[發明專利]用于二次電池的正極和二次電池

在審

• 申請號: 201080033206.4
• 申請日: 2010-07-21
• 公開（公告）號: CN102473920A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發明（設計）人: 渡邊美樹男
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/131;H01M4/136;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58;H01M10/052;H01M10/0566
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 李丙林;張英

技術領域

本發明涉及一種用于二次電池的正極以及使用其的二次電池，所述正極具有正極活性物質層，所述正極活性物質層包含正極活性物質和正極導電劑。

背景技術

近來，便攜式電子裝置如攝像機、數碼相機、移動電話和膝上型計算機廣泛普及，從而導致對于具有小尺寸、輕重量和長壽命的這些電子裝置的強烈需求。因此，正在進行作為電源的電池，特別是能夠實現高能量密度的小且輕重量的二次電池的開發。

特別地，對二次電池如將鋰離子的吸藏(嵌入)和放出(脫嵌)用于充放電反應的鋰離子二次電池以及利用鋰金屬的析出和溶解的鋰金屬二次電池的期望非常高。一個原因是，這些使得可以實現比通過鉛酸電池和鎳鎘電池實現的能量密度更高的能量密度。

近年來，輕重量和能量密度高的優點適合于在車輛如電動車輛和混合動力車輛中的應用，由此也在積極進行以更大尺寸和更高功率的二次電池為目標的研究活動。

二次電池包括正極和負極以及電解液。正極具有在正極集電體上的正極活性物質層。正極活性物質層包含有助于充放電反應的正極活性物質。

將鋰鈷基復合氧化物如鋰鈷氧化物(LiCoO₂)廣泛用作正極活性物質。然而，其在諸如價格和供電方面具有劣勢。因此，也使用價格低且供電不穩定性低的鋰錳基復合氧化物。

特別地，具有尖晶石結構且基于鋰金屬的工作電壓為約4V的錳酸鋰(LiMn₂O₄)成本低且安全性優異，由此在諸如電動工具應用的應用中逐漸付諸實際使用。而且，對于在車輛中的應用的期望也高。

另一方面，為了實現甚至更高的能量密度，正在研究具有尖晶石結構且基于鋰金屬的工作電壓為約4.5V以上的高壓操作(運行)型的鋰錳基復合氧化物。所述鋰錳基復合氧化物可以為如下復合氧化物，其除了錳之外，還具有其他過渡金屬元素，且其通式由LiM_xMn_2-xO₄(其中M是除了錳之外的過渡金屬元素中的至少一種，且x是0＜x≤1)表示。所述鋰錳基復合氧化物使得可以以與正常相比更高的電壓進行充放電反應，從而導致更高的能量密度。而且，具有尖晶石結構使得即使在高溫下也幾乎不可能釋放氧。由此，可以同時實現高能量密度和高安全性兩者。

順便提及，當將導電性低于金屬的氧化物用作正極活性物質時，將所述氧化物與導電性高的正極導電劑如碳材料混合。通常，在這種情況下，除了粘結劑如聚合物材料之外，還將正極活性物質和正極導電劑分散在如溶劑中以提供漿料，之后將所得物涂布在正極集電體上以形成正極活性物質層。

將諸如無定形碳材料和結晶性碳材料的材料用作根據需要混合的正極導電劑。在無定形碳材料的情況下，當比表面積增大時，由于顆粒之間的接觸面積增大，所以導電性傾向于變高。另一方面，在結晶性碳材料的情況下，當結晶性變高時導電性傾向于變高。

對于其中將碳材料用作正極導電劑的具體實例已經提出了各種提議。例如，將炭黑和黑鉛組合用作正極導電劑以便改善諸如保存性能的性能(例如，參見專利文獻1)。為了改善高溫環境下的充放電循環特性，將5V等級的鋰錳復合氧化物用作正極活性物質，并將乙炔黑和黑鉛用作正極導電劑(例如，參見專利文獻2)。為了改善高溫循環特性，將對鋰金屬電位的惰性電位(noble?potential)高于4.4V的鋰錳復合氧化物用作正極活性物質，并將其中晶格面(002)的面間距在0.344nm以上至0.352nm以下之間的碳材料用作正極導電劑(例如，參見專利文獻3)。順便提及，除了碳材料之外，還可以將金屬氮化物或金屬氧化物用作正極導電劑(例如，參見專利文獻4)。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本未審查專利申請公開號H11-283628

專利文獻2：日本未審查專利申請公開號2003-257482

專利文獻3：日本未審查專利申請公開號2006-066341

專利文獻4：日本未審查專利申請公開號2003-142101

發明內容

過去，正極活性物質的工作電壓基于鋰金屬為4.3V以下，由此用作正極導電劑的碳材料在充電期間是電化學惰性的。