[发明专利]用于锂离子电池的负极活性材料、使用该材料的负电极和使用该材料的锂离子电池

说明书

本申请基于在韩国工业产权局1997.10.6提交的申请No.97-51257，其内容在此作为参考。

本发明涉及锂离子电池的负极活性材料，更具体地说，涉及由石墨基径向碳纤维和石墨基碳颗粒构成的复合负极活性材料。

通常结晶碳和非晶态碳被用作锂离子电池负极活性材料。结晶碳如石墨提供一个平稳的放电电压，但是放电容量相对较小。相反，非晶态碳如软碳和硬碳提供一个相对大的放电容量，但是一个阶跃放电电压。其中，结晶碳被优选，因为它具有一个相对小的不可逆容量。

结晶碳被分为纤维型石墨、球型石墨和颗粒型石墨。纤维型石墨被分为各向同性沥青(pitch)基的碳纤维和各向异性沥青基的碳纤维。各向异性沥青基碳纤维被分成各向同性型、径向型、洋葱型、随机1型和随机2型，如图6所示。

在制备负电极中，从上述结晶碳材料中只选用一种类型的材料。但是，在这种情况下，在负极活性材料中产生多个空隙。为了解决这个问题，U.S.专利No.5273842公开了一种具有分级分布的含碳材料。当该含碳材料被应用到负电极时，大量的含碳材料被使用。制备含碳材料的时间变长。

日本专利公开No.93-283061公开了通过向平均直径约20μm的碳颗粒中添加少量各向同性沥青基的碳纤维制备的一种负电极。这种负电极具有一个松散的结构。因而，在快速充放电反应中电解质易于分散在松散的结构中。然而，电极具有一个较小的填充密度。因此负极活性材料和电流集电器之间的接触区域小，接触阻抗高。因此，在反复充放电循环中负极活性材料从电流集电器脱落。此外，各向同性沥青基碳纤维锂离子的插入效率低和脱离。因此，使用该电极的电池的容量有限。

本发明的目的之一在于提供一种负极活性材料，它能够提供较高的电极填充密度以及电极和集电器之间的较大接触表面。

另一个目的在于提供一个由该负极活性材料制备的负电极和该负电极制备的锂离子电池。

为了实现这些和其他目的，本发明提供一种用于锂离子电池的负极活性材料，其包括50-95wt％石墨基碳纤维和5-50wt％石墨基碳颗粒。

并且，本发明提供用于锂离子电池的负电极，其包括一个电流集电器、负极活性材料和粘合剂。

此外，本发明通过使用该负极活性材料制备的锂离子电池。

通过下面结合附图的详细描述，对本发明的更完整的认识、其很多附加优越性将变得更加明显、更易于理解。

图1a是本发明的一个实施方案的负电极SEM照片；

图1b根据本发明的实施方案的负电极的示意图；

图2a是根据对比例1的负电极的SEM照片；

图2b是根据对比例1的负电极的示意图；

图3是一个曲线图，示出了分别根据实施例1-2和对比例1-3的负电极的石墨基碳纤维含量和电阻率之间的关系；

图4是一个曲线图，示出了分别根据实施例1和对比例1的锂离子电池的充放电循环和放电容量之间的关系；

图5是根据本发明的一个实施方案的硬币型锂离子电池的剖面图；

图6a是各向同性型碳纤维的剖面图；

图6b是径向型碳纤维的剖面图；

图6c是洋葱型碳纤维是剖面图；

图6d是随机1型碳纤维的剖面图；和

图6e是随机型碳纤维是剖面图。

将参考附图描述本发明的一个优选实施方案。

根据本发明的负极活性材料包括50-95wt％石墨基碳纤维和5-50wt％石墨基碳颗粒。

由小于50wt％石墨基碳纤维和大于50wt％石墨基颗粒构成的负极活性材料不能提供负电极的高填充密度。

优选的石墨基碳纤维是径向型石墨基碳纤维。如图6b所示，径向型石墨基碳纤维的石墨平面层具有向外的边缘。因而，径向型石墨基碳纤维易于实现锂离子的插入和脱离，并能够提供较高容量的电池。

石墨基碳纤维优选地具有5-30μm的直径和3-100μm的纵横比。具有低于5μm直径和纵横比少于3的碳纤维具有更大的比表面面积和更高的自放电比。具有大于30μm的直径和纵横比大于100的碳纤维导致负电极较低的填充密度和电池的较低容量。此外，从碳纤维穿透隔板的情况来看，具有这种碳纤维的电池易于发生内部短路。更优选地是，石墨基碳纤维的直径为10-20μm，其纵横比为5-50。