％まで低下し、リチウムイオン電池のエネルギー密度は、２５０Ｗｈ／ｋｇのみに達することができ、負極にケイ素系材料を使用しないリチウムイオン電池に比べて、エネルギー密度は著しい優位性を持たず、高エネルギー密度が求められるシーンを満たすことが困難である。

比較例３の負極板に使用された第１のコーティングと第２のコーティングの酸素とケイ素との元素モル比は、実施例２と逆であり、得られたリチウムイオン電池は、サイクル過程において、可逆的な容量が急速に減衰し、リチウムイオン電池のサイクル寿命が２００サイクルのみであり、サイクル寿命が効果的に向上しておらず、多くの応用シーンにおけるリチウムイオン電池寿命に対するニーズを満たすこと困難である。

比較例４で使用された第１のコーティングにおけるケイ素系材料の酸素とケイ素との元素比は１．８５：１であり、得られたリチウムイオン電池は、初回のクーロン効率が非常に低く、電池のエネルギー密度が２５０Ｗｈ／ｋｇのみであり、ケイ素系材料を使用しないリチウムイオン電池に比べて、いかなる優位性もなく、高エネルギー密度が求められるシーンを満たすことが困難である。

比較例５、６における負極板の第１のコーティングの重み付けグラム容量Ａ_１と第２のコーティングの重み付けグラム容量Ａ_２との比が本出願の範囲外にあり、リチウムイオン電池のサイクル寿命の低下を引き起こす。これは、比較例５、６のリチウムイオン電池のリチウム放出吸蔵過程において、第１のコーティングと第２のコーティングとの膨張応力の差が大きく、第１のコーティングと第２のコーティングとの間の界面適合性が悪く、ないし第１のコーティングの一部の領域が第２のコーティングから脱離し、第１のコーティングにおける一部の活物質がサイクル中に導電ネットワークから脱離することを引き起こし、リチウムイオン電池のサイクル寿命に影響を与えることに起因する可能性がある。

説明すべきことは、本出願は上記実施形態に限定されない。上記実施形態は例示に過ぎず、本出願の技術案の範囲内で、技術思想と実質的に同一の構成を有し、同様な作用と効果を奏する実施形態は、いずれも本出願の技術範囲内に含まれるものとする。なお、本出願の主旨から逸脱しない範囲内で、実施の形態に対して当業者が想到し得る様々な変形を実施し、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される他の形態も、本出願の範囲内に含まれるものとする。

１第１のコーティング、２第２のコーティング、３集電体、４電池モジュール、５二次電池、１０電池パック、１１上ケース、１２下ケース、５１筐体、５２電極アセンブリ、５３蓋板。

Claims (13)

1. 負極板であって、第１のコーティングと、第２のコーティングと、集電体とを含み、前記第２のコーティングの一側は前記集電体であり、前記第２のコーティングの他側は前記第１のコーティングであり、前記第１のコーティングと前記第２のコーティングはケイ素系材料を含み、前記第１のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．５～１．５であり、前記第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．３以下である、負極板。
2. 前記第２のコーティングのケイ素系材料のＯ元素とＳｉ元素とのモル比は０．０５～０．２である、請求項１に記載の負極板。
3. 前記第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１と前記第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２との間は、０．８≦Ａ_１：Ａ_２≦１．２を満たす、請求項１又は２に記載の負極板。
4. 前記第１のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_１は、５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇであり、前記第２のコーティング活物質の重み付けグラム容量Ａ_２は、５００ｍＡｈ／ｇ～１０００ｍＡｈ／ｇである、請求項３に記載の負極板。
5. 前記ケイ素系材料の前記第１のコーティングにおける含有量は１８ｗｔ％～５５ｗｔ％であり、前記ケイ素系材料の前記第２のコーティングにおける含有量は７ｗｔ％～２１ｗｔ％である、請求項１～４のいずれか一項に記載の負極板。
6. 前記第１のコーティングは第１の接着剤を含み、前記第２のコーティングは第２の接着剤を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の負極板。
7. 前記第１の接着剤と前記第２の接着剤は、それぞれ独立してポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルキトサン及びスチレンブタジエンゴムのうちの少なくとも一つを含む、請求項６に記載の負極板。
8. 前記第１の接着剤と前記第２の接着剤は、いずれもポリアクリル酸塩系接着剤を含み、前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第１のコーティングにおける含有量は、前記第２のコーティングにおける含有量より小さい、請求項６に記載の負極板。
9. 前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第１のコーティングにおける含有量は３ｗｔ％～６ｗｔ％であり、前記ポリアクリル酸塩系接着剤の前記第２のコーティングにおける含有量は４ｗｔ％～７ｗｔ％である、請求項８に記載の負極板。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の負極板を含む、二次電池。
11. 請求項１０に記載の二次電池を含む、電池モジュール。
12. 請求項１１に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
13. 請求項１０に記載の二次電池、請求項１１に記載の電池モジュール又は請求項１２に記載の電池パックから選択される少なくとも一つを含む、電力消費装置。

Images