[发明专利]含有粘土矿物的电极材料和使用该电极材料的电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有粘土矿物的电极材料。更具体地，本发明涉及一种基于所述材料总重含有5重量％范围或更少的粘土矿物的电极材料和使用该电极材料的电化学电池，在所述电极材料中粘土矿物增加了电极材料的机械强度并改善了电解质浸渍入隔板和电极的能力，以使得电极材料在倍率(rate)特性和容量保持率上呈现出改善。

背景技术

移动设备的技术发展和需求的增加导致了对作为能量来源的二次电池需求的快速增加。近年来，已经实现了二次电池作为电动车辆(EVs)和混合动力电动车辆(HEVs)的电源的应用。同样地，由于构成电池组的电池的数量和容量的增加，对电池稳定性的强烈需求得以增长。另外，当将电池安装到车辆上时，振动和外部冲击的情况增加。因此，能起到对抗外部冲击作用的电池机械强度也被认为是一个主要特性。鉴于如此趋势，大量的研究和探讨集中在能够满足各种需求的二次电池上。其中，对具有高能量密度、高放电电压和功率输出稳定性的锂二次电池的需求有所增加。

锂二次电池采用金属氧化物例如LiCoO₂作为阴极活性材料并采用碳质材料作为阳极活性材料，并且通过将多孔的聚合物隔板置于阳极和阴极之间并加入含有锂盐如LiPF₆的非水电解质而制备。充电时，锂离子从阴极活性材料离开并迁移进入阳极的碳层。相反地，放电时，锂离子从碳层离开并迁移进入阴极活性材料。此处，非水电解质作为锂离子在阳极和阴极之间迁移通过的介质。这样的锂二次电池必须在电池的工作电压范围内基本稳定并且必须具有以足够快速率转移离子的能力。

在制造锂二次电池的最后阶段，将非水电解质注入到电池中。在这时，电极很快并完全地被电解质润湿，以减少电池制造所消耗的时间和最优化电池的性能。

非质子有机溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、或2-甲基四氢呋喃，主要用作锂二次电池的非水电解质。这样的电解质是具有足以有效地溶解和离解电解质盐的极性的极性溶剂，并且同时是不具有活性氢的非质子溶剂。有时，由于在电解质内广泛的相互作用，该电解质具有高粘度和表面张力。从而，锂二次电池的非水电解质对含有聚四氟乙烯和聚偏二氟乙烯粘合剂的电极材料具有低的亲和性，并且因而，该电极材料不易被非水电解质润湿。这是无效地增加电池制造所消耗时间的主要因素之一。

尤其地，锂二次电池所用的阳极的亲油性强，因此，亲水电解质对它的润湿性不好。当进行电池的活化操作而电极却没有被电解质充分润湿的情况下，不能在阳极适当地形成固体电解质界面(SEI)膜，因此使电池的寿命特性劣化。

另外，随着对高容量电池的需求，正在开发出具有更高电极能量密度的锂二次电池。然而，能量密度的改善导致电极孔隙率的极大下降，并且因而，增加了电解质渗入到电极内的难度。当构成电极的活性材料不能充分地被电解质润湿时，就限制了迁移锂离子的通道，因此引起例如倍率特性劣化和容量降低的问题。因此，需要电解质对其具有良好润湿性的电极组分。

因此，急需能增加电解质对电极润湿性和改善稳定性，同时具有优异的电池性能的技术。

就此而论，如下描述，本发明提供了一种含有用于改善电池稳定性、并同时改善电解质润湿性的粘土矿物的电极材料。

在这一点上，还没有在电极材料中含有粘土矿物的现有技术。然而，一些采用粘土矿物作为电极活性材料或在电极活性材料上涂覆粘土矿物的技术是公知的。例如，日本特许公开公报1997-115505号公开了一种用锂传导性粘土材料覆盖正极材料表面的技术，该锂传导性粘土材料用于防止由于电解质与正极材料的接触和反应而导致产生的自放电和电解质分解。日本特许公开公报2004-296370号为一种采用层状的粘土矿物作为阳极活性材料的技术，并且公开了一种制造阳极活性材料的技术，该技术通过在粘土矿物层间注入锂离子而分隔开所述层状的粘土矿物。另外，日本专利3587935号公开了一种采用碳层压体作为阴极活性材料的技术，其是通过向层状粘土矿物例如皂石或蒙脱石内嵌入碳原子、加热处理而使聚合、和然后在500到1200℃间进行碳化过程而制备的。

然而，上述的技术仅采用膨胀的层状粘土矿物，其中粘土矿物用作阳极活性材料以改善放电特性或涂覆在阴极活性材料上以防止电解质的分解。因此，同本发明中将粘土矿物添加到电极材料中以改善电解质的润湿性有很大的不同。