[發明專利]負極和鋰離子二次電池

無效

• 申請號: 200910149297.7
• 申請日: 2009-06-12
• 公開（公告）號: CN101572300A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 柏木克巨;宇賀治正彌
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/64;H01M4/36;H01M10/36;H01M10/40
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 周 欣;陳建全

技術領域

本發明涉及負極和鋰離子二次電池。更詳細地說，本發明主要涉及負極的改良。

背景技術

鋰二次電池由于具有高容量及高能量密度，容易進行小型化及輕量化，因此被廣泛用作便攜式電子設備的電源。作為攜帶式小型電子設備，有便攜式電話、便攜式信息終端(PDA)、筆記本型個人計算機、攝像機、便攜式游戲機等。在代表性的鋰離子二次電池中，使用含有鋰鈷化合物作為正極活性物質的正極、聚烯烴制多孔質膜即隔膜、和含有石墨等碳材料作為負極活性物質的負極。

最近，隨著便攜式小型電子設備的多功能化的進展，其電力消費量也在增大。與此相伴，對鋰離子二次電池也要求進一步的高容量化和高輸出功率化。因此，例如一直在進行高容量的負極活性物質的開發。在高容量的負極活性物質中，注目于合金系負極活性物質。合金系負極活性物質是通過與鋰的合金化而嵌入鋰、并在負極電位下嵌入和脫嵌鋰的物質。作為合金系負極活性物質，有硅、錫、它們的氧化物、含有它們的化合物或合金等。由于合金系負極活性物質具有高的放電容量，所以對鋰離子二次電池的高容量化是有效的。例如，硅的理論放電容量大約為4199mAh/g，是石墨的理論放電容量的大約11倍。

合金系負極活性物質伴隨著鋰的嵌入和脫嵌，重復進行比較大的體積變化(膨脹和收縮)，此時產生大的應力。因此，在使用合金系負極活性物質的鋰離子二次電池中，如果增加充放電的次數，則通過合金系負極活性物質的體積變化，容易產生負極集電體乃至負極整體的變形、翹曲等。另外，負極活性物質層容易從負極集電體上發生部分的剝離。其結果是，電池的充放電循環特性降低，電池的耐用壽命縮短。

鑒于這樣的問題，日本特開2002-313319號公報(以下稱為專利文獻1)中提出了下述負極：使金屬粒子粘附在金屬箔的表面而形成凸部，在該凸部上形成有柱狀體。上述柱狀體含有合金系負極活性物質，其截面徑離金屬箔越遠變得越大。所謂截面徑，是柱狀體的垂直于軸線方向的截面的直徑。另外，在一個柱狀體和與其相鄰的柱狀體之間，在靠近金屬箔表面的部分形成有空隙。

專利文獻1的負極中，由于通過電解沉積法使金屬粒子粘附在金屬箔的表面，因此金屬粒子與金屬箔的粘附強度較低。因此，通過伴隨著合金系負極活性物質的體積變化而產生的應力，金屬粒子容易從金屬箔上剝離。另外，由于粘附在金屬箔表面的金屬粒子的形狀和大小不均勻，因此金屬粒子與柱狀體的粘附強度變得不均勻。另外，在柱狀體的遠離金屬箔的部分，柱狀體彼此接觸。因此，即使柱狀體間存在上述空隙，也不能充分緩和伴隨著合金系負極活性物質的體積變化而產生的應力，柱狀體容易從金屬粒子上剝離。因此，含有專利文獻1的負極的鋰離子二次電池不能經過長時期而維持高水平的充放電循環特性。

日本特開2005-196970號公報(以下稱為專利文獻2)中提出了下述負極，該負極含有表面平均粗糙度Ra為0.01～1μm的金屬箔、和在金屬箔的表面形成的且含有合金系負極活性物質的多個柱狀體。柱狀體是以其軸線相對于垂直于金屬箔表面的方向而傾斜的方式形成的。專利文獻2的負極中，由于柱狀體是傾斜地形成的，所以與正極相對置的柱狀體的面積變大。其結果是，正極活性物質和負極活性物質的利用率得以提高，電池的容量維持率被改善，從這點上來說，專利文獻2的負極比專利文獻1的負極優越。但是，在專利文獻2中，柱狀體也彼此接觸。因此不能充分緩和伴隨著合金系負極活性物質的體積變化而產生的應力，柱狀體容易從金屬粒子上剝離。

日本特開2007-323990號公報(以下稱為專利文獻3)中提出了下述負極，該負極含有在表面規則地形成有多個凹槽的金屬箔、和在由金屬箔表面的凹槽圍成的區域中形成的柱狀體。在專利文獻3中，由金屬箔表面的凹槽圍成的區域相當于凸部。柱狀體含有合金系負極活性物質，其軸線相對于垂直于金屬箔表面的方向而傾斜。一個柱狀體和與其相鄰的柱狀體相互隔開地形成。專利文獻3的負極與專利文獻1的負極相比，能顯著抑制伴隨著合金系負極活性物質的體積變化而產生的變形等，柱狀體從金屬箔上的剝離也較少，但還存在進一步改善的余地。

發明內容

本發明的目的是提供一種變形及活性物質層的剝離顯著變少、集電性能夠維持在高水平的負極，以及一種電池容量及能量密度高、充放電循環特性優良、經過長時期能夠穩定地持續高輸出功率的鋰離子二次電池。