鋰電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及使用了包含離子液體和裡鹽的非水電解質(zhì)的裡電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境問題正受到越來越多地關(guān)注，并且積極進(jìn)行了對(duì)用于將（例如）太陽能和風(fēng) 能等清潔能源轉(zhuǎn)化為電力并儲(chǔ)存為電能的系統(tǒng)的開發(fā)。關(guān)于運(yùn)種蓄電裝置，例如，已知研究 了裡二次電池（金屬裡二次電池、裡離子二次電池等）和電容器（雙電層電容器、裡離子電 容器等）。同時(shí)，隨著各種設(shè)備的高功能化，一次電池（例如，裡一次電池）的使用范圍也有 所增加。
[0003] 常規(guī)裡電池包括正極、負(fù)極、插入運(yùn)些電極之間的隔板W及裡離子導(dǎo)電性有機(jī)電 解液。關(guān)于有機(jī)電解液，已使用包含有機(jī)溶劑（例如碳酸醋）和作為支持電解質(zhì)的裡鹽的溶 液。在裡二次電池中，在充電過程中，枝狀裡金屬易于在負(fù)極析出，并引發(fā)內(nèi)部短路等。此 夕F，析出的裡金屬具有十分高的反應(yīng)性，另外，有機(jī)溶劑展示出高的可燃性和揮發(fā)性。因此， 存在如何確保安全性的問題。
[0004] 然后，還研究了使用離子液體的非水電解質(zhì)在裡電池中的應(yīng)用。離子液體是指由 陽離子和陰離子構(gòu)成且在烙融狀態(tài)下具有流動(dòng)性的鹽，與碳酸醋等用于非水電解質(zhì)的常規(guī) 非水溶劑（或有機(jī)溶劑）相比，離子液體具有低揮發(fā)性和低可燃性。因此，在可將離子液體 用作非水溶劑的情況下，易于確保裡電池的安全性。
[0005] 例如，專利文獻(xiàn)1提出了一種裡二次電池，其包括正極、包含Si-C復(fù)合物作為負(fù)極 活性材料的負(fù)極、和包含作為非水溶劑的離子液體和裡鹽的非水電解質(zhì)。
[0006] 引用列表
[0007] 專利文獻(xiàn)
[0008] 專利文獻(xiàn)1 :日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2010-97922

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引技術(shù)問題
[0010] 與儀氨電池和電容器相比，裡二次電池具有高容量，但是在汽車應(yīng)用等方面需要 容量進(jìn)一步增加。同樣地，隨著設(shè)備的高性能化，需要裡一次電池具有更高的容量。對(duì)于裡 電池而言，從提高容量的角度考慮，使用電極組來形成電池，該電極組是是通過使用片狀電 極獲得的：其中，在片狀集電體的表面上形成含有活性材料的層作為正極和負(fù)極，在將片狀 隔板插入正極和負(fù)極之間的同時(shí)，將多個(gè)層卷繞或者層疊。在專利文獻(xiàn)1中也公開了通過 使用運(yùn)種片狀電極而形成的電池。
[0011] 在片狀電極的厚度較大的情況下，片狀電極的厚度為約200ym。如果從增加輸出 的觀點(diǎn)考慮使正極和負(fù)極的相對(duì)面積最大化，則有必要隨之增加隔板的面積。目P，在運(yùn)種電 池中，由隔板構(gòu)成的體積無助于增加電池電容，并且其是能量密度降低的原因之一。
[0012] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有更高的能量密度的裡電池。
[001引解決問題的手段
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)方面設(shè)及一種裡電池，其包括正極、負(fù)極、插入正極和負(fù)極之間的隔 板W及非水電解質(zhì)，其中正極包括具有=維網(wǎng)狀中空骨架的金屬正極集電體和正極混合 物，該正極混合物填充在正極集電體中并且包含正極活性材料，并且正極的厚度為0. 2mm 至5mm，非水電解質(zhì)包含離子液體和裡鹽，離子液體是由陽離子和陰離子構(gòu)成的烙融鹽，并 且非水電解質(zhì)中的裡鹽的濃度為0. 8摩爾/L至6. 2摩爾/L。
[0015] 本發(fā)明的有益效果
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，能夠提供一種具有更高的能量密度的裡電池。
【附圖說明】
[0017] [圖1]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的裡電池用集電體的部分骨架的結(jié)構(gòu)實(shí) 例的示意圖。
[001引[圖2]圖2是示出了圖1中所示集電體中填充有混合物的狀態(tài)的示意性截面圖。
[0019] [圖3]圖3是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的裡電池的縱向剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] [本發(fā)明實(shí)施方案的說明]
[0021] 首先，將列舉說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的內(nèi)容。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案設(shè)及（1) 一種裡電池，其包括正極、負(fù)極、插入正極和 負(fù)極之間的隔板W及非水電解質(zhì)，其中正極包括具有=維網(wǎng)狀中空骨架的金屬正極集電體 和正極混合物，該正極混合物填充在正極集電體中并且包含正極活性材料，并且正極的厚 度為0. 2mm至5mm，非水電解質(zhì)包含離子液體和裡鹽，離子液體是由陽離子（第一陽離子） 和陰離子（第一陰離子）構(gòu)成的烙融鹽，并且非水電解質(zhì)中的裡鹽的濃度為0. 8摩爾/L至 6. 2摩爾/L。
[0023] 在將其中包含活性材料的混合物填充在具有=維網(wǎng)狀中空骨架的金屬集電體的 電極作為正極的情況下，能夠增加正極的厚度，另外，還能夠增加表面積。因此，不需要增加 正極與負(fù)極之間的相對(duì)面積。從而，能夠降低裡電池中隔板的體積。由于能夠降低無助于 電池容量的隔板的體積，因此能夠改善電池的能量密度（或容量）。
[0024] 關(guān)于運(yùn)一方面，在正極厚度較大的情況下，即使當(dāng)使用常規(guī)有機(jī)電解液時(shí)，也只有 部分正極活性材料用于電池反應(yīng)。其原因據(jù)推測(cè)如下：由于在充放電用電解液中移動(dòng)的裡 離子的移動(dòng)速度較低，所W不能平穩(wěn)地進(jìn)行充放電。
[00巧]另一方面，通過使用包含離子液體的非水電解質(zhì)，能夠驅(qū)動(dòng)（actuate)電池。盡 管通過使用包含離子液體的非水電解質(zhì)來驅(qū)動(dòng)電池的原因尚未明確，但原因據(jù)認(rèn)為如下所 述。在使用包含離子液體和作為支持電解質(zhì)的裡鹽的非水電解質(zhì)的情況中，非水電解質(zhì)中 存在大量構(gòu)成各離子液體和支持電解質(zhì)的陽離子和陰離子。同樣地，在使用離子液體的情 況下，易于增加非水電解質(zhì)中的支持電解質(zhì)的濃度。因此，據(jù)推測(cè)能夠容易地確保對(duì)于驅(qū)動(dòng) 電池而言所需的充足的離子的量。就運(yùn)點(diǎn)而言，離子液體是指處于烙融狀態(tài)（烙融鹽）且 具有離子傳導(dǎo)性的鹽。
[0026] 裡鹽是裡離子（第二陽離子）和陰離子（第二陰離子）構(gòu)成的鹽，并用作非水電 解質(zhì)的支持電解質(zhì)。裡離子參與法拉第反應(yīng)，即，在裡電池的電極處，裡離子參與伴隨電子 的給予和接受的充放電反應(yīng)（即，氧化還原反應(yīng)）。
[0027] 似優(yōu)選地，正極的孔隙率為10體積％至40體積％，并且正極活性材料占正極的 總質(zhì)量的比例為60質(zhì)量％至95質(zhì)量％。關(guān)于運(yùn)樣的正極，雖然大量填充正極活性材料，但 是正極的孔隙率依然相對(duì)較高。因此，即使當(dāng)正極的厚度增加時(shí)，非水電解質(zhì)也能滲入正極 內(nèi)部并且正極內(nèi)部的正極活性材料能夠更有效地用于電池反應(yīng)。
[0028] (3)優(yōu)選地，離子液體和裡鹽的總量占非水電解質(zhì)的比例為80質(zhì)量％^上。易于 確保非水電解質(zhì)中存在大量的離子，并且通過使用運(yùn)樣的非水電解質(zhì)能夠更有效地進(jìn)行充 放電。
[0029] (4)負(fù)極可包括具有=維網(wǎng)狀中空骨架的金屬負(fù)極集電體和負(fù)極混合物，該負(fù)極 混合物填充在負(fù)極集電體中并且包含負(fù)極活性材料，并且負(fù)極的厚度為0. 2mm至5mm。在使 用運(yùn)樣的負(fù)極的情況下，能夠增加負(fù)極的厚度，并可提高正極和負(fù)極之間的容量平衡性。因 此，可W更有效地提高電池的能量密度。
[0030] (5)優(yōu)選地，負(fù)極的孔隙率為10體積％至40體積％，并且負(fù)極活性材料占負(fù)極的 總質(zhì)量的比例為60質(zhì)量％至95質(zhì)量％。關(guān)于運(yùn)樣的負(fù)極，雖然大量填充負(fù)極活性材料，但 是負(fù)極的孔隙率依然相對(duì)較高。因此，即使當(dāng)負(fù)極的厚度增加時(shí)，非水電解質(zhì)也能滲入負(fù)極 內(nèi)部并且負(fù)極內(nèi)部的負(fù)極活性材料能夠更有效地用于電池反應(yīng)。
[0031] (6)相對(duì)于100質(zhì)量份的正極活性材料，非水電解質(zhì)的量可為3質(zhì)量份至30質(zhì)量 份。在使用運(yùn)樣的量的非水電解質(zhì)的情況下，即使當(dāng)電極（例如正極）的厚度較大時(shí)，也能 夠有效地進(jìn)行充放電反應(yīng)。
[0032] (7)優(yōu)選地，構(gòu)成離子液體的陽離子為有機(jī)陽離子，并且陰離子為二橫酷胺陰離 子。運(yùn)種離子液體的烙點(diǎn)可能較低。因此，在相對(duì)低的溫度下粘度較低，離子能夠更平穩(wěn)地 移動(dòng)，此外，易于確保正極處的耐分解性。
[0033] 做優(yōu)選地，裡鹽為由裡離子和二橫酷胺陰離子構(gòu)成的鹽。運(yùn)樣的裡鹽能夠相對(duì)降 低非水電解質(zhì)的粘度并且在離子液體中的溶解度高。因此，易于獲得高的離子傳導(dǎo)性。
[0034] [發(fā)明實(shí)施方案的詳述]
[0035] 下面將適當(dāng)參照附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的裡電池的具體實(shí)例進(jìn)行描述。就運(yùn) 方面而言，本發(fā)明并不限于運(yùn)些實(shí)例。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書限定，并且旨在覆 蓋權(quán)利要求書或其等同物的精神和范圍內(nèi)的所有修改。
[003引（正極）
[0037] 正極包括正極集電體和附著至正電極集電體的正極混合物。正極集電體是具有S 維網(wǎng)狀中空骨架的金屬多孔體。在正極中，正極混合物被填充到正極集電體的多孔結(jié)構(gòu)中。
[0038] 正極集電體的=維網(wǎng)狀中空骨架的內(nèi)部具有空腔。因此，正極集電體盡管具有龐 大的=維結(jié)構(gòu)，但還是十分輕量的。可W通過利用構(gòu)成集電體的金屬對(duì)具有連通孔隙的樹 脂多孔體進(jìn)行鍛覆處理，另外，通過熱處理使內(nèi)部樹脂分解或溶解，從而形成運(yùn)種正極集電 體。=維骨架是由鍛覆處理形成的，并且可通過使樹脂分解或溶解從而將骨架的內(nèi)部成為 中空。
[0039] 對(duì)于樹脂多孔體沒有特別的限制，只要包括連通的孔隙即可，樹脂發(fā)泡體、樹脂無 紡布等均可使用。關(guān)于構(gòu)成運(yùn)些多孔體的樹脂，足夠好的情況是在鍛覆處理后在金屬的= 維網(wǎng)狀骨架的形狀保持不變的情況下，通過分解、溶解等使骨架的內(nèi)部成為中空。期望的是 通過熱處理等將骨架中的樹脂分解或溶解，并由此除去。熱處理后，可通過洗涂等來除去殘 留在骨架中的成分（樹脂、分解產(chǎn)物、未反應(yīng)的單體、包含在樹脂中的添加劑等）。
[0040] 對(duì)構(gòu)成樹脂多孔體的樹脂沒有特別的限制，只要能夠通過分解或溶解等除去即 可，并且其實(shí)例可W包括熱固性樹脂，例如熱固性聚氨醋和=聚氯胺樹脂；和熱塑性樹脂， 例如締控樹脂（聚乙締、聚丙締等）和熱塑性聚氨醋。在使用樹脂發(fā)泡體的情況下，在發(fā)泡 體內(nèi)部形成的每個(gè)孔呈現(xiàn)出小室形狀并且它們彼此延伸連通，從而成為形成有連通孔隙的 狀態(tài)，不過運(yùn)取決于樹脂的類型和發(fā)泡體的制造方法。在運(yùn)樣的發(fā)泡體中，小室狀的孔較 小，尺寸容易變得更均勻。因此，優(yōu)選使用樹脂發(fā)泡體形成集電體。此外，從容易形成具有 更均勻的尺寸和形狀的孔的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選使用熱固性聚氨醋等。
[0041] 足夠好的情況是鍛覆處理可W在樹脂多孔體的表面（包括連通孔隙的表面）上形 成具有集電體的功能的金屬層，可W采用公知的鍛覆處理方法，例如，電解鍛覆法和烙融鹽 鍛覆。利用鍛覆處理，形成了對(duì)應(yīng)于樹脂多孔體的形狀的=維網(wǎng)狀金屬多孔體。就運(yùn)點(diǎn)而 言，在其中通過電解鍛覆進(jìn)行鍛覆處理的情況下，期望的是電解鍛覆之前形成導(dǎo)電層?？蒞 通過化學(xué)鍛覆、氣相沉積、瓣射和其他方法（例如導(dǎo)電劑的涂布）等在樹脂多孔體的表面上 形成導(dǎo)電層，或者可通過將樹脂多孔體浸潰到含有導(dǎo)電劑的分散液中而形成導(dǎo)電層。
[0042] 鍛覆處理后，通過加熱除去樹脂多孔體，由此，在金屬多孔體的骨架內(nèi)部形成空 腔，從而成為中空的。骨架內(nèi)部的空腔寬度（下述圖2所示的空腔的寬度Wf)的平均值（例 如）為0. 5Jim至5Jim,優(yōu)選Iym至4]im或2]im至3]im。根據(jù)需要，可W在施加適當(dāng)?shù)?電壓的同時(shí)通過進(jìn)行熱處理來除去樹脂多孔體?？商娲兀蒞在將進(jìn)行了鍛覆處理的多 孔體浸入烙融鹽鍛浴的狀態(tài)下，在施加電壓的同時(shí)進(jìn)行熱處理。
[0043] 得到的集電體（金屬多孔體）具有對(duì)應(yīng)于樹脂發(fā)泡體形狀的=維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。具體 而言，集電體具有許多孔，每個(gè)孔呈現(xiàn)出小室狀并且運(yùn)些小室狀的孔延伸連通，從而形成連 通孔隙。在鄰近的小室狀孔之間形成開口（或窗口），并且優(yōu)選的是，運(yùn)些孔通過該開口而 成為彼此連通的狀態(tài)。對(duì)于開口（窗口）的形狀沒有特別的限制，并且，例如可W為大致多 邊形（例如，大致=角形、大致四邊形、大致五邊形、和/或大致六邊形）。就運(yùn)點(diǎn)而言，所用 術(shù)語"大致多邊形"的