[發(fā)明專利]電化學元件用電極和使用該電極的電化學元件

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200880015758.5
• 申請日: 2008-05-15
• 公開（公告）號: CN101689628A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 武澤秀治;今宿昇一;長田薰;大塚隆
• 申請（專利權）人: 松下電器產業(yè)株式會社
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/70;H01G9/016;H01G9/058
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 陳建全

技術領域

本發(fā)明涉及充放電特性優(yōu)良的電化學元件，更詳細地說，涉及容 量維持率、高速率特性和低溫特性優(yōu)良的電化學元件用電極和使用該 電極的電化學元件。

背景技術

近年來，作為電化學元件，例如代表非水電解質二次電池的鋰離 子二次電池具有重量輕、且電動勢高、高能量密度這樣的特征而得以 廣泛應用。例如，作為手機和數(shù)碼相機、攝影機、筆記本電腦等種類 各式各樣的便攜式電子設備以及移動通信設備的驅動用電源，鋰離子 二次電池的需求正在擴大。

鋰離子二次電池的構成包括：由含鋰復合氧化物構成的正極、含 有鋰金屬、鋰合金或能夠嵌入和脫嵌鋰離子的負極活性物質的負極、 以及電解質。

而且近年來，已經報道了有關具有鋰離子的嵌入性、理論容量密 度超過833mAh/cm³的元素以代替從前作為負極材料使用的石墨等碳素 材料的研究。例如，作為理論容量密度超過833mAh/cm³的負極活性物 質的元素，有能夠與鋰合金化的硅(Si)、錫(Sn)、鍺(Ge)或它 們的氧化物以及合金等。在這些之中，Si粒子和氧化硅粒子等含硅粒 子由于價格便宜，因而被廣泛地進行了研究。

但是，這些元素在充電的情況下，在嵌入鋰離子時其體積增加。 例如，在負極活性物質為Si的情況下，在鋰離子被最大量嵌入的狀態(tài) 下以Li_4.4Si表示，通過從Si向Li_4.4Si發(fā)生變化，其體積增加為放電時的 4.12倍。

因此，特別在采用CVD法和濺射法等在集電體上沉積上述元素的 薄膜而形成負極活性物質的情況下，因鋰離子的嵌入和脫嵌而使負極 活性物質發(fā)生膨脹和收縮，在反復進行充放電循環(huán)的期間，存在發(fā)生 因負極活性物質和負極集電體的密合性降低所引起的剝離等的可能 性。

為解決上述問題，公開了在集電體的表面設置凹凸，在其上沉積 負極活性物質薄膜，通過侵蝕在厚度方向形成空隙的方法(例如，參 照專利文獻1)。同樣地，公開了在集電體的表面設置凹凸，形成抗蝕 劑圖案從而使該凸部位置成為開口部，在其上電沉積負極活性物質薄 膜，然后除去抗蝕劑，從而形成柱狀體的方法(例如，參照專利文獻2)。 另外，還提出了在集電體的上方配置網(wǎng)眼，通過網(wǎng)眼沉積負極活性物 質薄膜，由此使負極活性物質在相當于網(wǎng)眼的框的區(qū)域的沉積受到抑 制的方法(例如，參照專利文獻3)。

另外，還公開了在集電體的表面設置凹凸，并在其上以相對于負 極材料主面的垂直面傾斜的方式形成薄膜狀負極材料的方法(例如， 參照專利文獻4)。由此表明：因充放電的膨脹和收縮而產生的應力分 散在負極材料主面的平行方向和垂直方向上，從而可以抑制皺褶和剝 離的發(fā)生。

而且，專利文獻1至專利文獻3所示的二次電池的構成是：將負極 活性物質的薄膜形成為柱狀，在各個柱間形成空隙部，從而防止剝離 和皺褶。但是，充電開始時由于負極活性物質收縮，所以集電體的金 屬面往往經由空隙部而露出。這樣，充電時由于露出的集電體與正極 相對置，所以鋰金屬容易析出，從而成為安全性和容量降低的主要原 因。另外，為增大電池容量，如果提高柱狀負極活性物質的高度，或 減小空隙部的間隔，則特別是柱狀負極活性物質的頂端(開放側)，由 于不受集電體等所限制，因而隨著充電的進行，與集電體附近相比， 負極活性物質極大地膨脹。其結果，存在的問題是柱狀的負極活性物 質之間在頂端附近接觸，起因于互相推擠而發(fā)生集電體和負極活性物 質的剝離以及在集電體上產生皺褶。另一方面，當為了避免負極活性 物質膨脹時的接觸而擴大空隙部的間隔時，也存在鋰金屬的析出容易 發(fā)生的問題。即，在上述的二次電池中，無法實現(xiàn)防止集電體和負極 活性物質的剝離以及集電體的皺褶的發(fā)生。再者，由于在膨脹而接觸 的柱狀負極活性物質間的空隙部封入電解液，所以妨礙放電初期的鋰 離子的移動，從而特別是在高速放電(以下記為“高速率放電”)和低 溫環(huán)境下的放電特性等方面存在問題。