Отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи и батарея с его использованием

Отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи и батарея с его использованием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Изобретение относится к отрицательному электроду для литий-ионной вторичной батареи и к батарее с его использованием.

Предшествующий уровень техники

[0002] В последние годы настоятельно требовалось сокращение выбросов углекислого газа, чтобы решить проблему глобального потепления. У автомобильной промышленности есть растущее ожидание введения электрических транспортных средств (электромобилей) и гибридных электромобилей для сокращения выбросов оксидов углерода, и она интенсивно разрабатывала вторичные батареи для электроприводов, которые становятся ключом к практическому применению этих электромобилей.

[0003] В качестве вторичных батарей для электроприводов уделяется внимание литий-ионным вторичным батареям, обладающим относительно высокой теоретической энергией. Разработка таких литий-ионных вторичных батарей в настоящее время быстро продвигается. В литий-ионной вторичной батарее обычно имеются положительный электрод, в котором активный материал положительного электрода нанесен на коллектор (токосъемник) положительного электрода с помощью связующего, и отрицательный электрод, в котором активный материал отрицательного электрода нанесен на коллектор (токосъемник) отрицательного электрода с помощью связующего. Положительный электрод и отрицательный электрод соединены друг с другом посредством слоя жидкого или твердого электролита и помещены в кожух батареи. Таким образом, литий-ионная вторичная батарея претерпевает реакции заряда/разряда благодаря абсорбции и десорбции ионов лития активными материалами электродов.

[0004] В качестве активного материала отрицательного электрода литий-ионной вторичной батареи используются сплавы и углеродные материалы. Однако активный материал электрода расширяется и сжимается в ответ на абсорбцию и десорбцию ионов лития во время реакции заряда/разряда батареи. Например, углеродный активный материал отрицательного электрода, такой как графит, показывает изменение объема примерно 10%; а активный материал отрицательного электрода на основе сплава показывает изменение объема почти в 200%.

[0005] Когда активный материал показывает большое объемное расширение, активный материал может разломаться на мелкие кусочки и отделиться от коллектора во время повторяющихся циклов заряда/разряда. Более того, сам электрод может значительно искривляться и деформироваться, когда коллектор испытывает большое механическое напряжение в ответ на изменение объема тонкопленочного слоя активного материала. Соответственно, возникает проблема того, что, скорее всего, циклические характеристики батареи будут ухудшаться, так как контакт между активными материалами уменьшается из-за изменения структуры электрода во время повторяющихся циклов заряда/разряда.

[0006] Чтобы решить такую проблему, патентный документ 1 раскрывает отрицательный электрод для вторичной батареи с неводным электролитом, который содержит пенометалл в качестве коллектора и кремний, нанесенный в качестве активного материала на пенометалл. Сообщается, что с помощью такой конфигурации электрода возможно предотвратить отделение активного материала во время циклов заряда/разряда для улучшений циклических характеристиках заряда/разряда.

Документы уровня техники

Патентные документы

[0007] Патентный документ 1: Выложенная публикация заявки на патент Японии № 2004-259636

Сущность изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

[0008] Однако в отрицательном электроде из патентного документа 1 площадь контакта между кремниевым активным материалом и коллектором из пенометалла большая, так как коллектор из пенометалла имеет большую площадь поверхности. Это приводит к возникновению большого механического напряжения из-за расширения и сжатия активного материала во время зарядки/разрядки, в силу чего может быть невозможно предотвратить в достаточной мере отделение активного материала от электрода.

Средства для решения проблем

[0009] Настоящее изобретение было создано в связи с вышеупомянутыми обстоятельствами. Задача настоящего изобретения - предоставить отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи, который содержит средство для предотвращения отделения активного материала от коллектора из-за расширения и сжатия активного материала во время зарядки/разрядки. Также задача настоящего изобретения - предоставить литий-ионную вторичную батарею, способную сохранять структуру электрода во время зарядки/разрядки и показывающую хорошую устойчивость к циклам заряда/разряда.

[0010] А именно, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрен отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи, содержащий: проводящую подложку; слой активного материала отрицательного электрода, содержащий активный материал отрицательного электрода, способный на абсорбцию и десорбцию ионов лития; и проводящий элемент, обладающий имеющий меньшим модулем упругости, чем у проводящей подложки, при этом по меньшей мере часть активного материала отрицательного электрода соединена с проводящей подложкой посредством проводящего элемента.

[0011] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусмотрена литий-ионная вторичная батарея, содержащая вышеуказанный отрицательный электрод.

Краткое описание чертежей

[0012] Фиг.1 - вид в разрезе отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - схематический увеличенный вид в разрезе, показывающий взаимное расположение коллектора, активного материала отрицательного электрода и проводящего материала в отрицательном электроде для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - вид в разрезе отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4А - вид сверху отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4В - вид в разрезе отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5А - вид сверху одного модифицированного примера отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5В - вид в разрезе модифицированного примера по Фиг.5А.

Фиг.6А - вид сверху другого модифицированного примера отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6В - вид в разрезе модифицированного примера по Фиг.6А.

Фиг.7 - схематический увеличенный вид в разрезе пористого структурного тела отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8А - схематичный чертеж, показывающий процесс производства пористого структурного тела отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8В - схематичный чертеж, показывающий другой процесс производства пористого структурного тела отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - вид в разрезе литий-ионной вторичной батареи в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - вид в разрезе литий-ионной вторичной батареи в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 - вид в перспективе, схематически показывающий один пример внешнего вида литий-ионной вторичной батареи.

Фиг.12 - график, показывающий результаты оценки циклических характеристик ячеек для оценочного испытания в соответствии с Примером и Сравнительным примером.

Лучшие варианты осуществления изобретения

[0013] В дальнейшем предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описываться ниже со ссылкой на чертежи. Отметим, что настоящее изобретение не ограничивается нижеследующими вариантами осуществления и может быть реализовано на практике в любых других вариантах осуществления. На чертежах одинаковые детали и части обозначаются одинаковыми ссылочными номерами, чтобы опустить их повторяющееся объяснение. Размеры соответствующих деталей и частей могут преувеличиваться в целях иллюстрации на чертежах и могут отличаться от фактических размеров.

[Отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи]

[0014] Отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с настоящим изобретением включает в себя проводящую подложку, слой активного материала отрицательного электрода, содержащий активный материал отрицательного электрода, способный на абсорбцию и десорбцию ионов лития, и проводящий элемент, обладающий меньшим модулем упругости, чем у проводящей подложки, характеризующийся тем, что: по меньшей мере часть активного материала отрицательного электрода соединена с проводящей подложкой через проводящий элемент.

[Первый вариант осуществления]

[0015] Фиг.1 - вид в разрезе отрицательного электрода 1 для литий-ионной вторичной батареи в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг.1, отрицательный электрод 1 для литий-ионной вторичной батареи имеет коллектор 2 (в качестве проводящей подложки), слой 3 активного материала отрицательного электрода, образованный на поверхности коллектора 2, и проводящий буферный слой 4 (в качестве проводящего элемента), размещенный между коллектором 2 и слоем 3 активного материала отрицательного электрода. В первом варианте осуществления коллектор 2 образован из металлической фольги. Слой 3 активного материала отрицательного электрода содержит активный материал 3a отрицательного электрода, способный на абсорбцию и десорбцию ионов лития. Проводящий буферный слой 4 содержит эластичный проводящий материал 4a и связующее и обладает меньшим модулем упругости, чем у коллектора 2.

[0016] Фиг.2 - схематический увеличенный вид в разрезе, показывающий взаимное расположение коллектора 2, слоя 3 активного материала отрицательного электрода и проводящего буферного слоя 4 в отрицательном электроде 1 для литий-ионной вторичной батареи. Хотя отрицательный электрод 1 фактически может включать в себя любые другие материалы, эти материалы здесь исключаются из чертежей. Активный материал 3a отрицательного электрода в слое 3 активного материала отрицательного электрода электрически соединен и упруго связан с поверхностью коллектора 2 с помощью проводящего материала 4a проводящего буферного слоя 4, как показано на Фиг.2. При такой конфигурации возможно, что проводящий материал 4a может поглощать механическое напряжение, вызванное расширением и сжатием активного материала 3a электрода, даже когда активный материал 3a отрицательного электрода расширяется и сжимается во время зарядки/разрядки батареи, в которой используется отрицательный электрод 1.

[0017] Здесь следует отметить, что хотя для упрощения в первом варианте осуществления по Фиг. 1 и 2 слой 3 активного материала отрицательного электрода проиллюстрирован только на одной стороне коллектора 2, слои активного материала обычно формируют на обеих сторонах коллектора 2. В случае использования биполярной батареи на одной стороне коллектора 2 формируют слой активного материала положительного электрода, а слой 3 активного материала отрицательного электрода формируют на другой стороне коллектора 2. В случае использования небиполярной батареи слои 3 активного материала отрицательного электрода формируют на обеих сторонах коллектора 2.

[0018] Конструктивные части отрицательного электрода 1 будут последовательно объясняться ниже.

[Коллектор]

[0019] Коллектор 2 является конструктивной частью, которая электрически соединяет слой 3 активного материала отрицательного электрода с любым внешним элементом и образована из проводящего материала. Конкретное ограничение по виду коллектора 2 отсутствует. При условии, что коллектор 2 демонстрирует электрическую проводимость, материал и структура коллектора 2 особо не ограничиваются. Коллектор 2 может быть в любом виде, традиционно известном и широко применяемом для литий-ионных вторичных батарей. В качестве материала коллектора 2 могут использоваться проводящие металлы, такие как медь, никель, алюминий, титан, железо, серебро и нержавеющая сталь (SUS). Среди прочих особенно предпочтительна медь. В качестве структуры коллектора 2 может использоваться не только фольговая структура по Фиг.1 и 2, но и структура нетканого материала, пористая структура или пластинчатая структура. В некоторых случаях коллектор 2 может иметь многослойную структуру из двух или более листов металлической фольги. Также отсутствует конкретное ограничение на толщину коллектора 2. Толщина коллектора 2 обычно составляет порядка от 5 до 50 мкм. Размер коллектора 2 определяется в зависимости от назначения использования литий-ионной вторичной батареи.

[Слой активного материала отрицательного электрода]

[0020] Слой 3 активного материала отрицательного электрода содержит активный материал 3a отрицательного электрода и необязательно может дополнительно содержать проводящий материал для улучшения электрической проводимости, связующее, материал электролита (полимерная матрица, проводящий ионы полимер, раствор электролита и т.д.), вспомогательную электролитическую соль (соль лития) для улучшения ионной проводимости и т.п.

[0021] Отсутствует конкретное ограничение на компонентное соотношение составляющих материалов в слое 3 активного материала отрицательного электрода. Компонентное соотношение составляющих материалов в слое 3 активного материала отрицательного электрода регулируется при необходимости с учетом любых сведений о литий-ионных вторичных батареях. Также отсутствует конкретное ограничение на толщину слоя 3 активного материала отрицательного электрода. Толщина слоя 3 активного материала отрицательного электрода устанавливается с учетом любых сведений о литий-ионных вторичных батареях. В качестве примера толщина слоя 3 активного материала отрицательного электрода составляет порядка от 2 до 100 мкм.

(Активный материал отрицательного электрода)

[0022] Конкретное ограничение на активный материал 3a отрицательного электрода отсутствует при условии, что активный материал 3a отрицательного электрода содержит любое вещество, способное на абсорбцию и десорбцию ионов лития, или состоит из него. Могут использоваться любые традиционно известные активные материалы отрицательных электродов.

[0023] В частности, предпочтительно, чтобы активный материал 3a отрицательного электрода содержал легирующий литий элемент. В качестве активного материала 3a отрицательного электрода, содержащего такой легирующий литий элемент, может соответственно использоваться любой из легирующих литий элементов в чистом виде и их оксиды или карбиды. Батарея может достигать большей плотности энергии и емкости при использовании легирующего литий элемента, нежели при использовании традиционных углеродных материалов. Когда в активном материале 3a отрицательного электрода содержится легирующий литий элемент, активный материал 3a отрицательного электрода обычно демонстрирует большое изменение объема из-за расширения и сжатия во время зарядки/разрядки батареи. Таким образом, результаты настоящего изобретения четче выражаются в том, что можно уменьшить механическое напряжение, вызванное расширением и сжатием активного материала 3a отрицательного электрода во время зарядки/разрядки батареи, когда в активном материале 3a отрицательного электрода содержится легирующий литий элемент.

[0024] Примеры легирующего литий элемента включают в себя, но не ограничиваются ими, Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te и Cl. Чтобы добиться высокой емкости батареи и плотности энергии, предпочтительно, чтобы активный материал отрицательного электрода содержал по меньшей мере одну разновидность элемента, выбранного из группы, состоящей из Si, Ge, Sn, Pb, Al, In и Zn, предпочтительнее - Si или Sn, еще предпочтительнее - Si. Примеры оксида включают монооксид кремния (SiO), SiO_X (0<x<2), диоксид олова (SnO₂), SnO_X (0<x<2) и SnSiO₃. Примеры карбида включают карбид кремния (SiC).

[0025] Также в качестве активного материала 3a отрицательного электрода могут подходящим образом использоваться углеродные материалы. Когда углеродный материал используется в качестве активного материала 3a отрицательного электрода, активный материал 3a отрицательного электрода также демонстрирует большое изменение объема из-за расширения и сжатия во время зарядки/разрядки батареи. Соответственно, результаты настоящего изобретения четче выражаются в том, что можно уменьшить механическое напряжение, вызванное расширением и сжатием активного материала 3a отрицательного электрода во время зарядки/разрядки батареи, когда углеродный материал используется в качестве активного материала 3a отрицательного электрода.

[0026] Примеры углеродного материала включают: высококристаллические углеродные материалы, такие как графит (природный графит, искусственный графит и т.д.); низкокристаллические углеродные материалы (мягкая сажа, твердый углерод и т.д.); углеродные сажи (сажа Ketjen, ацетиленовая сажа, канальная сажа, ламповая сажа, печная сажа из жидкого нефтяного сырья, термическая сажа и т.д.); фуллерены, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, углеродные наногорны и углеродные волоконца.

[0027] Также могут использоваться металлические материалы, такие как металлический литий, сложные оксиды лития-переходного металла, такие как сложный оксид лития-титана (титанат лития: Li₄Ti₅O₁₂) и другие известные активные материалы отрицательных электродов. В некоторых случаях два или более из этих активных материалов отрицательных электродов могут использоваться в сочетании.

[0028] Вышеуказанные активные материалы отрицательных электродов могут использоваться по отдельности или в сочетании из двух или более материалов.

[0029] Отсутствует конкретное ограничение на форму и размер активного материала 3a отрицательного электрода. Активный материал 3a отрицательного электрода может существовать в различных видах частиц, таких как сферическая форма (порошок), пластинчатая форма, игольчатая форма, столбчатая форма и форма рога. В этом случае размер частиц активного материала 3a отрицательного электрода предпочтительно составляет от 1 до 100 мкм, предпочтительнее - от 1 до 20 мкм, в плане высокой емкости, реакционной способности и устойчивости к циклированию. Когда размер частиц активного материала 3a отрицательного электрода находится в вышеприведенном диапазоне, можно ограничить увеличение внутреннего сопротивления батареи во время циклов зарядки/разрядки при условии высокой выходной мощности и отводить от батареи достаточный электрический ток. При этом размер частиц активного материала 3a отрицательного электрода может задаваться в единицах срединного диаметра, который определяется лазерной дифракцией.

[0030] Предпочтительно, чтобы активный материал 3a содержал большое количество активного материала отрицательного электрода, содержащего легирующий литий элемент. Точнее говоря, количество вещества активного материала, содержащего легирующий литий металл, в активном материале 3a отрицательного электрода предпочтительно составляет 60 мас.% или более, предпочтительнее - 80 мас.% или более, еще предпочтительнее - 90 мас.% или более, особенно предпочтительно - 100 мас.%.

[0031] Количество активного материала 3a, содержащегося в слое 3 активного материала отрицательного электрода, обычно составляет порядка от 40 до 100 мас.%, предпочтительно в диапазоне от 50 до 90 мас.%, предпочтительнее - от 70 до 90 мас.%, еще предпочтительнее - от 75 до 85 мас.%, относительно 100 мас.% общего количества слоя 3 активного материала отрицательного электрода.

(Проводящий материал)

[0032] Проводящий материал добавляется для улучшения электрической проводимости слоя 3 активного материала отрицательного электрода. Конкретное ограничение на проводящий материал отсутствует. При необходимости может использоваться любой известный проводящий материал. Примеры проводящего материала включают в себя: углеродные сажи, такие как ацетиленовая сажа, печная сажа, канальная сажа и термическая сажа; углеродные волокна, такие как выращенные из паровой фазы углеродные волокна (VGCF); и другие углеродные материалы, такие как графит. Когда проводящий материал содержится в слое 3 активного материала, можно эффективно образовать сеть электронов с тем, чтобы внести вклад в улучшение выходных характеристик батареи.

[0033] Количество проводящего материала, содержащегося в слое 3 активного материала отрицательного электрода, обычно составляет порядка от 0 до 30 мас.%, предпочтительно - от 1 до 10 мас.%, предпочтительнее - от 3 до 7 мас.%, относительно 100 мас.% общего количества слоя 3 активного материала отрицательного электрода.

(Связующее)

[0034] Конкретное ограничение на связующее отсутствует. Примеры связующего включают в себя: термопластичные смолы, такие как поливинилиденфторид (PVdF), карбоксиметилцеллюлоза (CMC), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилацетат и акриловая смола (например, жидкий силиконовый каучук (LSR)); термореактивные смолы, такие как полиимид, эпоксидная смола, полиуретановая смола и карбамидная смола; и каучуковые материалы, такие как бутадиен-стирольный каучук (SBR).

[0035] Количество связующего, содержащегося в слое 3 активного материала отрицательного электрода, обычно составляет порядка от 0 до 50 мас.%, предпочтительно от 5 до 45 мас.%, предпочтительнее - от 10 до 25 мас.%, еще предпочтительнее - от 15 до 20 мас.%, относительно 100 мас.% общего количества слоя 3 активного материала отрицательного электрода.

(Материал электролита/вспомогательная соль)

[0036] Отсутствует конкретное ограничение на материал электролита при условии, что материал электролита функционирует в качестве переносчика ионов лития. Например, могут использоваться жидкие электролиты и полимерные электролиты. Также отсутствует конкретное ограничение на вспомогательную соль (соль лития), добавленную для улучшения ионной проводимости слоя 3 активного материала отрицательного электрода. Могут использоваться анионные соли органических кислот и т.п. Так как материал электролита и вспомогательная соль в слое 3 активного материала электрода могут быть такими же, как и в упоминаемом позже слое электролита, подробные объяснения разновидностей материала электролита и вспомогательной соли будут опущены. Каждый из материала электролита и вспомогательной соли может использоваться по отдельности или в сочетании из двух или более их разновидностей.

[0037] Отсутствует конкретное ограничение на количества материала электролита и вспомогательной соли, содержащихся в слое 3 активного материала отрицательного электрода. Количества материала электролита и вспомогательной соли регулируются при необходимости с учетом любых сведений о литий-ионных вторичных батареях.

[Проводящий буферный слой 4]

[0038] Проводящий буферный слой 4 содержит проводящий материал 4a и необязательно может дополнительно содержать связующее, материал электролита (полимерная матрица, проводящий ионы полимер, раствор электролита), вспомогательную электролитическую соль (соль лития) и т.п. Подробные объяснения этих материалов будут пропущены, поскольку такие же материалы, как и для вышеуказанного слоя 3 активного материала отрицательного электрода, также могут использоваться и для проводящего буферного слоя 4.

[0039] Проводящий материал 4a проводящего буферного слоя 4 выполняет функцию упругого связывания активного материала 3a с поверхностью коллектора 2. В качестве проводящего материала 4a может использоваться такой же проводящий материал, как и для слоя 3 активного материала, при условии, что он выполняет такую функцию. Могут подходящим образом использоваться различные проводящие материалы, имеющие одномерную структуру (линейную структуру или разветвленную структуру), такие как углеродные сажи (цепочечная структура) и углеродные волокна (волокнистая структура), чтобы легко выполнять эту функцию. Возможно, что при использовании одномерного структурированного проводящего материала, даже когда активный материал 3a отрицательного электрода показывает изменение объема во время зарядки/разрядки батареи, проводящий материал может деформироваться в ответ на изменение объема активного материала 3a отрицательного электрода с тем, чтобы эффективно снять механическое напряжение. С этой точки зрения предпочтительно использовать любой проводящий материал, имеющий цепочечную структуру, предпочтительнее - углеродную сажу, наиболее предпочтительно - ацетиленовую сажу. В случае использования такого цепочечного проводящего материала проводящий буферный слой и активный материал образуют между собой точечный контакт, а не поверхностный контакт. Это успешно позволяет проводящему материалу следовать за перемещениями активного материала, когда сам активный материал перемещается во время зарядки/разрядки батареи.

[0040] В случае использования одномерного структурированного проводящего материала отсутствуют конкретное ограничение на размер проводящего материала (меньший диаметр, больший диаметр, соотношение размеров и т.д.). Предпочтительно, чтобы больший диаметр (длина) проводящего материала был короче среднего размера частиц (D50) активного материала отрицательного электрода в слое 3 активного материала отрицательного электрода. Это успешно позволяет проводящему материалу следовать за деформацией проводящего буферного слоя 4, когда проводящий буферный слой 4 деформируется во время зарядки/разрядки батареи.

[0041] Связующее в проводящем буферном слое 4 может быть такой же разновидности, что и в слое 3 активного материала отрицательного электрода, при условии, что проводящий буферный слой 4 способен на упругое связывание активного материала 3a с поверхностью коллектора 2. Однако связующее в проводящем буферном слое 4 предпочтительно обладает упругостью, чтобы добиться преимущества в том, что проводящий буферный слой 4 может обеспечивать свое свойство связывания, не мешая перемещениям проводящего материала 4a в ответ на изменение объема активного материала 3a. С этой точки зрения в качестве связующего в проводящем буферном слое 4 предпочтительно использовать поливинилиденфторид (PVdF), карбоксиметилцеллюлозу (CMC), политетрафторэтилен (PTFE), акриловую смолу (например, LSR) или каучуковый материал (например, бутадиен-стирольный каучук (SBR)). В некоторых случаях может использоваться любое другое связующее, обладающее таким же уровнем упругости, что и вышеперечисленные материалы, независимо от того, является ли оно традиционно известным или будет заново разработано в будущем.

[0042] Отсутствует конкретное ограничение на компонентное соотношение составляющих материалов в проводящем буферном слое 4 при условии, что активный материал 3a упруго связан с поверхностью коллектора 2 с помощью проводящего материала 4a. Однако предпочтительно, чтобы количество проводящего материала 4a в проводящем буферном слое 4 было относительно большим по сравнению с количеством проводящего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода, чтобы обеспечивать достаточно эластичную связь активного материала 3a с поверхностью коллектора 2 путем образования проводящего буферного слоя 4. При этом дается определение, что когда содержащееся количество проводящего материала 4a "относительно большое", количество (А) (мас.%) проводящего материала 4a относительно 100 мас.% общего количества проводящего буферного слоя 4 и количество (В) (мас.%) проводящего материала относительно 100 мас.% общего количества слоя 3 активного материала отрицательного электрода удовлетворяют отношению A>B. Более предпочтительно, чтобы удовлетворялось A>5B, еще предпочтительнее A>7B, особенно предпочтительно A>10B.

[0043] Количество проводящего материала 4a, содержащегося в проводящем буферном слое 4 (100 мас.%), предпочтительно составляет от 30 до 90 мас.%, предпочтительнее - от 40 до 80 мас.%, еще предпочтительнее - от 50 до 70 мас.%. Количество связующего, содержащегося в проводящем буферном слое 4 (100 мас.%), предпочтительно составляет от 10 до 70 мас.%, предпочтительнее - от 20 до 60 мас.%, еще предпочтительнее - от 30 до 50 мас.%. Количество другого составляющего материала регулируется при необходимости с учетом любых сведений в пределах диапазона, который не влияет на характеристики электрода.

[0044] Конкретное ограничение на толщину проводящего буферного слоя 4 отсутствует. Предпочтительно, толщина проводящего буферного слоя 4 составляет порядка 0,2-10 мкм.

[0045] Как упоминалось выше, проводящий буферный слой 4 (проводящий материал 4a) может поглощать механическое напряжение, вызванное расширением и сжатием активного материала 3a во время зарядки/разрядки батареи в первом варианте осуществления. Поэтому возможно снизить механическое напряжение на активном материале 3a и коллекторе 2 во время зарядки/разрядки батареи и эффективно предотвратить отделение активного материала 3a от отрицательного электрода 1.

[0046] Путем задания количества проводящего материала 4a в проводящем буферном слое 4 относительно большим по сравнению с количеством проводящего материала в слое 3 активного материала отрицательного электрода можно обеспечить достаточно эластичную связь активного материала 3a с поверхностью коллектора 2 путем образования проводящего буферного слоя 4. Также при использовании в качестве проводящего материала 4a цепочечного проводящего материала, такого как ацетиленовая сажа, возможно, что проводящий материал 4a может деформироваться в ответ на изменение объема активного материала 3a отрицательного электрода, чтобы эффективнее снять механическое напряжение, даже когда активный материал 3a отрицательного электрода показывает изменение объема во время зарядки/разрядки. Кроме того, он выгоден тем, что проводящий буферный слой 4 может обеспечивать свое свойство связывания, не мешая перемещениям проводящего материала 4a в ответ на изменение объема активного материала 3a при использовании эластичного связующего в проводящем буферном слое 4.

[0047] Была предложена химическая методика для выбора и использования любого подходящего материала, способного увеличить силу связывания между коллектором и слоем активного материала, в качестве средства для предотвращения отделения слоя активного материала от коллектора. Однако результаты такой химической методики часто ограничены в случае использования активного материала (особенно активного материала отрицательного электрода на основе сплава), который многократно расширяется и сжимается во время зарядки/разрядки. В отличие от этого, в первом варианте осуществления можно получить результаты, такие как снятие механических напряжений и тем самым предотвращение отделения активного материала 3a путем принятия физического подхода, состоящего в упругом связывании активного материала 3a с коллектором 2.

[Второй вариант осуществления]

[0048] Фиг.3 - вид в разрезе отрицательного электрода 1' для литий-ионной вторичной батареи в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Второй вариант осуществления аналогичен первому варианту осуществления за исключением использования пористого коллектора 2'. Как показано на Фиг.3, слой 3 активного материала отрицательного электрода сформирован на поверхностях пор пористого коллектора 2', с проводящим буферным слоем 4, размещенным между пористым коллектором 2' и слоем 3 активного материала отрицательного электрода, так что активный материал 3a отрицательного электрода электрически соединен и упруго связан с поверхностью коллектора 2' с помощью проводящего буферного слоя 4.

[0049] Как упоминалось выше, была предложена известная из уровня техники методика, в которой кремний наносится в качестве активного материала на коллектор из пенометалла. Однако коллектор из пенометалла имеет большую площадь поверхности и, при расширении, большую площадь контакта с активным материалом, и соответственно испытывает большое механическое напряжение при расширении и сжатии активного материала, в силу чего невозможно полностью предотвратить отделение активного материала от коллектора.

[0050] В отличие от этого, во втором варианте осуществления активный материал 3a упруго связан с поверхностью коллектора 2 с помощью проводящего материала 4a, так что проводящий буферный слой 4 (проводящий материал 4a) может поглощать механическое напряжение, вызванное расширением и сжатием активного материала 3a во время зарядки/разрядки батареи. Поэтому возможно снять механическое напряжение на активном материале 3a и коллекторе 2 и предотвратить отделение активного материала 3a от коллектора 2. Эти результаты настоящего изобретения четче выражаются во втором варианте осуществления, в котором пористый коллектор 2' сталкивается с заметной проблемой механического напряжения при расширении и сжатии активного материала 3a. Второй вариант осуществления соответственно может рассматриваться в качестве предпочтительного варианта осуществления, чтобы эффективно применять результаты настоящего изобретения.

[0051] Материал и структура пористого коллектора 2' особо не ограничиваются и выбираются при необходимости с учетом любых сведений о литий-ионных вторичных батареях. Предпочтительно, пористость пористого коллектора 2' составляет от 70 до 95%, предпочтительнее - от 80 до 93%, еще предпочтительнее - от 85 до 90%. Когда пористость пористого коллектора 2' находится в вышеприведенном диапазоне, можно достаточно проявить результаты настоящего изобретения наряду с сохранением прочности коллектора 2'.

[Способ производства отрицательного электрода]

[0052] Конкретное ограничение на способ производства отрицательных электродов 1 и 1' в первом и втором вариантах осуществления отсутствует. Например, отрицательный электрод 1, 1' может производиться по следующей процедуре.

[0053] Сначала готовят суспензию (суспензию активного материала) путем диспергирования и растворения составляющих материалов слоя 3 активного материала отрицательного электрода (активный материал 3a отрицательного электрода, проводящий материал, связующее и т.д.) в подходящем растворителе, таком как N-метил-2-пирролидон (NMP). С другой стороны, готовят суспензию (суспензию проводящего материала) путем диспергирования и растворения составляющих материалов проводящего буферного слоя 4 (проводящий материал 4a, связующее и т.д.) в аналогичном растворителе.

[0054] Затем отдельно готовят коллектор 2, 2'. Коллектор 2, 2' может быть приобретен в продаже или приготовлен самостоятельно. В случае использования пористого коллектора 2' отсутствует конкретное ограничение на процесс приготовления пористого коллектора 2'. Пористый коллектор 2' можно при необходимости приготовить со ссылкой на любые традиционные сведения. Например, реально приготовить коллектор 2' путем смешивания частиц металла, такого как медь, с частицами термопластичной смолы (такой как полиэтилен) и подвергания полученной смеси обработке обжигом в инертной атмосфере, чтобы тем самым выжечь частицы смолы. С помощью вышеприведенного процесса может быть приготовлен пористый коллектор 2' из частиц металла. В то же время условия обработки обжигом особо не ограничиваются. Обработка обжигом может выполняться, например, при температуре примерно 500-700°C в течение примерно 3-6 часов. Дополнительно, пористость пористого коллектора 2' можно повысить путем увеличения количества добавленных частиц смолы.

[0055] Суспензию проводящего материала наносят и высушивают на поверхности коллектора 2, 2' (в случае использования пористого коллектора 2' - на поверхностях пор коллектора 2'). Аналогичным об