[发明专利]锂离子二次电池、锂离子二次电池负极和电池组

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含可以吸留和释放锂离子的负极活性物质的锂离子二次电池负极、包括该负极的锂离子二次电池、以及包括该二次电池的电池组、电动车辆、电力存储系统、电动工具和电子装置。

背景技术

近年来，由移动电话、个人数字助理（PDA）等代表的电子装置变得普及，并且已经强烈期望其进一步小型化、重量减小和寿命的延长。伴随此，作为电源，已经开发了电池，特别是小且轻量化并可以获得高能量密度的二次电池。近来，已经研究了将这些二次电池不仅应用于上述电子装置而且还应用于由电池组、电动车辆如电动车、电力存储系统如家用电力服务器、和电动工具如电钻代表的各种应用。

已经广泛提出了基于各种充放电原理的二次电池。其中，通过利用锂的吸留和释放的锂离子二次电池具有潜力。这是因为可以获得比铅电池、镍镉电池等更高的能量密度。

除了正极和负极之外，锂离子二次电池还设置有电解液，并且负极包含能够吸留和释放锂离子的负极活性物质。关于负极活性物质，已经广泛使用了碳材料诸如石墨。同时，近来已经期望电池容量的进一步提高。因此，已经研究了Si的使用。Si的理论容量（4,199mAh/g）比石墨的理论容量（372mAh/g）显著更大，并且因此可以期待电池容量的显著增加。

然而，如果使用Si作为负极活性物质，则由于在充放电期间负极活性物质的显著膨胀和收缩，主要在负极活性物质的表面层附近易于发生破裂。当负极活性物质破裂时，形成了高反应性的新表面（活性表面），从而负极活性物质的表面积（反应面积）增加。结果，在新表面上发生电解液的分解反应，此外，电解液被消耗以在新表面上形成源自电解液的涂覆膜（涂布膜，coating film）。因此，诸如循环特性的电池特性易于降低。

为了改善诸如循环特性的电池特性，已经对锂离子二次电池的构造进行了各种研究。

具体地，为了改善循环特性和安全性，通过使用溅射法同时沉积Si和非结晶性SiO₂（例如，参见日本未审查专利申请公开号2001-185127）。为了获得优异的电池容量和安全性能，在SiO_x颗粒的表面上设置导电材料层（碳材料）（例如，参见日本未审查专利申请公开号2002-042806）。为了改善高倍率充放电特性和循环特性，以使包含Si和O且氧比率在靠近负极集电体侧增加的方式来设置负极活性物质层（例如，参见日本未审查专利申请公开号2006-164954）。为了改善循环特性，以包含Si和O，平均氧含量整体上为40原子%以下。且平均氧含量在靠近负极集电体的侧增加的方式来设置负极活性物质层（例如，参见日本未审查专利申请公开号2006-114454）。在这种情况下，靠近负极集电体的侧中的平均氧含量与远离负极集电体的侧中的平均氧含量之间的差异设定为4原子%至30原子%。

为了改善初始充放电特性等，使用了包括Si相、SiO₂、和M_yO金属氧化物的纳米复合物（例如，参见日本未审查专利申请公开号2009-070825）。为了改善循环特性，将粉末状SiO_x（0.8≤x≤1.5，粒径范围为1μm至50μm）和含碳材料混合并在800°C至1600°C下烧制3小时至12小时（例如，参见日本未审查专利申请公开号2008-282819）。为了缩短初始充电时间，使用了由Li_aSiO_x（0.5≤a-x≤1.1和0.2≤x≤1.2）表示的负极活性物质（例如，参见国际公开号2007/010922）。在这种情况下，Li在包含Si和O的活性物质前体上蒸发。为了改善充放电循环特性，以这样的方式控制SiO_x的组成，使得负极活性物质中的O的量相对于Si的量的摩尔比变为0.1至1.2并且在负极活性物质与集电体之间的界面附近的O的量相对于Si的量的摩尔比的最大值与其最小值之差为0.4以下（例如，参见日本未审查专利申请公开号2008-251369）。为了改善负荷特性，使用了含Li多孔金属氧化物（Li_xSiO，其中2.1≤x≤4）（例如，日本未审查专利申请公开号2008-177346）。