[发明专利]锂离子二次电池、其负极、电动工具、电动车和能量储存系统

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于锂离子二次电池的负极，包括允许嵌入和脱嵌锂离子的负极活性物质层；一种使用该负极的锂离子二次电池；以及使用该锂离子二次电池的一种电动工具(power tool)、一种电动车(electricvehicle)和一种能量储存系统(energy storage system)。 

背景技术

近年来，已经广泛使用以便携式终端等为代表的小型电子装置，并且强烈要求这些电子装置进一步减小尺寸和重量以及更长的寿命。因此，作为电源，已经开发了电池，尤其是允许获得高能量密度的小型且重量轻的二次电池。最近，已经研究了这样的二次电池不仅在小型电子装置而且在以汽车为代表的大型电子装置中的应用。 

尤其是，对于充电-放电反应利用锂离子的嵌入和脱嵌的锂离子二次电池保持巨大的前景，因为与铅酸电池或镍镉电池相比，这样的二次电池允许获得更高的能量密度。 

锂离子二次电池包括正极、负极和电解液。负极包括负极活性物质层，并且负极活性物质层包含充电-放电反应中涉及的负极活性物质。 

作为负极活性物质，广泛使用的是碳材料。然而，由于近来已经要求进一步改善电池容量，所以考虑使用硅。硅的理论容量(4199mAh/g)远远高于石墨的理论容量(372mAh/g)，所以可以预期电池容量的显著改善。 

然而，当硅用作负极活性物质时，负极活性物质发生严重溶胀和收缩而容易主要在其表面附近引起破裂。当负极活性物质破裂时，形成高反应 性新形成的表面(活性表面)而引起其表面积(反应面积)增大。因此，在新形成的表面上发生电解液的分解反应，并且电解液被消耗而在该新形成的表面上形成源于电解液的涂覆膜。相应地，作为锂离子二次电池的重要特性的循环特性和初始充放电特性容易降低。 

因此，为了改善电池特性如循环特性，已经研究了锂离子二次电池的各种构造。 

更具体地，为了改善循环特性和安全性，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2001-185127中描述的，硅和非结晶(无定形，amorphous)二氧化硅通过溅射法同时沉积。为了获得高电池容量和高安全性性能，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2002-042806中描述的，在氧化硅颗粒的表面上布置电子导电性材料层(碳材料)。为了改善高速充放电特性和循环特性，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2006-164954中描述的，负极活性物质包含硅和氧，并且被形成以在靠近负极集流体的一侧上具有更大的氧比率。为了改善循环特性，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2006-114454中公开的，负极活性物质层包含硅和氧，并被形成为在整个负极活性物质层中的平均氧含量为40at％以下并且在靠近负极集流体的一侧上的平均氧含量较大。在这种情况下，在靠近负极集流体的一侧上的平均氧含量和在远离负极集流体的一侧上的平均氧含量之间的差异在4at％以上30at％以下的范围内。 

此外，为了改善初始充放电特性等，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2009-070825中描述的，使用一种包含Si相、Si0₂和M_yO金属氧化物的纳米复合物。为了改善循环特性，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2008-282819中描述，将粉状SiO_x(0.8≤x≤1.5，其中粒径范围＝1μm～50μm)和碳质材料混合并在800℃～1600℃下烧制3～12小时。为了缩短初始充电时间，例如，如在国际公开No.WO2007/010922中描述的，使用通过Li_aSiO_x(0.5≤a-x≤1.1且0.2≤x≤1.2)表示的负极活性物质。在这种情况下，锂在包含硅和氧的活性物质前体上蒸发。为了改善充放电循环特性，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2008-251369中描述的， 控制氧化硅的组成以使在负极活性物质体中氧的量相对于硅的量的摩尔比在0.1以上1.2以下的范围内，并且在负极活性物质体和集流体之间的界面附近，氧的量相对于硅的量的摩尔比的最大值和最小值之间的差异为0.4以下。为了改善负载特性(load characteristic)，例如，如在日本未审查专利申请公开No.2008-177346中描述的，使用含锂的多孔金属氧化物(Li_xSiO：2.1≤x≤4)。