TWI237417B - Electrode structure and rechargeable lithium battery using the same - Google Patents

Description

1237417 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 之鋰ί =關於鍾二次電池，特別係關於具有多孔電極 【先前技術】 電’也係將化學能轉化為雷於脖 之奶醅雷w ^ +得化马電犯之裝置，電池產品從早期 池、鎳鶴電池與錄氫電池發展到現在的鋰電池。 i取代。酸電池及鎳鎘電池因為環境污染問題漸漸被鋰電 η:目前鐘電池亦有一次”池及可充電池之分，可 機溶二次電地，與傳統電池最大區別在於使用有 機/今μ而非水溶液做為電解液。 口 =二次電池應用範圍相當廣泛，主要包括消費性電子 及=(j〇nsumer Electr〇nic Pr〇ducts)、電腦（c〇mputer) 產品（C〇_unication Products)，一般簡稱為 3c ⑽。為滿足各種產品之需要，鋰二次電池之發展方向包 •U)延長電池使用壽命；（2)增加電池容量密度； 體積要求微型化；（4 )去除容量記憶效應。 一般而言，鋰二次電池通常包括正極、負極及位於二 極極間之微孔性聚合物隔離膜。其中，正極或負極係由電 素活性材料覆蓋於一導電基材而構成。目前，大多使用碳 石二材料作為負極活性材料，如天然石墨，類石墨，焦碳， =黑’以及近來發展起來的奈米碳管材料，另外，亦 點、屬作為負極活性材料，以利用其高能量密度之優 為、。正極則大多以過渡金屬氧化物或鋰過渡金屬氧化物作 “、、’舌性材料，如氧化鈷、氧化鎳、氧化錳或氧化鋰鈷、氧 第5頁 1237417 五、發明說明（2) 化鋰鎳、氧化鋰錳。 欲提高電池容量，方法之一係增大基材之尺寸，使其 可塗覆更多電極活性材料，提高電極面積，惟，此方法直 接導致電池總體積及重量增加，不符合電池小型化、輕薄 化之發展趨勢；另一方法係發展高能量密度之新型材料， 替代現有電極活性材料。 請參閱第五圖’2003年6月24日公告之美國專利第 6，5 8 2，8 5 5號揭露一種鹼性二次電池之電極結構及其製備 方法，其包括一集電體基底201，形成於集電體基底2〇1表 面凸起之毛口 203，該毛口 203形成有通孔2〇2。電極活 材料（圖未不）塗覆於該集電體基底表面。 惟，上述電極結構僅適用於顆粒 體基底201之厚度受限於8()微米^枓，且集電 不足，易於製備或使用過程中受導致其強度可能 及其間距亦受限制，容易導致集電體=集之毛口203 者導致電極材料與集電體基底之結人強产、不=力減弱，或 過程中脫落。 。強度不夠，易於製備 有鑒於此， 電性能良好之鐘 【内容】 提供一種具有大電容量， 二次電池電極結構實為必 結合強度高且集 要0 本發明之目 且集電性能良好 本、發明之另 二次電池。 ________一·· - — 的係提供一種具有大電容量 之電極結構。 一目的係提供一 結合強度高 種具有上述電極結構名鋰 1237417

、、本發明提供一種多孔電極，其包括一集電體及一電極 陡材料’其中’該集電體包括一基底及形成於該基纖内 之複數孔隙，該複數孔隙一端開口，另一端封閉；該電極 2性材料填充於該複數孔隙内。該複數孔隙之直徑為1 Q0 不米至1 〇微来’電極活性材料有序結合於複數孔隙内。 本發明還提供一種具有該多孔電極之鋰二次電池。 與習知技術相較，本發明充分利用複數孔隙表面積大 之優點，提高電容量及集電性能；且電極活性材料可有序 t列、於孔隙内，利於鋰離子遷移；另外，孔隙尺寸小，電 極活性材料填充後不易脫離。 【實施方式】 請先參閱第一圖，本發明多孔電極結構第一實施例包 一 ·一金屬基材10，可用作集電體，其具有一底端（未標 不），自該底端向外垂直延伸之複數孔壁丨2，及形成於孔 壁12間之複數孔隙14，該複數孔隙14具有預定之孔徑大 小，其係從基材1 〇之封閉底端沿相同方向延伸，且另一端 2開口，相鄰孔隙1 4之間以孔壁丨2隔開，·奈米碳管2 2作為 負極活性材料填充於孔隙i 4内。 # /孔隙1 4之截面形狀可以為圓形、橢圓形、三角形或多 其形狀尺寸大小可根據填充物之大小及製備工藝而 =、’、形狀尺寸過大，則會使相同體積之基材可得之孔隙 置減少，使得電極表面積減少，同時於填充物之有序排 =性及結合強度不# ;尺寸過小，則不利於填充物順利填 ，且小尺寸孔隙不易製備，增加製備成本；故，孔隙ι 4

1237417 五、發明說明（4) 之形狀尺寸應100奈米至10微米為宜優選為1〇〇夺米至i 微未。孔壁12之厚度在保持一定 便ϊ =多孔隙14。孔隙“之深度 長又相同，β亥冰度應配合電池之厚度，過深 =加:不利於小型化’且製造成本增加；過淺則填充= k孔隙1 2内脫離’並使表面積減少。 、 金屬基材10係由導電性良好， 硬度之金屬製成，優選為銅及銘二種金；二=以 好，機構強度及硬度符合要求，且成本較低。 良 孔隙14可通過機構加工或化學蝕刻等方法 蝕刻法包括濕法蝕刻及幹法蝕刻，濕法蝕刻經濟、: =孔隙大小及#刻深度不易控制；相對而言，幹法 精確控制姓刻尺寸及深度。 / b 奈米碳管22可通過下列方法填充固定於孔隙i4内 二=2:分散溶於有機溶濟後，添加枯結劑形成溶膠’ ^谷膝填充於孔隙14内’最後幹燥即可，奈米碳管2 :ί Ϊ孔隙14之内’而有機溶濟及粘結劑在幹燥過程中揮 t除去’剩有隙縫以便電解液進入。 :複數孔隙“之存在，增加電積表面積，$高集電體 之集電性旎及電池電容量；孔隙丨4之徑向尺寸較了 使奈米碳管14沿孔隙14之長度方向排列，有序排列之二= 碳管14可增強鐘離子之快速遷入及遷出能力，有利於 :速充放電，m也循環壽命；另外，孔隙“之限 制，加強奈米碳管22與金屬基材10之結合強度，太米浐其 1237417 五、發明說明（5) 2 2不易由孔 請參閱 金屬基材10 極活性材料 包括複數孔 隙1 4内填充 渡金屬氧化 氧化链鎳、 徑，優選小 金屬氧 氧化物輾磨 後，填充於 金屬氧 長度方向有 用孔隙1 4之 微孔結構增 脫離。 上述多 如管狀、柱 孔徑即可。 上述多 成相應之電 組合為完整 請參閱 隙1 4中脫離。 第二圖，本發 之複數孔隙1 4 ，金屬基材1 0 壁1 2及位於孔 金屬氧化物顆 物，如氧化始 氧化鋰猛之粉 於100奈米。 化物顆粒24之 、粉碎為顆粒 孔隙1 4内，幹 化物顆粒2 4限 序排列，有利 大表面積，可 強金屬氧化物 明之多孔電極結構第二實施例， 内填充金屬氧化物顆粒24作為正 之結構與第一實施例基本相同， 壁間之孔隙“，不同之處在於孔 粒=，5亥金屬氧化物顆粒2 4係過 、乳化鎳、氧化錳或氧化鋰鈷、 體顆粒’其粒锃小於孔隙1 4之直 形成方法包括下列步驟：將金屬 ，分散於有機溶濟及添加粘結劑 燥後即可。、 制於孔隙1 4内，被迫沿孔隙1 4之 於鋰離子之遷入及遷出；充分利 提高電容量及集電、性能；另‘$卜， 顆粒2 4與基材之結合強度，不易 孔電極結構可填苯不同形狀之電極活性材料， 狀纖維、顆粒等，只需其直徑小於孔隙1 4之 孔電極結構填充不同性質之電極活性材料，構 極，配合以電解液、隔離膜及其他部件，即可 電池。 第二圖，本發明含有多孔電極之鋰二次電池包

第9頁 1237417 五、發明說明（6) 括正極2，負極6，及位於正極2與負極6間之含電解液之 離膜4。正極2與負極6之結構基本相同，分別以前述多孔 電極結構填充相應之電極活性材料而成，故，下面僅以正 極2為例作詳細說明。 該正極2包括一前述之多孔電極，其包括用作集電 =屬基材U及複數孔隙（圖未標示），相應之正極活性 才料20填充於孔隙内，孔隙之開口端靠近該隔離則，正 Π生：料2〇包括過渡金屬氧化物顆粒，其可與鐘發生電 化學反應，實現充電及放電。 王电 ”6與正極2不同之處在於填充有負極 石墨、奈米碳管等。 了寸如 請參閱第四圖，本發明含有多孔電極之鋰二 二實施例’其與第三圖之實施例基本相同，不同之=弟 於，正極2之複數孔隙（圖示標示）之 在 間,成有-活性材料層3。’該活性材料層厚度薄且且膜二 孔性，其與填充在孔隙内之電極活 ^有ς 活性材料層3。與孔隙14内之電極 ：该 長電池使用壽命。 相補充，延 上述鐘二次電池含有多孔電 多孔電極結構之優點，•高電容量=本發明 並使電極活性材料牢固結合。 ’、-之集電性能， 综上所述，本發明確已符合發明專 提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發私，依法 例，自不能以此限制本案之申; 砬锃貫施 Τ月專利粑圍。舉凡熟悉本案 1237417 五 '發明說明（7) 技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆 應涵蓋於以下申請專利範圍内。 1237417 圖式簡單說明 第一圖係本發明之多孔電極結構填充奈米碳管之示意 圖。 第二圖係本發明之多孔電極結構填充金屬氧化物之示意 圖。 第三圖係於本發明之含有多孔電極結構之鋰二次電池第 一實施例之示意圖。 第四圖係於本發明之含有多孔電極結構之鋰二次電池第 二實施例之示意圖。 第五圖係於習知技術電極結構之示意圖。 【主要元件符號說明】 正極 2 隔離膜 4 正極 6 基材 10 孔壁 12 孔隙 14 電極活性材料 20 奈米碳管 22 金屬氧化物顆粒 24 活性材料層 30

第12頁

Claims (1)

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六、申請專利範圍 一種多孔電極，其包括 一集電體；及 一電極活性材料； 其中，該集電體包栝一基底及形成於該基底内之複 數孔，該複數孔一端開口，另一端封閉；電極活性材 料填充於該複數孔内。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之多孔電極，其中該集電體 係金屬材料。 3 ·如申凊專利範圍第2項所述之多孔電極，其中該金屬材

料為銅或銘。 4 ·如申請 之孔 5. 如申請 性材 電或 6. 如申請 性材 7·如申請 性材 8·如申請 屬氧 9· 一種具 專利範圍第1項所述之多孔電極，其中該複數子 徑為100奈米至丨〇微米。 專利範圍第1項所述之多孔電極，其中該電極六 料包括正極活性材料及負極活性材料，其可於 放電過程中與鋰發生電化學反應。 專利範圍第5項所述之多孔電極，其令該電極9 料為奈米碳管。 ::範圍第5項所述之多孔電極，其中該電㈣

ΪίΓίΐ屬氧化物顆粒’其粒徑小於孔直徑 m圍第7項所述之多孔電極，其中該過渡4 化物顆粒之粒徑小於丨00奈米。 有多孔電極之裡二次電池，其包括 第一電極； 第一電極；及

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—形成於該第一電極與第二電極間之隔離膜； 其中，該第一電極包栝一集電體，其内形成一端開 π之複數孔，該開口之/端靠近該隔離膜，電極活性 材料填充於該複數孔内。 〇·如申請專利範圍第9項所述之具有多孔電極之鋰二次電 池，其中該集電體係金屬材料。 ^ 11 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之具有多孔電極之鋰二次 電池，其中該金屬材料包括銅或|呂。 1 2·如申請專利範圍第9項所述之具有多孔電極之鋰二次電 1 '也’其中該複數孔之孔牲為1 〇 0奈米至1 〇微米。 •如申請專利範圍第9項所述之具有多孔電極之鐘二次電 池，其中進一步包括一活性材料層形成於集電體盛 離膜之間。 〃 1 4·如申請專利範圍第丨3項所述之具有多孔電極之鋰二次 電池’其中該活性材料層之材料與該電極活性材料相 同〇 1 5 ·如申晴專利範圍第9項所述之具有多孔電極之鋰二次電 池’其中該第二電極包栝一第二集電體，其内形成二 端開口之複數孔，該開口之一端靠近該隔離膜，第二 電極活性材料填充於該複數孔内。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項所述之具有多孔電極之鋰二次 電池，其中進一步包括一第二活性材料層形成於該第 二集電體與隔離膜之間。 1 7.如申請專利範圍第1 6項所述之具有多孔電極之鋰二次

六、申請專利範圍 =2 ’其中該第二活性材料層之材 性材料相同。 π /、A弟 18 ·種多孔電極，其包括 電極活 一集電體；及 一電極活性材料； 其中，該集電體包括一金屬主體，其具有—封閉 底端及一相對之開口端，複數孔自該相對之開口 4向 該底端垂直延伸至一定深度；該電極活性材料填充^ 呑亥複數孔内。 ' 1 9 ·如申請專利範圍第i 8項所述之多孔電極，其中該複數 孔之孔徑為1 〇 〇奈米至1 0微米。 2 〇 ·如申請專利範圍第1 9項所遂之多孔電極，其中該複數 孔之孔徑為1 〇 〇奈米至1微米。