[发明专利]锂离子二次电池

说明书

技术领域

示例性的实施方案涉及锂离子二次电池，更具体而言涉及具有高能量密度和优异的快速充电特性的锂离子二次电池。

背景技术

随着对移动式机器的技术发展和需求的提高，对作为能源的二次电池的需求急剧增加。近来，锂离子二次电池已经投入实际使用，用作电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）等等的能源。近来已经对能够满足各种需要的锂离子二次电池进行了许多研究。特别是加速开发了廉价且具有高能量密度和快速充电特性的锂离子二次电池。

锂离子二次电池具有其中正极和负极彼此面对且隔板插在它们之间的构造。该正极和负极分别由正极集电体（collector）与正极活性物质、和负极集电体与负极活性物质组成。这些元件各自含浸非水电解液。在该锂离子二次电池充电或放电时，溶解在该电解液中的锂离子迁移穿过该正极与该负极之间的隔板，并分别被该正极活性物质和该负极活性物质吸收或解吸。通过这种机理，其起到了电池的作用。

作为用于锂离子二次电池的负极活性物质，使用吸收和解吸锂离子的材料，如碳材料和与锂（Li）形成合金的金属材料，如铝（Al）、硅（Si）和锡（Sn）。

但是，碳材料和与Li形成合金的金属材料，如Al、Si和Sn在初始充电-放电时间过程中导致不可逆反应。此外，还原电势对于Li/Li⁺低至大约0.1V，并轻易地导致非水电解质在负极表面上的还原分解。这种现象导致的寿命特性的降低成为难题。

随后，近来已经建议，用钛酸锂（Li_4/3Ti_5/3O₄）代替负极材料。Li_4/3Ti_5/3O₄对于Li/Li⁺具有高至大约1.5V的还原电势，并可以抑制非水电解质在负极表面上的还原分解。此外，Li_4/3Ti_5/3O₄因尖晶石结构而具有稳定的晶体结构，因此，可以抑制负极和非水电解质所导致的快速充电特性的劣化。由此，Li_4/3Ti_5/3O₄已经投入实际使用。但是，由于Li_4/3Ti_5/3O₄的工作电势对于Li/Li⁺高至大约1.5V，与石墨相比，电池的电压降低（工作电压：0至0.5V vs. Li/Li⁺）。由此，Li_4/3Ti_5/3O₄在降低能量密度方面存在问题。

相反，作为用于锂离子二次电池的正极活性物质，因锂钴氧化物（LiCoO₂）的工作电压超过4V，对其进行了大量研究。对于在小型便携式电子设备中的应用而言，主要使用LiCoO₂。LiCoO₂，因其在包括电势平坦性、容量、放电电势和循环特性的综合性能方面表现出令人满意的特性，目前已经广泛用作锂离子二次电池的正极活性物质。

但是，Co价格昂贵，因为其不均匀地分布在地球上，并且是一种稀有的资源。因此，难以应付期望未来用于汽车电池的批量生产和大规模生产。此外，LiCoO₂具有层状盐结构（α-NaFeO₂结构）。当锂在充电过程中释放时，紧邻其出现具有大的电负性的氧层。因此，在实践中必须限制锂的提取量。如果锂的提取量过大，如在过充电状态下，则在氧层之间会发生静电排斥以导致结构变化，并生成热。仍需要改善电池的安全性。为了确保电池的安全，外部需要大的保护电路。结果，能量密度降低。为此，期望具有高安全性的正极材料。

随后，提出了使用含锂过渡金属氧化物的正极材料，其基本上由基于Ni、Mn和Fe（其作为Co的替代资源在地球上储量丰富并且价格低廉）的正极活性物质组成，例如磷酸铁锂（LiFePO₄）、锂镍氧化物（LiNiO₂）和锂锰氧化物（LiMn₂O₄），并开始实际使用。