TWI253199B - Organic/inorganic composite porous layer-coated electrode and electrochemical device comprising the same - Google Patents
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Description
1253199 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關-種可以改善電化學裝置之性能及安 全性之電極,特別是有關於一種具有—塗覆層做為分離器 (sepa商)取代品之電極、製造該電極之方法、以及包 含該電極之電化學裝置。 【先前技術】 10 15 20 近來,館能技術(energy storage techn〇1〇gy)越來越受 到嘱目。電池被廣泛用作為手機、攝錄影機、筆記型電腦、 桌上型電腦及電車之能源裝置,因此引起深入的研究與開 發。其中,引起最大興趣者為電化學裳置,特別是可充電 式二次電池的發展更是嗎目的焦點。最近,在二次電^ 域中集中於研究與發展能夠增進容量密度和特定能新、 穎電極及電池。 ^ 目:所使用的二次電池中,出現於199〇年代初 鋰-w池已經使其„及能量密度高於其他採用液 解質之傳統電池(如鎳氫電池㈤_MHbattenes)、翻電、、也 (N卜Cdbattenes)、㈣電池(H2S〇4_pbbatter㈣等),因 此’鐘二次電池較有利於使用。然而,這種鐘二次電池中 f使用时機電解f會料電池爆㈣燒的安全相關問 題,且其電池製造過程複雜。 兒池女全性的評估與保證非常重要,首要考量在於 5 1253199 兒池不该因不當的操作而對使用者造成傷害。為此,電池 著火燃燒方面之安全以安全性標準嚴格地規範著。因此, 產生許多企圖解決電池安全相關問題的方法。 為避免電池之熱放射,許多方法包括使用保護電路 板使用刀離為之熱閉塞(heat occlusion)等都被建議使 m 乂曰 疋使用保護電路板在組裝電池的尺寸縮小和費用 、、倍減方面有其限制。而分離器之熱閉塞裝置在熱放射快速 時’時常沒有作用。
15 近來,有機電解質添加物的使用也被建議使用以解 左、逑問題。但疋,依據電解質添加物之安全裝置有熱值 隨充電電流或電池内電阻而變化及時間不均等缺失。此 ::二利用電池内壓阻斷電流之裝置在電池内需要一個空間 來容納之’故較不利於擁有高容量。i,上述習知安全方 法總是會伴隨著其他電池品質的降低。 、私國專利公告第〇326455、0326457及〇374〇1〇號 露塗覆無機顆粒於一陰極活性物質上之方法。然而,該b Ϊ法:Γ:改善電池的安全性,但卻有降低電池性能的缺 離子傳導性做為覆蓋齡⑽叫Μ61")之無機顆粒不具備鐘 N吋,除了上述安全問 電池還具有與目前所用分離器相關之問題。例如, 用的鋰離子電池和㈣子高分子電池採用聚稀氯根則 (Ρ咖lefln-based)分離器來防止陰陽極之間的短路。护 而’该聚料根分離器有-缺點,即因分離器材料的特性 6 1253199 如在200°C或以下聚烯氫根材料會熔解,以及加工特性如 伸展材料以控制孔洞大小及孔隙度等原因,該聚烯氫根分 離器可經由高溫加熱而收縮至其原來的大小。所以,當一 電池因内在/外在因素高溫加熱時,分離器之收縮或熔解極 5 有可能會引起陰陽極之間的短路,而造成意外如電能釋放 所引起的電池爆炸。因此,亟需提供一種在高溫時不會熱 收縮之分離器。 為解決上述聚烯氫根分離器的缺點,有許多嘗試企圖 | 開發使用無機物質做為習知分離器取代品之電極。該電解 10 質大致可分為兩種。第一種為一單一合成電解質(solid composite electrolyte),得自於混合不含鋰離子傳導性之無 機顆粒與含鋰離子傳導性之高分子。然而,眾所周知,該 合成電解質不適於做為習知分離器取代品和液體電解質, 因為該合成電解質具有比液體電解質還低之離子傳導性, 15 該無機物質與高分子之間的相抗性在兩者相互混和時很 高,該合成電解質在採用過量無機物質時因其易碎性而不 易被操控,以及難以組裝使用該合成電解質之電池。參考, ® 曰本專利早期公開第 2003-022707 號、〈Solid State Ionics〉 第 158 期,η· 3,第 275 頁(2003)、〈Journal of Power Sources〉 2t0 第 112 期,n. 1,第 209 頁(2002)、〈Electrochimica Acta> e 第 48 期,η· 14,第 2003 頁(2003)等。 第二種為一電解質,其得自於混合無機顆粒與一由高 分子及液體電解質所形成之膠態高分子電解質(gel polymer electrolyte)。參考,美國專利第 6,544,689 號、曰 7 1253199 h 本專利早期公開第2002-008724號和第1993-314995號、 PC丁專利公告第WO02/092638號和第WO00/038263號、 <JournalofElectrochemicalSociety>第 147 期,第 1251 頁 (2000)、〈Solid State Ionics〉第 159 期,η· 1,第 111 頁 5 (2003)、〈Journal of Power Sources〉第 110 期,η·1,第 38 頁(2002)、<Electrochimica Acta>第 48 期,η.3,第 227 頁 (2002)等。但是,該電解質中所使用的高分子之鍵結能力 差以致於無法使用大量無機物質。所以,無機物質之使用 > 量相較於高分子與液體電解質來說比較少,並且在液體電 10 解質的鋰離子傳導中只具有輔助功能。再者,該膠態高分 子電解質具有比液體電解質低的離子傳導性,將造成電池 性能的降低。 尤其,至今大部分嘗試發展一獨立膜形式之含無機物 質之合成電解質。然而,該電解質由於其不良機械特性如 15 膜之高易碎性而很難實際應用於電池上。 此外;美國專利第6,432,586號揭露一複合膜其包括 塗覆以二氧化矽之聚烯氫根分離器以改善其機械特性如有 Β 機/無機複合膜之易碎性。然因該薄膜仍然使用聚烯氫根分 離器,故在包括避免高溫熱收縮之安全性方面仍無法獲得 20 重大之改善。此外,德人奎阿菲斯·給塞爾紗弗特(Creavis e Gesellschaft)已研發出一種有機/無機複合分離器,其包括 表面塗敷二氧化矽(Si02)或氧化鋁(A1203)等之不織聚酯支 撐物(non-woven polyester support)。但奎阿菲斯之複合分 離器由於其不織物的特性而無法提供良好之機械特性。 8 1253199 且’因為聚醋的化學結構對電化學反應弱,故奎阿菲 複合分離器在電池的實際運用上預期將有許多=難’、之 (〈Desalination〉第 146 期,第 23 頁(2〇〇2))。 因此’需要能夠促進電化學襄置之性能與安全 離器技術研發。 刀 【發明内容】 我們發現措由直接塗覆一益機顆A ^ …钺顆粒與一以液體電解 貝膨脹高分子之混合物於一電極之夺 10 15 位灸表面所形成之一種有機、
/無機複合孔洞層可以取代習知分離哭。 A 声σσ 且,上述有機/盔 機複合孔洞層係鍵結到電極之介面 …、 ;丨面且不會造成熱收縮,也 因此可以解決前述有關習知分離 ^ 雕之問碭,而可以改盖呈 有經塗覆電極之電化學裝置之性能與安全性。 Q ^ 因此,本發明之目的在提供:_電極其具有— 無機複合孔洞層可以改善電化學裝置之性能盘安全性— 製造該電極之方法以及一包括該電極之電化學裝置。 依據本發明之一内容,在蔣I 舰機複合孔洞層形成在二 :·機顆粒及-做為連接和固定該無機=鍵SI:括 (binder p〇lymer),以及具有 .· 心烕在该無機顆粒間空隙體籍 (interstitial volumes)之微小?丨 、 (micropores)。本發明亦提佴
一包括該等電極之電化學装置。 风L 依據本發明之另一内容,在提供一電極盆 機/無機複合孔洞層形成在其 、,…、有 · r \ ^ ^ ^ ± /、 之製作方法’其步驟包 括·(a)塗覆包括電極活性物 Γ物貝之漿料於一電流收集器 9 25 1253199 (current C〇l〗ect〇r)上並將之乾燥以提供一電極;以及〇)涂 覆一無機顆粒與一鍵結高分子之混合物於步驟(a)所得之" 電極表面。 ' 以下本發明將被更詳細的描述。 5 本發明之特徵在提供一新穎的完整分離器 .(monollthlc卿⑽⑽以及電極,其具有分離器之功能而可 以防止一陰極與一陽極之電接觸以及允許離子通過而適合 作為間隔态以及具有電極之功能以實現可逆鋰插入/去 參插入(reversible 触ium intercalation/deimercalati〇n)。 1〇 、根據本發明之電極,即完整分離器及電極,係得自 =塗覆-無機顆粒與—鍵結高分子混合物在—預先形成之 電極表面而形成一有機/無機複合孔洞層。上述所形成之淹 敷層因該無機顆粒間空隙體積而具有一均句的孔洞結構: 就如冋-電極之電極活性物質顆粒所形成之孔洞結構一 有機/無機複合孔洞層之特點如下。 ⑴根據本發明形成於電極上之有機/無機複合孔洞 ::以取代白知分離器’因為其預防陰陽極間之短路並因 八孔洞結構而具電解質傳導性。 (2)習知聚烯氫根分離器因其溶點為i ,故高 ==引起熱收縮。但是,有機/無機複合孔洞層不會造成 熱收縮,因為其益機 ^ ^ ^ …、怎員粒,、有抗熱性。因此,一使用上述 ==顆粒與-鍵結高分子塗敷層之電極之電化學裝置 η而之情况如高溫、過度充電等情況下,也不會造 10 1253199 成陰陽極之間内部輛& & π + ^入 所引起之安全性降低。因此,相較 於白知%池’該電化學裝置具有優良之安全特性。 (3 )習知分離器或高分子電解質係為獨立膜e
Standmgfllm)狀,然後再以電極組裝在一起。相反地,卞 有機/無機複合塗覆層係形成於直接將之塗敷於—電極表〆 •ο 15 ^可勾扣於電極表面之孔洞,而提供該塗覆層與電 題二固之物理鍵結。因可以改善機械特性相關問 可0 ^性。此外’該電極與塗覆層之間增加之介面黏力 :以減小介面間之阻力。事實上,根據本發明之電極包括 、、機/無機複合塗覆層有機鍵結至電極活性物質。此外,該 塗敷層不會影響電極之孔洞結構,故可維持該結構。且: #塗敷層本身具有—由無機顆粒所形成之均勾孔洞結 (見圖3和圖4)。 (4)有機/無機複合孔洞層依無機顆粒之粒徑或無機 顆粒與高分子的混合比例而可控制其孔洞大小及孔隙产。 該孔洞隨後可注人並使其充滿液體電解f,因而可以^ 降低無機物顆粒間或無機顆粒與鍵結高分子之間的介面阻 力。 2 使用於該有機/無機複合孔洞層之鍵結高分子 '〇 2-起電解作用之高分子’且該高分子可以一液體電解質 ,杉脹和/或冷解日守’该電池組裝後注入之電解質可滲透至該 5分子中’而該電解f滲透其中所形成之高分子具有傳導 电解離子之月匕力。因此’根據本發明之塗覆層相較於習知 有機/無機複合電解質,可改善電化學裝置之性能。此外, 1253199 該電解質膨脹和/或電解質溶解之高分子對電解質旦有優 合性’而塗覆該高分子之電極對電解質之親合性也 故可期改善電池之性能。再者,當該高分子塗 裏旦;3石炭的陽極活性物質上時,可減少陽極之不可逆容 里’因而增加電池之總容量。 千⑹《根據先前技術習知電極和分離器運用於組裝 =化=裝置,但是本發明卻僅僅使用具有機/無機複合孔 1曰之电極其可以取代分離器。故可簡化電化學裝置之製 造程序。此外,採用習知塗覆方法 10 15 20 土復万忐所仔之塗覆層可以輕鬆 = 故該塗覆層可以是一厚度達10_或以下之 溥Μ或是一厚膜。 ‘形成在-電極表面之該有機/無機複合孔洞層在本 技藝中目前所使用之-成份係為一顆粒狀無機物質。該益 機顆粒可預防陰陽極之間的短路,而取代分離器。因此’, 無機顆粒的選擇沒有特別之限定,只要其具電化學穩定性 即可。換言之,本發明可使用之無機顆粒無特別之限定, 只要其不會氧化且/或不會在其所應用之電池之驅動電壓 (如依U/L】& 〇_5 V)範圍内縮小即可。尤其較佳為使用 具離:傳導性越高越好之無機顆粒,因為該無機顆粒可以 改善電化學裳置之離子傳導性及性能。此外,使用高密度 之無機顆粒時,它們在塗敷步驟時將難以分散並且會增加 所要製造的電池之重量。因此’較佳為無機顆粒之密度越 低越好。且’使用高介電常數(dielectdc const—之益機顆 粒時’可增加液體電解質中之電解質鹽分離度,如鐘鹽,、 12 1253199 — 因而改善電解質之離子傳導性。 基於上述理由,較佳為使用具介電常數10或更大之 無機顆粒、具鋰傳導性之無機顆粒或其混合物。 該無機顆粒其具有一介電常數10或更大之不限定例 5 子包括,鈦酸鋇(BaTi03)、 (Pb(Zr,Ti)〇3 (ρζτ))、 (PbbxLaxZtVyTiyOs (PLZT))、(PB(Mg3Nb2/3)(VPbTi〇3 (PMN-PT))、二氧化铪(hafma (Hf02))、鈦酸锶(SrTi〇3)、 二氧化錫(Sn02)、氧化鈽(Ce02)、氧化鎂(MgO)、氧化鎳 I (NiO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋅(Zn〇)、氧化锆(zr〇2)、氧化 10 釔(Y2〇3)、氧化鋁(A12〇3)、二氧化鈦(Ti〇2)或其混合物。 在此,「具鋰離子傳導性之無機顆粒」係指具鋰元素且 具傳導鋰離子但不蓄鋰能力之無機顆粒。具鋰離子傳導性 之無機顆粒因其結構之缺陷而能夠傳導並移動鋰離子,因 而能夠改善鋰離子的傳導性及電池的性能。該具鋰離子傳 15 導性之無機顆粒之不限定例子包括:磷酸鋰(lithim phosphate (Li3P〇4))、石粦酸鈦鐘(lithium titanium phosphate _ (LixTiy(P04)3, 0<x<2, 0<y<3))、磷酸鈦鋁鋰(lithium aluminum titanium phosphate (LixAlyTiz(P04)35 0<x<25 〇<y<l,0<z<3))、氧化磷酸鈦鋁鋰類玻璃((LiAlTiP)x〇y type glass (0<x<4, 0<y<13))如14氧化鋰-9氧化鋁-38氧化鈦 , -39 氧化磷(14Li20-9Al203_38Ti02-39P2〇5)、鈦酸鋰鑭 (lithium lanthanum titanate (LixLayTi035 0<x<2? 0<y<3))" 硫石粦酸鍺鐘(lithium germanium thiophosphate (LixGeyPzSw, 〇<x<4, 0<y<l,〇<z<l,〇<w<5))如 Li3.25Ge〇.25P〇.75S4、氮化 25 鐘(lithium nitrides(LixNy, 0<x<4,0<y<2))如 I^N ’ ^硫石夕 13 1253199 類玻璃(SiS2 type glass (LlxSlySz,G<x<3, Q<y<2, G<z〈句)如 Ll3P04-Li2S-SiS2、五硫化二碟類玻璃(p2S5type 伽s (LlxPySz,0<x<3, 0<y<3, 0<z<7))如 Lil Li2S p2S5 或其混合 物0 根據本發明,以具相當高介電常數之無機顆粒取代不 具反應性或具相當低介電常數之無機顆粒。义,本發明亦 提供-不曾被使用過之無機顆粒之新穎用法。上駐 .,WKzr,Tl)〇3(PZT))、(Pbi-xLaxZriyTiy〇3(pL;T))、、 10 15 20 (PB(Mg3Nb2/3)〇3_PbTi〇3 (ΡΜΝ_ρτ))、二氧化給伽驗 卿2))等,具高介電常數刚或更大。該無機顆粒還且 有壓電(Plea〇eleetneity),故t其在特錢力下被牵引或屍 縮時’ -電位會藉由電荷的結構而產生於兩個表面之間: 因此’該無機顆粒可以防止電極之間的内部短路,因而改 善電池之安全性。此外,當該具高介電常數之無機顆粒鱼 -鐘離子料性之無機顆粒互相結合時,可獲得協同效鹿 (synergic effects)。 心 雖然然機顆粒之大小沒有特別之限定,但較佳為 〇顧-1〇心’以形成具均勾厚度之塗覆層及提供合適之 孔,度。當其尺寸小於〇·_鋒時,無機顆粒之分散性 :佳’以致於無法輕易控制該有機/無機複合孔洞層之物理 ^生:當其尺寸大於10/^時,則該形成之有機/無機複 口孔洞層在相同固成分(SGlideGntem)下的厚 降低。並且,該過大之孔洞在不斷重複的= 包循%中,增加了内部短路發生的可能性。 14 1253199 一形成在私極表面之該有機/無機複合孔洞層在本技 勢中目前所使用之另-成份係為一鍵結高分子。該鍵結高 为子之玻璃轉換溫度(glass transiti〇n temperature (τ⑼越 ,越好,最佳為介於_20代至20(rc之間。如上述具低玻 =轉換溫度之鍵結高分子騎佳,因為其可以改善最後塗 设層之機械特性如易曲性和伸縮性。傲為鍵結之高分子連 接並固^無機顆粒、無機顆粒和電極活性分子表面及電極 之孔洞部分,因而預防降低最後形成之電極之機械特性。 10 15 20 具離子傳導性之鍵結高分子之使用並非-定需要。 但是’鍵結高分子具有離子傳導性時,更可改善電化學裝 =之性能。故’該鍵結高分子之介電f數越高越好。由: 電解質中鹽的分解度係根據電解f中所使用溶劑之介電常 =”所以具—南介電常數之高分子可以增加本發明所使用 电解貝中之鹽之分解度。該高分子介電常數之範圍介於1〇 至⑽(頻率1 kHz下所測得),較佳為1〇或更大。 p根據本發明’依所使用之液體電解質之種類,該鍵 ^高分子可為—溶解或膨脹高分子,或—具混合特性之高 刀子。錢解質膨脹高分子能吸收電池組裝後注人之電解 質:提供電解離子傳導性,因而改善電池性能。此外,— 電解質溶解高分子藉電池組裝後注人之液體電解質些微溶 解而形成-高黏度電解質’目而可以抑制電極活性物質斑 電解質之間的副反應,改善電池安全性。較佳為使用_電 解質溶解高分子混合以對電解質具優良親合性之電解質: 15 1253199 脹高分子。當該可以一液體電解質膨脹且/或溶解之起電解 質作用之鍵結高分子以混合型態使用時,可協同結合上述 效果以改善電池安全性並防止電池性能之降低。 再者,具一些極性群之親水性聚合物(hedrophilic 5 polymers)相較於疏水性聚合物(hedrophobic polymers)如聚 浠氫聚合物(polyolefin polymers)更適合做為一鍵結高分 子。因此,本發明可使用之高分子較佳為具一溶解度參數 (solubility parameter)17. 0 [J1/2/cm3/2]或更大,最佳為介於 | 17.0至30 [J1/2/cm3/2]之間。當一高分子之溶解度參數為 10 17 [J1/2/cm3/2]或更小時,該高分子在習知電池之電解質中 將無法充分膨脹。 除了上述功能液體電解外,根據本發明之鍵結高分子 更有一特徵在於當其以一質膨脹時會產生膠化,因而展現 一高膨脹度。因此,該高分子較佳使用量為至少1 wt%, 15 最佳為依高分子之總重量添加介於1至1000 wt%之間。 本發明可使用之鍵結高分子之非限定例子包括聚乙 _ 烯氧化物(polyethylene oxide)、聚偏敦乙稀(polyvinylidene fluoride)、聚偏氟乙稀-六氟丙稀(polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene)、聚偏氟乙稀-三氣乙浠 2'0 (polyvinylidene fluoride-trichloroethylene)、聚甲基丙稀酸曱 . 酉旨(polymethylmethacrylate)、 聚丙烯氰(polyacrylonitrile)、 聚丙稀氰-苯乙烯共聚物(polyacrylonitrile-styrene copolymer)、聚氯乙浠(polyvinyl chloride (PVC)),聚乙稀 口比 口各 ϋ定酮(polyvinylpyrrolidone)、聚乙烯乙 i旨(polyvinyl 16 1253199 acetate)、聚乙稀-乙烯乙酯共聚物(polyethylene-vinyl acetate copolymer)、白明膠(gelatin)、氰乙基三葡萄聚糖 (cyanoethylpullulan)、氰乙基聚乙基醇(cyanoethyl polyvinylalcohol)、氰乙基纖維素(cyanoethylcellulose)、氰乙 基蔗糖(cyanoethylsucrose)、三葡萄聚糖(pullulan)、纖維素乙 酯(cellulose acetate)、纖維素乙基丁酯(cellul〇se acetate butyrate)、纖維素乙基丙酯(cellulose acetate propionate)、 聚乙稀乙二醇(polyethylene glycol)、直鍊醚(glyme)、聚乙
10 15 20 烯乙二醇二甲基乙醚(polyethylene glycol dimethylether)、 羧甲基纖維素(carboxymetyl cellulose)或其混合物。 根據本發明之有機/無機複合孔洞層,其無機顆粒與 高分子之混合比例沒有特別之限定。該混合比例可依據最 後所要形成之塗覆層之厚度及結構而調整。其中,無機顆 粒與咼分子之混合比例較佳範圍為重量百分比介於 至99:1之間,最佳範圍為介於5〇:5〇至99 : 1之間。當混 合比例低於10:90日寺’該高分子將會過量而減小無機 間之空隙體積,因而減小塗覆層之孔洞大小和孔隙度,降 低電池之性能。當混合比例大於99: i時,高分子=將: 過低而減弱無機顆粒間之附著力,降低其所形成之有機/ 無機複合孔洞層之機械特性。 、 塗覆一無機顆粒與一鍵結高分子混合物所形 機/無機複合孔洞層其厚度沒有特別之限定。該厚 於電池之性能。形成於—陰極與-陽極上之各塗❹^ 可被獨立控制。根據本發明,該塗覆層較佳為厚度;^ 17 10 15 20 1253199 至1〇〇_之間,最佳為介於1至3〇"m之間,以達 電池内阻之目的。 以達減Λί、 此外,該有機/無機複合孔洞層之孔 =機《之大小而定。例如,當使用粒:為:: =)、之:機顆粒時’其所形成之孔洞大小同樣為一 質用以傳導離子。因此 曰 要因素。較佳地’根據本發明有機/無機複 。孔而層之孔洞大小與孔隙度分別係 之間及10至95%之間。 至1〇//m 根據本务明形成於一電極上之、^ 更可包括其他添加物。 ,、機钹口孔洞層 另一 4*1 極φ其具有機/無機複合孔洞層可取代一分離器之 =該電極更可包括—第二《層’其形成於 面。心子塗覆在部份或全部形成電極之電極活性物質表 法計該之第二高分子塗覆層得自於塗覆-高分子於習知方 起電解作用之古八子Γ 表“分子較佳為一 =以電麵脹且/或溶解之高分子之 因發 Μ τ透過妹本身的孔洞而滲透至電極中。 時維持2均句塗覆該高分子於電極中之活性物質上並同 間之孔ιίΐ極之基本結構。此外,因為電極活性物質顆粒 構被維持住,所以電解質可迅速滲透至電極 18 1253199 高分子薄膜可以將鋰離子 中,同時厚度為1;/111或更小之 流動率之下降程度減到最小。 ⑴根據本發明形成層::更說明。 第二高分子塗覆 柽中-極活性物質表面之 』土復增可改善一電化學 — 習知電極活性物質因外在影響如過度=是 穩定時,其可能會與—高反應電解It·料而不 據本發明,兮+技士 、生反應。但是’根
10 15 … 电極中之活性物質表面被高分子包圍… /刀子較佳為可以液體電解質膨脹且/或溶解之高分子。7 t ’在—電化學裝置«後並注人-習知電解質於苴中 日:丄該電極活性物質並非直接與該電解質接觸,而是與該 门刀子接_ ^:可大量降低該電極活性物質之反應性。如 此一來,該電極與電解質間副反應所產生之發熱量 (Calodflcvalue)就可以減低,因而大量提升電化學裝 安全性。 (2)根據本發明形成於一電極中電極活性物質表面之 第二高分子塗覆層可將一電化學裝置之性能降低減至最 小0 根據本發明,一電極先被製成然後再塗覆一高分子 20 於其表面。相反地,根據先前技術,一電極活性物質在被 , 製成一電極前就已被塗覆以一可傳導高分子或無機顆粒, 然後再使用以前述方法塗敷之電極活性物質來製作一電 極。因此,根據本發明,電極活性物質之聚集或塗覆於活 性物質上之高分子之分離並不會發生。此外,由於電極成 19 1253199 …佈與結構可確實被維持,故一電化學掌置 性如容量或性能村同時被維持。 土本特 5 10 15 20 (3)根據本發明使用於第二高分子塗覆 以-液體電解質膨脹且/或溶解。如上述,當—電解“:: ::製二過程中注入其中,該高分子可具有 性,因而將電池性能的降低減到最小。 傳& ⑷由於該可以一液體電解質膨脹且 子對電解質具有優良之親合性,所:分 亦可改善其電解質可濕潤性。因J,;:覆,分子之電極 可逆容量而增加整體的容量。 以/少一陰極之不 八子。it據先前技術,—分離器及電極可以塗覆以—高 二導層「:而Si以高分子之分離器可能成為抗鐘離子 ⑽’根據本發明’該以一液體電解質 = 目 分子只存在於電極活性物質表面上。因此,不:有::: 上之南分千子所引起之電池性能降低之相關問題。 - ▲ 一電極中互相連結之電極活性物質顆粒表面之第_ 局分子'塗覆層其所使用之高分子在選擇上 弟— 定。較佳為使用與第—有機/無機複合孔洞層鍵 二相似物理特性之高分子。只要具有上述特性 均可單獨或混合使用。 仃材科 塗覆以第二塗覆層高分子之電極活性物f顆粒 :持活性物質顆粒之間的孔洞結構。該高分子塗覆"交;土 為不與習知電極漿料中使用之鍵結劑混合,而是以 20 1253199 (independent phase)形式存在。 雖然該第二高分子塗覆層之高分子可以使用之容積 量可達電極中之孔洞皆完全充滿該高分子之含量,但是該 總量Μ依電池性能與安全性之關係、而做控制調整。此 外,咼分子之使用量可以由陰陽極獨自控制。該第二高分 子塗覆層之高分子在電極中之量依據電極活性物質之重 量,至少應為0.01 Wt%,較佳為介於〇 〇1至5〇 wt%之間。
10 15 20 做為一獨立相,塗覆於電極中電極活性物質顆粒表 面之該第二高分子塗覆層其厚度較佳為介力議i p (1腿)至10 //m之間,最佳為介於1〇疆至1〇〇_ 之間。當其厚度小於1腿時,將無法有效防止過量充電 或高溫儲存情況下電極活性物質與電極之間所產生的副反 應和放熱反應。因此,無法改善電池之安全性。各 於10㈣,該高分子要花很長的時間才能以滲:的;解 質膨脹或溶解,且其㈣子料性會降低,因而降低電池 的總性能。 包括塗覆於電極活性物質表面做為_獨立相之第二 高分子塗覆層之電極相較於不含第二塗覆層之電極可減小 其孔隙度。包括第二塗覆層之該電極孔隙度較佳為控制在 介於i 5G%之範_。電極之孔洞是電解質所殖滿 之部分。當電極孔隙度小於1%時,電極⑻與電極活性物 質(M)之比例,gp E/μ會太低,*而因鐘離子傳導性不足 而有損電池性能。當電極孔隙度高於观時,電極與 活性物質之間的副反應在過量充電或高溫儲存情況下;過 21 1253199 '度進行,因而有損電池之安全性。 此外,如前所述,第二塗覆層之高分子對電解質具有 高度親合性,故包括該第二塗覆層之電極亦因而對電解質 具有高度親合性。因此,相較於不含第二塗覆層之電極, 5 該包括第二塗覆層之電極與電解質之間的觸角(contact angle)減小,較佳為r或更大。 較佳地,根據本發明之電極具有一結構包括第二高分 子塗覆層形成於互相連結之電極活性物質顆粒表面,且第 | 一有機/無機複合孔洞層其可取代分離器形成於該電極表 10 面。因此,兩者可以共同改善電池之安全性與性能。 塗敷一無機顆粒與鍵結高分子混合物於一電極表面 之方法可以以任何熟悉該項技藝者所知之習知步驟來完 成。 根據本發明電極製作方法之一實施例,其步驟包括: 15 (a)以習知方法塗敷包括電極活性物質與隨意一鍵結劑和/ 或傳導劑之漿料於一電流收集器(current collector)上以提 供一電極;(b)溶解一鍵結高分子於一適當之有機溶劑中以 ® 提供一鍵結高分子溶液,添加無機顆粒於該溶液中並混合 之,塗敷該混合物於步驟(a)所得之電極,然後再將該被塗 20 覆的電極弄乾。 ^ 該溶劑之溶解度參數(solubility parameter)較佳為與 所使用之高分子相近且其沸點低。該溶劑可與該高分子均 勻混合且在塗覆於該高分子後仍可以輕易被移動。可以使 用之溶劑包括丙酿I (acetone)、四氫吱喃(tetrahydrofuran)、 22 1253199 二氯曱烷(methylene chloride)、氯仿(chloroform)、二甲基 曱酿胺(dimethylformamide)、N-曱基石比。客烧酮 (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP))、環己烷(CyCi〇hexane),水 及其混合物,但並不限定於此。 此外,在添加該無機顆粒至該鍵結高分子溶液後,最 好執行一研磨無機顆粒之步驟。研磨所需時間最適宜為 1-20小時。研磨過後之顆粒尺寸大小範圍較佳為介於〇〇1 至10/zm之間。習知研磨方法,較佳為一使用球磨機之方 法,可以被使用。 10 20 為了將無機顆粒與鍵結高分子混合物塗敷於預先形 成之電極上,任何熟悉該項技藝者所知之方法皆可使用。 可以使用各種製作法包括浸泡式塗佈法(dipc〇ating)、擠壓 式塗佈法(die coating)、滾筒式塗佈法(r〇n c〇ating)、刮刀 式塗佈法(comma coating)或其混合方法。 …塗覆添加無機顆粒之膠態高分子電解質之習知電極 可以猎刻意添加並萃取一塑化劑而形成孔洞結構(見圖 朴)。然而,在這種情況下,該孔洞之大小具有數個埃⑼ 且'孔隙度低。因&,使㈣習知電極之電池性能顯得很 產。相反地,以上述方法備製之電極具有一、纟士 極活性物質層及有機/盔機複人 "’、 地鍵結在-起’同時維持每-塗敷層之各個孔洞 離子被順利僂J 中之微小孔結構允許鐘 雕于被順利傳導。因此,電 (見圖丨)。 ⑨也^之降低可望被減到最小 23 5 10 15 20 1253199 、根據本發明電極製作方法之另— 塗覆在電極活性物質顆粒表面以二&歹,,-焉分子被 二塗覆層以另一步驟(c)塗覆該第: ::!覆層。該第 極活性物質顆粒表面,該步驟(C)係介心f子在電 之間。 於步驟(a)及步驟(b) 例如,在步驟(C)中,該第二塗覆層之〜 的溶劑中溶解以提供一高分子溶 円刀子在一適當 電極浸泡在該溶液中,如圖2所:"後將-預先形成之 之-八2 圖2所不。此外,該第m ίΓ:以添加並混合以習知電極漿料。 當該第二塗覆層之高分子溶解於 中之高分子含量應被控制,才不會^中日守,该溶劑 孔洞時之濃度。杏古八 c 70王/、滿電極表面 則田间刀子含置過高時,該溶液之黏性择力 “Μ子可能無法滲透人電極孔 曰加’ 面,i 在電極表 面因而在電極表面形成另一高分子層。# 表 難以控制該電極與電解質:况下’將 外形成之古八;展人丨 7汉應再者,電極表面另 成之问刀子層會引起電池性能之降低。 高分子含量過低時,在電極活 面,當 仞把 貝衣卸之该鬲分子景a 很低,以致於其不足以控制 也 然溶劑中之古八工人曰 、甩鮮貝間之反應。雖 類、溶㈣二刀-3罝可依其所使用之高分子、溶劑種 二電極孔隙度而變化,但較佳為控 ;ι π υ·ι 至 20 wt〇/〇 之間。 且,本發明提供-電化學装置其包括一陰極、 電解質’其中電極之任-極或兩極包括-有機/無機複 d洞層其包含無機顆粒和一鍵結高分子且可以取代分離 24 1253199 器,該塗覆層係形成於電極表面。 該電化學裝置包括任何產生電化學反應之裝置,其例 子包括所有一次電池(primary batteries)、二次電池 (secondary batteries)、燃料電池(fuel cells)、太陽能電池 5 (solar cells)或電容器(capacitors) 〇 在上述所得電極製作一電化學裝置之方法之一實施 例中,該電化學裝置經過一繞組或分層程序(winding or stacking process)使用具上述使用塗覆層之電極組裝成而 > 不需要習知聚烯氫根微小孔分離器,然後再注入一電解質。 10 根據本發明之電極,其係塗覆以一有機/無機複合孔 洞層,可以形成以任何熟悉該項技藝者所知之方法將電極 活性物質塗敷於一電流收集器上。特別是,陰極活性物質 可以包括任何習知電化學裝置之陰極目前所使用之習知陰 極活性物質。特別但不限定之陰極活性物質之例子包括鋰 1 5 插入物質如鋰猛氧化物(lithium manganese oxides)、鋰始氧 化物(lithium cobalt oxides)、經鎳氧化物(lithium nickel oxides)、鋰鐵氧化物(lithium iron oxides)或其氧化複合 B 物。此外,陽極活性物質可以包括任何習知電化學裝置之 陽極目前所使用之習知陽極活性物質。特別但不限定之陰 2 0 極活性物質之例子包括鋰插入物質如鋰金屬(lithium . metal)、經合金(lithium alloys )、石炭(carbon)、石油焦 (petroleum coke)、活性碳(activated carbon)、石磨(graphite) 或其他含碳物質。不限定之一陰極電流收集器之例子包括 鋁、鎳或其合成物所形成之金屬薄片。不限定之一陽極電 25 1253199 流收集器之例子包括銅、金、鎳、銅合金或其合成物所形 成之金屬薄片。 本發明可使用之電解質包括一鹽類其化學式係為 A+B_,其中A+代表一鹼性金屬陽離子其係選自於包括鋰 5 離子(Li+)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)及其化合物之族群 者,而B·代表一陰離子其係選自於包括PFV,BF4_,Cl_,Br', Γ,C10“ AsF“ CH3C〇2、CF3S〇3-,N(CF3S〇2)2·, c(cf2so2)3_及其化合物之族群者,該鹽類係溶解或分離 | 於一有機溶劑中,且該有機溶液係選自於包括碳酸丙烯酯 10 (propylene carbonate (PC))、碳酸乙烯酉旨(ethylene carbonate (EC))、石炭酸二乙酉旨diethyl carbonate (DEC),碳酸二乙酉旨 (dimethyl carbonate (DMC))、碳酸丙酯(dipropyl carbonate (DPC))、二曱亞楓(dimethyl sulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、 二曱基乙烧(dimethoxyethane)、二乙氧基乙烧 15 (diethoxyethane)、四氳吱喃(tetrahydrofuran)、N—甲基石比口客 烧酮(N-methyl-2_pyrrolidone (NMP))、碳酸乙基曱基酯 ethylmethyl carbonate(EMC),伽碼丁酸内酉旨 _ (gamma-butyrolactone (γ-butyrolactone))及其混合物之族 群者。但本發明可使用之電解質並不限定於以上之例子。 20 更特別的是,該電解質依據電化學裝置最終成品之製 β 作過程和其所想要的特性,可在其製作過程中之一適當步 驟時被注入其中。換言之,電解質可在一電化學裝置組裝 之前或其組裝之最後一步驟時被注入。 且,由於該電極係一完整分離器及電極,故不需額外 25 之分離器。但是,根據本發明塗覆一塗覆層之電極可依最 26 1253199 - 終電化學裝置產品之使用及性能而與聚稀氫根微小孔分離 器一同使用。 較佳地,上述方法所得之電化學裝置係為一鋰二次 電池,其中該鋰二次電池包括一鋰金屬二次電池(lithium 5 metal secondary battery)、链離子二次電池(lithium ion secondary battery)、經高分子二次電池(lithium polymer secondary battery)、經離子高分子二次電池(lithium ion polymer secondary battery)等。
I 10 【實施方式】 以下將提供一些較佳之實施例以便對本發明更瞭 解。該等實施例僅係為了方便說明而舉例而已,本發明所 主張之權利範圍並非僅限於該等實施例。 15 「實施例1-91 實施例1 g 塗覆有機/無機複合孔洞層之電極及包含該電極之鋰二次 電池之製作。 1-1.具有機/無機趨合孔洞層(PVdF_CTFE/Al7OQ之 20 電極 * (陽極之製作) 在做為溶劑之N-甲基础嗔烧酮 (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP))中,添力口 96wt% 之碳粉 做為一陽極活性物質,3 wt%之PVDF (聚偏氟乙烯 27 1253199 polyvinylidene fluoride)做為一鍵結物和 1 wt%之黑碳做 為一傳導劑,以形成一陽極之混合漿料。該聚料塗覆於一 厚度為10// m之銅箔(Cu foil)上做為一陽極收集器並將之 乾燥以形成一陽極。然後再壓縮該陽極。 5 (陰極之製作) 在做為溶劑之N-甲基砒喀烷酮 (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP))中,添力cr 92 wt% 之經始 複合氧化物(LiCo02)做為一陰極活性物質、4 wt%之黑 | 碳做為一傳導劑和4 wt%之PVDF (聚偏氟乙烯 10 polyvinylidene fluoride)做為一鍵結物以开》成一陰極之漿 料。該漿料塗覆於一厚度為20//m之鋁箔(A1 foil)上做為 一陰極收集器並將之乾燥以形成一陰極。然後再壓縮該陰 極0 (電極表面之塗覆)
15 聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚高分子(PVdF-CTFE polymer (polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene ^ copolymer))加入丙酮(acetone)中約5 wt%之量並在溫度為 50°C時在其中溶解約12小時或更久以形成一高分子溶 液。在上述所得之高分子溶液中添加氧化鋁(ai2o3)粉末使 20 其濃度為20 wt%。然後,該氧化鋁粉末使用球磨方式研磨 , 並分散約12小時或更久以形成漿料。漿料中氧化鋁之顆粒 大小可依球磨機中珠子顆粒之大小粒徑和球磨時間來決 定。在此實施例中,該氧化鋁被研磨成粒徑約為500 nm 以提供漿料。然後,該漿料以浸泡式塗佈法分別塗覆於陰 28 1253199 極及陽極之表面達約15 // m之厚度。 1-2.鋰二次電池 上述所得之被塗覆之陰極及陽極被組合形成一配 件,而不使用習知聚烯氫根分離器。然後,在其中注入一 ,5 液體電解質(包含1 Μ之六氟磷酸鋰(lithium hexafluorophosphate (LiPF6)之碳酸乙烯(EC)/石炭酸丙稀酯 (PC)/ 碳酸二乙基 diethyl carbonate (DEC)^ 30/20/50 (wt%))以提供一電池。 10 實施例2 重複實施例1以提供一電極其具一有機/無機複合孔 洞層(PVdF-CTFE/BaTiOy及一鋰二二欠雷池,唯鈦酸鋇 (BaTi〇3)粉末取代氧化鋁粉末做為電極表面塗覆物質中之 無機顆粒。 15 實施例3 # 重複實施例1以提供一電極其具一有機/無機複合孔 洞層fPVdF-CTFE/PMN-PT)及一鋰二次電池,唯 PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate)粉末取代氧 20 化鋁粉末做為電極表面塗覆物質中之無機顆粒。 實施例4 重複實施例1以提供一電極其具一有機/無機複合孔 洞層(PVdF-CTFE/TiO?)及一链二次電池,唯二氧化鈦 29 1253199 (Ti〇2)粉末取代氧化鋁粉末做為電極表面塗覆物質中之無 機顆粒。 實施例5 ,5 重複實施例1以提供一電極其具一有機/無機複合孔 • 洞層(PYdF-CTFE/LiT^iZO^)及一鋰二次電池,唯磷酸鋰 鈦(lithium titanium phosphate (LiTi2(P〇4)3))粉末取代氧化 在呂粉末做為電極表面塗覆物質中之無機顆粒。 10 實施例6 重複實施例1以提供一電極其具一有機/無機複合孔 洞層及一鋰二次電池,唯一厚度為2〇 # m之聚乙烯(polyethylene)分離器也在電池組裝時使用。 15 實施例7 • 包括氰 萄聚糖(Cyan〇ethvlpUllulan)在 丄舌性物只表面南分子塗霜層之形成 氰乙基二葡萄聚糖(其聚合度約為600)在溫度約為 • 3〇r下加入丙酮中溶解約1小時以提供一溶液。該高分子 ?0溶液之濃度係為1 Wt%。上述實施例中所得之陰極以 /又心式塗佈法塗覆以該氰乙基三葡萄聚糖溶液。特別是, 该陰極被次泡於該高分子溶液中約丨至3分鐘,直到孔洞 中所有的氣泡皆消失為止,然後在室溫且真空下乾燥該被 30 1253199 塗覆之陰極。 7-2. 陰極和陽極上有機/無機複合孔洞層(CTFE/A120Q之 形成 三氟氯乙烯(CTFE)高分子添加約5wt%之量至丙酮 5 中並在50°C時溶解約12小時或更久以形成一高分子溶 液。在該高分子溶液中,添加固成分20 wt%之氧化紹粉(粒 徑=300 nm )並分散於其中以提供一混合溶液。該混合溶 液以浸泡式塗佈法塗覆於上述所得之陰極與陽極表面以形 | 成一厚度約為lSyizni之塗覆層。 10 7-3.鋰二次電池之組裝 堆疊上述塗覆完成之陰極與陽極以形成一配件。然 後在其中注入一液體電解質(包含1 Μ之六氟磷酸鋰 (lithium hexafluorophosphate (LiPF6)之碳酸乙稀(EC)/ 碳 酸丙烯酯(PC)/ 碳酸二乙基酯 diethyl carbonate (DEC) = 1 5 30/20/50 (wt%))以形成一電池。 § 實施例8 重複實施例7以提供一電池,唯氰乙基聚乙基醇 (cyanoethylpolyvinyl alcohol)取代氰乙基三葡萄聚糖做為 20 一陰極活性物質之高分子塗覆劑,且鈦酸鋇(BaTi03,粒徑 = 100 nm)取代氧化紹做為陰極與陽極表面有機/無機複合 孔洞層之無機顆粒。 實施例9 31 1253199 重複貫施例7以提供一電池,唯聚曱基丙烯酸曱酯 (polymethyl methacrylate)(平均分子量=12〇,000)取代氰 乙基三葡萄聚糖做為一陰極活性物質之高分子塗覆劑,且 二氧化鈦(Ti〇2,粒徑爿00 nm)取代氧化鋁做為陰極與陽極 5 表面有機/無機複合孔洞層之無機顆粒。 [比較例1-2] > 比較例1 重複貝知例1以提供一電極及電池,唯該電極不使用 有機/無機複合孔洞層在其上卻使用習知之聚丙烯/聚乙二 醇/聚丙稀(poly propylene/polyethylene/p〇lypr〇pylene (PP/PE/PP))三層分離器來製造一電池。 15 比較例2 電池其包括高分子(氰乙基三葡萄聚糖)塗覆層之陰極、陽 極和聚烯氫根分離器 ® 重複實施例7以提供一電極及電池,唯氰乙基三葡 萄聚糖被用來形成一咼分子塗覆層在陰極活性物質上,並 ?〇 且使用一習知陽極及習知聚烯氫根(pp/PE/PP)分離器。 實驗例1電極表面評估 下列測試之操作是為解析根據本發明具一有機/無 機複合孔洞層之電極表面。 25 本測試中所使用的例子是根據實施例1所得之具一 32 !253l99 有機/無機複合孔洞層(Al2〇3/pvdF_CTFE)之電極。 之^ t使射㈣式電子顯微鏡(s E M)分析時,根據本發明 “颁現一結構’其中電極活性物質顆粒及 合孔洞層互相勾扣固定^ R U ^ 見圖3)。特料,根據本發明之 :極^其電極活性物f顆粒所形成之孔洞結構被維持 住而然機顆粒和鍵纟士其八三.^ . 由於無機顆粒間空二 U圖3和4a)。,、關係而顯示一均勾的孔洞結構 10 實驗例2電極孔隙度及收 縮評估 縮程度 根據本發明所得之電極在高溫下^估其孔隙度及 收 4 ^ W 1 所得之具—有機/無機複合孔洞層之 電極被使用。而比較例1所使用之分離器則做為一對照物。 在使用孔隙计(p〇r〇Slmeter)測量每一電極及分離器 之孔隙度後’根據本發明具_有機/無機複合孔洞層之該電 Φ 極顯不其孔隙度較習知分離器為高(見表丨)。 此外,根據實施例1至6之具一有機/無機複合孔洞 層之電極和根據比較例1之分離器各存放在高溫15(TC下 2〇 ]才以仏視其熱收縮程度。習知聚烯氳根分離器顯示- •熱收縮度,為並且在分離器製造過程中張力應用的方 向上〃、極回之熱收縮(見圖5)。另一方面,根據實施例1 至6之有機/無機複合孔洞層即使在高溫存放後仍不會收 、、很且"亥塗覆層顯不一防火特性,其甚至經酒精燈加熱 33 1253199 機/無機複合 都不會起火燃燒。可見根據實施例1至6之有 孔洞層具有優良之熱穩定性(見表ο。 [表1 ] 孔隙度(%) 實施例1 60 收縮(〇/〇) 15〇〇c,存放1小時} S---- 0 實施例2 貫施例 一 ' ~___ 實施例4 —-—~—. 實施例5 ~— -----^ 實施例 '' — 比較例 64 60 59 51 53 0 0 0 0 0 41 60 實驗例3鋰二次電池性能評估 二“、為了評估根據實施例1至6及比較例i之各個鐘二 人屯池―之性能,每—電池之電容量和c他皆被測量。 10 〇 每具有電容量760 mAh之電池在放電率〇 2c, ,^ 2C下循環。下表2顯示各個電池之放電量: 该電容量以C诚基準表示。 依據實施例]$ < > 一 ^ . 至6之母一鋰二次電池顯示其C-rate 寸14白可:匕得上依據比較例1之電池之C-rate特性(見表 、圖6(實施例D、圖7(實施例6)及圖8(實施例i和比 34 1253199 較例1))。如表2所示,倍率為lc時之電容量等同於〇.冗 日守之電谷f。2C時之電容量也顯現優良之高倍率放電特 性,以0.5C時之電容量為基準,其為9〇%或以上。 此外,每一電池的循環特性亦被決定。根據實施例工 具有一有機/無機複合孔洞層之鋰二次電池顯現出壽命長 之特性,其至少與依據比較例丨具一習知分離器之電池相 同(見圖9)。 貫施例 1 實施例 2 實施例 3 ---—, 貫施例 4 實施例 5 實施例 6 比較例 1 0.2C 756 758 757 755 758 755 759 0.5C 753 756 756 ----- 754 755 755 757 1C 741 740 740 739 741 745 2C 689 690 681 688 691 690 695 4° 一 貝驗例4 鐘二次電池之安全性評估 下列測試用以評估根據實施例1-9和比較例1-2之每 - 一鋰二次電池之安全性。 子 4-1. 過量充雷測詁 15 每一甩池在 6V/1A,6V/2A,10V/1A 及 12V/1A 之 情況下充電,然後檢驗。 k驗之後’根據比較例1中目前使用分離 35 1253199 器,電池爆炸了 (見表3和圖1〇及12)。 離器在電池過量充雷專 ΛΚ ^氣根分 ” 一八 电守會收鈿而引起電極間之短路… 私/女王性之降低。相反地,根 、 合孔洞層之每—鋰__……X月具—有機/無機複 4里 人電池在過量充雷Η主Xrw 之安全性〔目本, i里死私日守郃仍顯現出優良 性(見表3和圖11及12)。 [表3]
ii_2 ·熱箱 1〇 將每一電池存放在高溫15(TC、160°C及17〇°C下 36 1253199 一 ,、 穴阳木顯不於〒表4。 门概存放後,根據本發明實施例所得之每一電池顯 現防止起火燃燒之安全彳 、、 離哭之m 王狀Ί而根據比較例1具-習知分 離态之私池在相同條株 77 木件下口 P開始燃燒(見表4) 〇 口 ,根據本發明具一有機 、 可以取代具貧乏熱安全性 …、、设a孔洞層之電極 之安全性。 刀離為,並因而改善電池
37 10 1253199 產業利用性 w敘述可見,根據本發明形成於電極表面之有 、热機複合孔洞層可以取代習知分離器且在高溫儲存下 不會產生熱收縮。因此,兮 _ , ^ Η δ亥塗復層即使在高溫儲存時也能 防止陰%極間之内部短路 |且峪,因而改善電化學裝置之安全 性。此外,依據本發明之冷 … 主覆層具有優良之物理特性及離 專導性,_因此能夠改善電化學裝置之性能。 上述貝鈿例僅係為了方便說明而舉例而已,本發明 所主張之權利範圍自廣以由二主 μ申#專利乾圍所述為準,而非僅 限於上述實施例。 【圖式簡單說明】 供本發明之上述及其他目的、特徵與優點從以上詳細 敘述並配合圖示將更清楚: 15 20 L:係一示意圖,顯示運用於電池中之本發明之-具有- 有機/無機複合孔洞層之電極; 圖意圖’顯示本發明電極製作過程中,形成一第 一主覆層在電極活性物質表面之步驟; LIT、知r田式電子顯微鏡(Scanning Eiectr〇n Micr〇sc〇pe (SEM))所拍攝之昭片 複人… …、片_據本發明具有-有機/無機 禝口孔洞層之電極解剖圖; 二'和:/系掃瞒式電子顯微鏡(SEM)所拍攝之照片,分 :、不:明具有一第—有機/無機複合孔洞層之電極解 其中’圖4“根據本發明形成之具_塗覆層之電極 38 1253199 之照片,而圖4b係依先前技術(塑化劑萃取物用以塗敷一 膠態高分子電解質在一電極上)而形成之具—塗覆層之電 極之照片; 9 % 圖5係一照片,顯示根據實施例1(pvdF-CTFE/Ai2〇3)之第 5 一有機/無機複合孔洞層及根據比較例1之聚烯氫分離器 - 置於150°c下達一小時後之收縮比較; 圖6係一曲線圖,顯示根據實施例1中包括具有一第__七 φ 機/無機複合孔洞層之電極之鋰二次電池其充電/放電特 性; 1〇 圖7係一曲線圖,顯示根據實施例6中包括具有一第一有 機/無機複合孔洞層及聚烯氫根分離器之鋰二次電池其充 電/放電特性; 圖8係一曲線圖,顯示根據實施例1和比較例1之鐘二次 電池其高倍率放電特性(C-rate); 15 圖9係一曲線圖’顯示根據實施例1和比較例1之鐘二一欠 g 電池其循環特性; 圖10係一曲線圖,顯示根據比較例1之鐘二次電池其過量 充電測試(10V/1A)之結果; 圖11係曲線圖’顯不根據貫施例1之鐘二次電池其過量 20 充電測試(10V/1A)之結果;及 圖12係一照片,顯示在同樣條件下,根據實施例1之鋰二次 電池與根據比較例1之鋰二次電池其過量充電測試 (10V/1A)之比較結果。 39 1253199 【主要元件符號說明】
Claims (1)
1253199 至1,000%之間。
10 15
2-0 7·如申請專利範圍第1或2項所述之電極,其中每 一在第一塗覆層之鍵結高分子和在第二塗覆層之高分子係 獨自選自包含:聚乙烯氧化物(polyethylene oxide)、聚偏 氟乙稀(polyvinylidene fluoride)、聚偏氟乙稀-六氟丙稀 (polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene)、聚偏氟乙烯 -三氯乙稀(polyvinylidene fluoride-trichloroethylene)、聚甲 基丙稀酸甲酉旨(polymethylmethacrylate)、 聚丙烯氰 (polyacrylonitrile)、聚丙烯氰-苯乙稀共聚物 (polyacrylonitrile-styrene copolymer)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride (PVC))、聚乙烯°比洛°定酿I (polyvinylpyrrolidone)、 聚乙烯乙酯(polyvinyl acetate)、聚乙烯-乙烯乙酯共聚物 (polyethylene-vinyl acetate copolymer)、白明膠(gelatin)、 氰乙基三葡萄聚糖(cyanoethylpullulan)、氰乙基聚乙基醇 (cyanoethyl polyvinylalcohol)、氰乙基纖維素 (cyanoethylcellulose)、氰乙基蔑糖(cyanoethylsucrose)、 三葡萄聚糖(pullulan)、纖維素乙酉旨(cellulose acetate)、纖 維素乙基丁酯(cellulose acetate butyrate )、纖維素乙基 丙醋(cellulose acetate propionate)、聚乙稀乙二醇 (polyethylene glycol)、直鏈醚(glyme)、聚乙烯乙二醇二甲 基乙醚(polyethylene glycol dimethylether)和魏甲基纖維 素(carboxymetyl cellulose)之至少一者。 8.如申請專利範圍第2項所述之電極,其中該第二 塗覆層包括含量介於0.01 wt%至50 wt%之高分子,其係 42 1253199 以電極活性物質之1 〇〇 Wt%為基準。 9 ·如申請專利範圍第2項所述之電極,其中形成於 第二塗覆層之該高分子層具有一厚度介於0.001至10# m之間。 5 1〇·如申請專利範圍第1項所述之電極,其中該無機 顆粒係選自包括:(a)無機顆粒其具一介電常數1 〇或更 大;和(b)無機顆粒其具鋰離子傳導性之至少一者。 11. 如申請專利範圍第1〇項所述之電極,其中該具有 | 一介電常數10或更大之無機顆粒,其係選自包括:鈦酸鋇 10 (BaTi03) > (Pb(Zr?Ti)〇3 (PZT)) > (Pb1.xLaxZr1_yTiy03 (PLZT))、(PB(Mg3Nb2/3)03-PbTi03 (PMN-PT))、二氧化铪 (hafnia (Hf02))、鈦酸锶(SrTi03)、二氧化錫(Sn02)、氧化 鈽(Ce02)、氧化鎂(MgO)、氧化鎳(NiO)、氧化鈣(CaO)、氧 化鋅(ZnO)、氧化锆(Zr02)、氧化釔(Y2〇3)、氧化鋁(A1203)、 15 二氧化鈦(Ti02)之至少一者。 12. 如申請專利範圍第10項所述之電極,其中該具 鋰離子傳導性之無機顆粒,其係選自包括:磷酸鋰(lithim φ phosphate (Li3P04))、磷酸鈦鋰(lithium titanium phosphate (LixTiy(P04)3, 0<x<2, 0<y<3))、磷酸鈦鋁鋰(lithium 20 aluminum titanium phosphate (LixAlyTiz(P〇4)3,0<x<2, . 0<y<l,0<z<3))、氧化磷酸鈦鋁鋰類玻璃((LiA1TiP)x〇y type glass (0<x<4,0<y<13)、欽酸裡鍤 1(Hthium lanthanum titanate (LixLayTi03, 0<x<2, 0<y<3))、硫磷酸鍺鋰(llthlum germanium thiophosphate (LixGeyPzSw,0<x<4,CKy ^ 25 〇<z<l,0<w<5))、氮化裡(lithium nitricies(LixNy,〇 x 43 1253199 〇<y<2》、二硫矽類玻璃(SiS2 type glass (LixSiySz,0<χ<3, y 2, 〇<z<4))及五硫化二攝類玻璃(p2s5 type giaSs (LixPySz,〇<x<3, 0<y<3, 〇<z<7))之至少一者。 13.如申請專利範圍第1項所述之電極,其中該無機 5 顆粒具有一粒徑介於0.001至10//m之間。 14 ·如申睛專利範圍第1項所述之電極,其中該第一 塗覆層具有一厚度介於1至100/z m之間。 15. 如申請專利範圍第1項所述之電極,其中該形成 I 於第一塗覆層上之孔洞大小範圍介於0.001至10//m之 10 間。 16. 如申請專利範圍第1項所述之電極,其中該第一 塗覆層具有一孔隙度介於1〇至95%之間。 17. 如申請專利範圍第1項所述之電極,其中該無機 顆粒與鍵結高分子在第一塗覆層上之混合比例介於1〇 : 9〇 1 5 至99 : 1重量百分比之間。 18·如申請專利範圍第1項所述之電極,其包括一陽 φ 極活性物質或一陰極活性物質鍵結至一電流收集器上,其 中該陰極活性物質係選自包括:鋰錳氧化物(lithium manganese oxides)、鋰鈷氧化物(lithium cobalt oxides)、鋰 20 鎳氧化物(lithium nickel oxides)、鋰鐵氧化物(lithium iron ' oxides)之至少一者,而該陽極活性物質係選自包括链金屬 (lithium metal)、鐘合金(lithium alloys)、石炭(carbon)、 石油焦(petroleum coke)、活性複(activated carbon)、石磨 (graphite)和金屬氧化物之至少一者。 44
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