[發(fā)明專利]二次電池用負(fù)極及二次電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310070283.2
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN103311554A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 小國哲平;田島亮太
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社半導(dǎo)體能源研究所
• 主分類號: H01M4/70
• 分類號: H01M4/70;H01M4/04;H01M10/04
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 孫蕾

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二次電池用負(fù)極及二次電池。

背景技術(shù)

近年來，由于環(huán)境技術(shù)的增高，所以對環(huán)境的負(fù)擔(dān)比現(xiàn)有的發(fā)電方式小的發(fā)電裝置（例如，太陽光發(fā)電）的開發(fā)火熱地進行著。而且，在對發(fā)電技術(shù)進行開發(fā)的同時，也開展著鋰二次電池等二次電池、鋰離子電容器、空氣電池等蓄電裝置的開發(fā)。

尤其是對于二次電池，伴隨手機、智能手機、筆記本型個人電腦等便攜式信息終端、便攜式音樂播放機、數(shù)碼相機等電器設(shè)備、或者醫(yī)療設(shè)備或者混合動力汽車（HEV）、電動汽車（EV）或插電式混合動力汽車（PHEV）等新一代清潔能源汽車等的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，二次電池的需求量劇增，作為能夠充電的能量供應(yīng)源成為對現(xiàn)代的信息化社會的不可缺少的供應(yīng)源。尤其是，當(dāng)將二次電池用于電動汽車或冰箱等家電時，期待更高容量、更高輸出的電池。

用于二次電池的負(fù)極（二次電池用負(fù)極）通過在集電體的一個表面形成包含活性物質(zhì)的層（以下，稱為活性物質(zhì)層）來制造。在已知的技術(shù)中，作為負(fù)極活性物質(zhì)，使用能夠吸留并釋放成為載流子的離子（以下，稱為載流子離子）的材料，即黑鉛。就是說，將作為負(fù)極活性物質(zhì)的黑鉛、作為導(dǎo)電助劑的碳黑和作為粘結(jié)劑的樹脂混合形成漿料，涂敷在集電體上，使其干燥來制造負(fù)極。

與之相對，當(dāng)作為負(fù)極活性物質(zhì)使用硅或摻雜有磷的硅時，能夠吸留與碳相比4倍左右的載流子離子，相對于碳（黑鉛）負(fù)極的理論容量372mAh/g，硅負(fù)極的理論容量顯著地高至4200mAh/g。因此，從二次電池的大容量化的觀點來看是最適合的材料，目前以高容量化為目的而火熱地進行著使用硅作為負(fù)極活性物質(zhì)的二次電池的開發(fā)。

然而，當(dāng)載流子離子的吸留量增大時，伴隨充放電循環(huán)中的載流子離子的吸留釋放的體積的變化大，集電體與硅的密接性降低，充放電導(dǎo)致電池特性的劣化。再者，有時還有如下重大問題：硅變壞而剝離或微粉化，因此不能維持作為電池的功能。

于是，例如，在專利文獻(xiàn)1中，在表面粗的由銅箔等構(gòu)成的集電體上，柱狀或粉末狀形成由微晶或非晶質(zhì)的硅構(gòu)成的層作為負(fù)極活性物質(zhì)，并且在該由硅構(gòu)成的層上設(shè)置由電傳導(dǎo)性比硅低的黑鉛等碳材料構(gòu)成的層。由此，即使由硅構(gòu)成的層剝離也可以通過由黑鉛等碳材料構(gòu)成的層進行集電，所以電池特性的劣化被降低。

[專利文獻(xiàn)1]日本專利申請公開2001-283834號公報

然而，在專利文獻(xiàn)1中，不管活性物質(zhì)層是柱狀或粉末狀的哪一種的情況下，當(dāng)超過該文獻(xiàn)所記載的10次循環(huán)反復(fù)充放電時，載流子離子被活性物質(zhì)吸留及脫離，因此不能避免體積膨脹及收縮。因此，不能防止負(fù)極活性物質(zhì)層的變壞，難以維持作為電池的可靠性。

尤其是，當(dāng)將作為負(fù)極活性物質(zhì)的硅用作柱狀的結(jié)構(gòu)體時，有可能柱狀的結(jié)構(gòu)體由于反復(fù)充放電而從集電體滑落，因此循環(huán)數(shù)的增加會導(dǎo)致充放電容量及放電速度的顯著降低。這是因為：在柱狀結(jié)構(gòu)體的情況下，除了柱狀結(jié)構(gòu)的整體膨脹及收縮以外，集電體與柱狀結(jié)構(gòu)體接觸的部分局限于柱狀結(jié)構(gòu)體的底面。因此，在專利文獻(xiàn)1中，在將作為活性物質(zhì)的硅從集電體剝離這一前提下，由黑鉛構(gòu)成的層的集電。因此，從循環(huán)特性的觀點而言，該結(jié)構(gòu)在確保可靠性的方面有問題。

另外，當(dāng)通過由黑鉛構(gòu)成的層覆蓋設(shè)置在集電體上的由硅構(gòu)成的層時，由黑鉛構(gòu)成的層的厚度厚到亞微米至微米，而使電解液及由硅構(gòu)成的層之間的載流子離子的移動量降低。另一方面，在被黑鉛覆蓋的包含硅粉末的活性物質(zhì)層中，由于厚地形成有的黑鉛，所以包含在活性物質(zhì)層中的硅的含量降低。其結(jié)果是，硅與載流子離子的反應(yīng)量減少，這會導(dǎo)致充放電容量的降低，且難以進行二次電池的急速充放電。

另外，對于在專利文獻(xiàn)1中記載的活性物質(zhì)的柱狀結(jié)構(gòu)體，僅使其在集電體的粗的表面上緊貼其底部而設(shè)置，所以集電體與活性物質(zhì)的粘結(jié)強度極低。因此，柱狀結(jié)構(gòu)體由于硅的膨脹收縮而容易從集電體剝離。

發(fā)明內(nèi)容

由此，本發(fā)明的一個方式提供一種充放電容量大，能夠進行急速充放電，此外充放電所導(dǎo)致電池特性的劣化少、可靠性高的二次電池用負(fù)極及使用該負(fù)極的二次電池。

本發(fā)明的一個方式是一種二次電池用負(fù)極，包括：集電體、活性物質(zhì)層以及高分子材料層，該集電體具有在實質(zhì)上垂直方向上延伸的多個突起部、以及由與多個突起部相同的材料構(gòu)成的與多個突起物連接的基礎(chǔ)部，負(fù)極突起部包括突起部和覆蓋突起部的活性物質(zhì)層，負(fù)極基礎(chǔ)部包括基礎(chǔ)部和覆蓋基礎(chǔ)部的活性物質(zhì)層，負(fù)極突起部的包括根部的側(cè)面的一部分和負(fù)極基礎(chǔ)部的上表面被高分子材料層覆蓋。