[发明专利]电极材料、电极结构及具有该电极结构的二次电池

说明书

本分案申请是基于申请号为200480007945.0(国际申请号为PCT/JP2004/004071)，申请日为2004年3月24日，发明名称为“用于锂二次电池的电极材料和具有该电极材料的电极结构”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于锂二次电池的包括硅作为主要成分的电极材料、具有这种电极材料的电极结构和具有这种电极结构的二次电池。

背景技术

最近，据说因为在空气中包含的CO₂的量增加，由于温室效应导致全球变暖。火力发电厂使用化石燃料将热能转换为电能，然而它们排放了大量的CO₂气体，由此进一步使得建造这种热力发电厂困难。因此，为有效地使用在热力发电厂中产生的电能，已经提出了负载均衡法，在这种方法中在夜晚产生的过剩的电能可以存储在家用二次电池中，由此在电能消耗增加的白天可以使用所存储的电能。

此外，对于不排放气体污染物比如CO_x、NO_x和碳氢化物的电车，一直需要一种高能密度的二次电池。此外，对于在便携式电器设备比如书本大小的计算机、摄像机、数字照相机、移动电话和PDA(个人数字助理)中的应用，急需要一种紧凑、轻便、高性能的二次电池。

作为轻便、紧凑的二次电池，已经提出了被称为“锂二次电池”的摇椅型电池，这种锂二次电池在充电反应中使用以石墨为代表的含碳材料作为允许锂离子插入在由碳原子形成的6构件网络结构的平面层之间的负电极物质并使用锂插入化合物作为允许锂离子从层之间去插入的正电极物质。

然而，应用这种“锂二次电池”，因为由含碳材料形成的负电极仅仅在理论上每碳原子可插入最大1/6的锂原子，因此还没有实现在使用金属锂作为负电极材料的与锂原电池相当的高能量密度的二次电池。

然而，在充电的过程中，如果高于锂的理论量的量试图插入在包括“锂二次电池”的碳的负电极上或者在高电流条件下执行充电，则枝晶状的锂金属在碳负电极表面上形成，可能最终在重复的充电/放电循环中在负电极和正电极之间导致内部短路。具有高于石墨负电极的理论容量的容量的“锂二次电池”没有足够的循环生命周期。

在另一方面，使用用于负电极的金属锂的高容量锂二次电池作为具有高能量密度但实际还没有使用的二次电池已经引起了人们的注意。

这是因为充电/放电循环周期非常短。这种较短的充电/放电循环周期主要是因为金属锂与杂质比如水或在电解质中包含的有机溶剂反应以在电极上形成绝缘膜，并且金属锂的箔片表面具有不规则的表面，其中存在电场聚集的部分，因此重复的充电和放电使锂呈现枝晶状，导致了在负和正电极之间的内部短路，由此导致了电池寿命的结束。

为了控制该问题的这种反应(其中金属锂与使用金属锂负电极的二次电池的在电解质中包含的水和有机溶剂反应)，人们已经提出了使用由锂和铝构成的锂合金作为负电极的方法。

然而，这种锂合金没有被广泛地用于实践，因为锂合金太难以缠绕成螺旋形式，因此不能制造螺旋缠绕型的圆柱型电池，因为充电/放电周期的寿命没有充分增加，以及因为使用负电极的锂合金的电池没有与使用金属锂的电池相当的足够的能量密度。

因此，为了解决这些问题，美国专利US6,051,340、美国专利US5,795,679、美国专利US6,432,585、日本专利申请公开No.H11-283627、日本专利申请公开No.2000-311681和国际公开WO00/17949已经提出了一种使用包括元素锡或硅的负电极的二次电池。

美国专利US6,051,340公开了一种使用负电极的锂二次电池，该负电极包括由在不与锂合金的金属材料的电流收集器上的与钛合金的金属比如硅或锡和不与锂合金的金属比如镍或锡形成的电极层。

美国专利US5,795,679公开了使用由与元素比如镍或铜合金的元素比如锡的金属粉末形成的负电极的锂二次电池。美国专利US6,432,585公开了一种二次电池，其中电极材料层包含重量占35％或更多的具有0.5至60微米的平均颗粒直径的硅或锡的粉末，并且使用具有0.10至0.86的孔隙比和1.00至6.56g/cm³的密度的负电极。