[发明专利]锂电池和可再充电锂电池中用的电极

说明书

技术领域

本发明涉及在锂电池中使用的一种新颖的电极、利用该电极的锂电池以及可再充电锂电池。

背景技术

近来，加强研究和发展可再充电锂电池的电池性能，诸如，充电—放电电压、循环寿命特性或蓄电特性，大多与所使用的电极有关。这已经导致试图通过改进电极活性材料来得到较佳电池性能。

使用金属锂作为负活性材料虽然可能构成具有每单位重量和容积的高能量密度的电池，但是存在一个问题，即，在充电时沉积的锂会生成枝状晶体，它可能导致内部短路。

报导一些可再充电锂电池(Solid State Ionics，113-115，p57(1998))，该电池使用铝、硅锡等构成的电极，在充电时，与锂通过电化学混合。尤其，硅电极提供特别高的理论容量，有希望作为高容量负电极。为了这个原因，推荐使用硅作为负电极的各种可再充电锂电池(日本专利公开：平10-255768号)。然而，这种混合物负电极由于作为电极活性材料的混合物本身在充电和放电时变成粉末而降低了电流收集能力，不能提供足够的循环特性。

本发明的揭示

本发明的目的是提供一种新颖的电极，当把它作为可再充电锂电池的电极使用时，它可以提供高的充电—放电容量以及优良的充电—放电循环特性；还提供使用新颖电极的锂电池和可再充电锂电池。

本发明是在锂电池中使用的一种电极，它具有由能够存储和释放锂的活性材料构成并在集电器上提供的薄膜。其特征在于，集电器具有0.01μm或更大的表面粗糙度Ra。

根据本发明，在具有0.01μm或更大的表面粗糙度Ra的集电器上形成的活性材料薄膜在薄膜和集电器之间的界面增加接触面积，因此改进了它们之间的粘合。这样，防止薄膜从集电器脱落，结果获得优良的充电—放电循环特性。

在本发明中，集电器的表面粗糙度Ra在0.01-1μm的范围内较佳，最好是在0.05-0.5μm的范围内。最好，集电器的表面粗糙度Ra大致与将在下面描述的电解铜箔的表面粗糙度Ra可比拟。相应地，集电器的表面粗糙度Ra是0.1μm或较佳，更好的是在0.1-1μm的范围内。例如，在日本工业标准(JIS B 0601-1994)中规定的表面粗糙度Ra例如可以通过表面粗糙度计测量。

下面将描述，在具有凹凸不平的集电器上形成的薄膜导致在薄膜的表面上提供相应的凹凸不平。相应地，可以使活性薄膜表面上的凹凸不平的幅度随所使用的集电器的表面粗糙度Ra而变化。下面将描述，在以薄膜的厚度方向上延伸的方式在薄膜上形成间隙而把薄膜分割成柱的情况下，可以形成以从薄膜表面上的凹凸不平的凹陷处开始的这种间隙。因此通过调节在薄膜表面上的凹凸不平的幅度可以控制薄膜的柱状部分的大小、形状等。

在本发明中，最好集电器的表面粗糙度Ra满足关系式Ra≤t，其中，t是活性材料薄膜的厚度。还最好，集电器的表面粗糙度Ra和分布的局部峰的平均间隔S满足关系式100Ra≥S。例如，在日本工业标准(JIS B 0601-1994)中规定的分布的局部峰的平均间隔S可以通过表面粗糙度计测量。合适地调整分布的局部峰的平均间隔S可以控制薄膜的柱状部分的平面区域的大小等，类似于上述表面粗糙度Ra的情况。

例如，在集电器表面上的凸出部分的形状不作出特别规定，但是最好是锥形的。

在本发明中，最好把集电器成份扩散到薄膜中。集电器成份在薄膜中的扩散改进了薄膜和集电器之间的粘合性，以致以更有效的方式防止薄膜从集电器脱落。相应地，导致更优良的充电—放电循环特性。

在薄膜由能够与锂形成混合物的活性材料构成，而集电器由不能够与锂形成混合物的材料构成的情况下，在存储和释放锂期间，集电器成份的扩散使集电器附近的薄膜部分的膨胀和收缩减小。相应地，可以使薄膜保持与集电器的较佳粘合。

最好，薄膜中的集电器成份的浓度在集电器附近较高，而在接近薄膜表面位置处较低。由于存在这种浓度梯度，薄膜在集电器附近经受较小的膨胀和收缩，以致可以使薄膜保持与集电器的粘合，并允许薄膜表面附近包含较大量的活性材料，以致可以保持高的充电—放电容量。

最好，当扩散到薄膜中时，集电器成份与薄膜的成份形成固溶体来代替金属间化合物。这里所使用的金属间化合物是指一种化合物，它具有通过按特定比例的金属混合物形成的特定的结晶结构。代替金属间化合物的薄膜成份和集电器成份的固溶体的形成改进了薄膜和集电器之间的粘合性，其结果是获得增加的充电—放电容量。

在本发明中，不特别规定集电器成份扩散到薄膜区域中的厚度，但是最好可以是1μm或更大。