Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства



Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства
Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства
Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства
Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства
Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства
Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства

 


Владельцы патента RU 2540321:

НИССАН МОТОР КО., ЛТД. (JP)

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка. Активный материал отрицательного электрода может быть получен, например, с помощью установки для магнетронного распыления множественных мишеней при постоянном токе, с использованием Si, Sn и V в качестве мишеней. Электрическое устройство с использованием активного материала отрицательного электрода может достигать длительного циклического ресурса и обеспечивать высокую емкость и долговечность работы в циклическом режиме. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, в основном служащего в качестве вторичной батареи или конденсатора, предпочтительно используемого как источник питания привода двигателя для применения, например, в электрическом транспортном средстве (EV) или гибридном электрическом транспортном средстве (HEV). Настоящее изобретение также относится к отрицательному электроду, электрическому устройству и литий-ионной вторичной батарее с использованием активного материала отрицательного электрода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Для борьбы с загрязнением атмосферы и глобальным потеплением принимаются разнообразные меры, чтобы сократить выбросы СО2. В частности, в автомобильной промышленности весьма ожидаемым является снижение выбросов СО2 в связи с распространением электрических транспортных средств и гибридных электрических транспортных средств. Так, активно проводится разработка высокопроизводительных вторичных батарей, служащих в качестве источников питания привода двигателей для использования в таких транспортных средствах. Для вторичных батарей, служащих в качестве источников питания привода двигателей, в частности требуются высокие характеристики емкости и циклируемости. Таким образом, среди других типов вторичных батарей привлекают повышенное внимание литий-ионные вторичные батареи, теоретически имеющие высокую энергию.

[0003] Литий-ионные вторичные батареи требуются для хранения большого количества электрической энергии в расчете на единицу массы в положительных электродах и отрицательных электродах, чтобы повысить плотность энергии литий-ионных вторичных батарей. Поэтому для выполнения такого требования немаловажное значение имеет определение активных материалов, используемых в соответствующих электродах.

[0004] Известен способ изготовления электродного материала, применяемого для литий-ионной вторичной батареи, имеющей высокую разрядную емкость в расчете на объем и высокую характеристику зарядно-разрядного цикла, как предложено в Патентном Документе 1. В частности, тонкодисперсные частицы кремния (Si), имеющие предварительно заданные средний диаметр частиц и удельную площадь поверхности, получают таким образом, что порошок, содержащий Si в качестве основного компонента, измельчают с помощью мельницы для мокрого измельчения. Затем металлический порошок, содержащий предварительно заданный элемент, такой как Sn или Al, и углеродный порошок добавляют к тонкодисперсным частицам Si, с последующим сухим измельчением в шаровой мельнице. Таким образом, согласно вышеописанному способу изготавливают электродный материал, включающий в себя составные частицы, имеющие предварительно заданные средний диаметр частиц и удельную площадь поверхности. Патентный Документ 1 дополнительно сообщает, что полученный таким образом электрод используют в качестве отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[0005] Патентный Документ 1: Публикация Японской нерассмотренной патентной заявки № 2006-216277

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Однако в литий-ионной вторичной батарее с использованием отрицательного электродного материала, раскрытого в Патентном Документе 1, отрицательный электродный материал переходит из аморфного состояния в кристаллическое состояние, когда Si легируется литием (Li). В результате этого объем значительно изменяется, что вызывает сокращение циклического ресурса электрода. В дополнение, когда используют активный материал Si-серии, емкость имеет компромиссное соотношение с долговечностью в циклическом режиме работы. Таким образом, весьма требуется литий-ионная вторичная батарея для обеспечения высокой емкости и одновременно улучшенной долговечности.

[0007] Одна цель настоящего изобретения состоит в обеспечении активного материала отрицательного электрода для электрического устройства, такого как литий-ионная вторичная батарея, способного подавлять аморфно-кристаллическое фазовое превращение, чтобы увеличить циклический ресурс и обеспечить высокую емкость. Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение отрицательного электрода, включающего в себя активный материал отрицательного электрода, и электрического устройства, такого как литий-ионная вторичная батарея, с использованием отрицательного электрода, включающего в себя активный материал отрицательного электрода.

[0008] Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя сплав, содержащий Si (кремний) в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn (олово) в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V (ванадий) в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка. Отрицательный электрод для электрического устройства согласно настоящему изобретению включает в себя активный материал отрицательного электрода, который размещен на поверхностях токоотводов. Литий-ионная вторичная батарея согласно настоящему изобретению включает в себя отрицательный электрод согласно настоящему изобретению.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] [ФИГ. 1] ФИГ. 1 представляет диаграмму состояния тройной системы, показывающую диапазон состава сплава Si-Sn-V-серии, содержащегося в активном материале отрицательного электрода для электрического устройства согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в которой нанесены составы сплава, полученного в каждом примере.

[ФИГ. 2] ФИГ. 2 представляет диаграмму состояния тройной системы, показывающую предпочтительный диапазон состава сплава Si-Sn-V-серии, содержащегося в активном материале отрицательного электрода для электрического устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[ФИГ. 3] ФИГ. 3 представляет диаграмму состояния тройной системы, показывающую более предпочтительный диапазон состава сплава Si-Sn-V-серии, содержащегося в активном материале отрицательного электрода для электрического устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[ФИГ. 4] ФИГ. 4 представляет диаграмму состояния тройной системы, показывающую еще более предпочтительный диапазон состава сплава Si-Sn-V-серии, содержащегося в активном материале отрицательного электрода для электрического устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[ФИГ. 5] ФИГ. 5 схематически представляет вид в разрезе, показывающий один пример литий-ионной вторичной батареи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Далее будет подробно разъяснен активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, в то же время с приведением примера отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи и примера литий-ионной вторичной батареи с использованием активного материала отрицательного электрода. Следует отметить, что символ «%» представляет процентное содержание по массе, если не оговорено нечто иное. В дополнение, размерные соотношения в чертежах приведены увеличенными для удобства разъяснения и могут отличаться от реальных соотношений.

[Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства]

[0011] Ниже подробно разъясняется активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0012] Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства согласно настоящему изобретению включает в себя, как было описано выше, сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка. Эти численные диапазоны соответствуют затемненной области, обозначенной в ФИГ. 1.

[0013] Этот активный материал отрицательного электрода используют в отрицательном электроде для электрического устройства, такого как литий-ионная вторичная батарея. В таком случае сплав, содержащийся в активном материале отрицательного электрода, абсорбирует ионы лития, когда батарея заряжается, и высвобождает ионы лития, когда батарея разряжается. В частности, активный материал отрицательного электрода надлежащим образом содержит Sn как первый добавочный элемент и V как второй добавочный элемент, который подавляет аморфно-кристаллическое фазовое превращение, когда активный материал отрицательного электрода легируется литием, чтобы продлить циклический ресурс. Эти добавки содействуют обеспечению более высокой емкости, чем для традиционных активных материалов отрицательного электрода, в частности активных материалов отрицательного электрода углеродной серии. Путем оптимизации диапазонов состава Sn и V как первого и второго добавочных элементов, активный материал отрицательного электрода Si-Sn-V-серии согласно настоящему изобретению не только может обеспечивать высокую емкость, но также может сохранять высокую разрядную емкость даже после 50 циклов или 100 циклов. А именно, может быть получен активный материал отрицательного электрода, содержащий сплав Si-Sn-V-серии, обеспечивающий длительный циклический ресурс.

[0014] В активном материале отрицательного электрода, содержащем сплав Si-Sn-V-серии согласно настоящему изобретению, если содержание по меньшей мере одного из Sn и V превышает 73% по массе, начальная разрядная емкость проявляет тенденцию к снижению, поскольку содержание Si составляет менее 27% по массе. В дополнение, если Sn и V не содержатся, хороший циклический ресурс не может быть обеспечен.

[0015] Для дополнительного улучшения этих характеристик активного материала отрицательного электрода, сплав предпочтительно содержит Si с содержанием в диапазоне от 27% по массе до 84% по массе, Sn с содержанием в диапазоне от 10% по массе до 73% по массе и V с содержанием в диапазоне от 6% по массе до 73% по массе. Как указано затемненной областью в ФИГ. 2, сплав более предпочтительно содержит Si с содержанием в диапазоне от 27% по массе до 84% по массе, Sn с содержанием в диапазоне от 10% по массе до 63% по массе и V с содержанием в диапазоне от 6% по массе до 63% по массе. Как указано затемненной областью в ФИГ. 3, сплав еще более предпочтительно содержит Si с содержанием в диапазоне от 27% по массе до 52% по массе. Как очевидно из затемненной области в ФИГ. 4, сплав вполне предпочтительно содержит Sn с содержанием в диапазоне от 10% по массе до 52% по массе и V с содержанием в диапазоне от 20% по массе до 63% по массе, наиболее предпочтительно содержит Sn с содержанием в диапазоне от 10% по массе до 40% по массе.

[0016] Следует отметить, что сплав, содержащийся в активном материале отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения, неизбежно содержит примеси, происходящие из сырьевых материалов и обусловленные способом получения, в дополнение к трем описанным выше компонентам. Содержание неизбежных примесей предпочтительно составляет менее 0,5% по массе, более предпочтительно менее 0,1% по массе.

[0017] Как было описано выше, сплав, входящий в состав активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения, содержит Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси как остаток. А именно, сплав состоит из Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежных примесей в качестве остатка.

[0018] Способ изготовления активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения, который представляет собой сплав Si-Sn-V-серии, имеющий вышеописанный состав, не является конкретно ограниченным и может быть любым общеизвестным способом. А именно, могут быть использованы разнообразные традиционные способы изготовления без любого конкретного препятствия, в такой мере, насколько имеет место незначительное различие в условиях и характеристиках сплава, полученного этими способами изготовления.

[0019] Например, тонкая пленка сплава, имеющего описанный выше состав, может быть получена методом множественного физического осаждения из паровой фазы (PVD) (методом напыления, методом резистивного нагревания, методом лазерной абляции) или методом множественного химического осаждения из паровой фазы (CVD) (методом химического выращивания из паровой фазы). Примеры метода множественного PVD включают в себя метод напыления, метод резистивного нагревания и метод лазерной абляции. К методу множественного CVD может относиться метод химического выращивания из паровой фазы. Этими способами изготовления отрицательный электрод может быть получен таким образом, что легированная тонкая пленка формируется непосредственно на токоотводе. Таким образом, эти способы изготовления содействуют упрощению процесса. В дополнение, эти способы изготовления не требуют применения других компонентов, составляющих слой активного материала отрицательного электрода, таких как связующий материал и электропроводная добавка, иная, нежели сплав, и поэтому легированная тонкая пленка в качестве активного материала отрицательного электрода простым путем используется для отрицательного электрода. Соответственно этому эти способы изготовления содействуют достижению более высокой емкости и плотности энергии, которые удовлетворяют уровню, пригодному для практического применения в транспортных средствах, и являются желательными для исследования электрохимических характеристик активного материала.

[0020] В способе изготовления легированной тонкой пленки может быть применена установка для магнетронного распыления множественных мишеней при постоянном токе, такая как установка для магнетронного распыления при постоянном токе с независимым регулированием трехкомпонентного напыления. Такая установка может легко формировать легированные тонкие пленки из сплава Si-Sn-V-серии, имеющие разнообразные составы сплава и толщины, на поверхности подложки (токоотвода). Например, в установке для магнетронного тройного распыления при постоянном токе применяют мишень 1 (Si), мишень 2 (Sn) и мишень 3 (V), фиксируют продолжительность напыления и изменяют уровень мощности источника постоянного тока (DC) на 185 Вт для Si, в диапазоне от 0 до 50 Вт для Sn и в диапазоне от 0 до 150 Вт для V. Соответственно этому могут быть получены образцы серии тройных сплавов, имеющие разнообразные варианты составов. Следует отметить, что, поскольку условия напыления зависят от распылительных устройств, предпочтительно оценивать подходящие диапазоны для условий напыления посредством предварительных испытаний для каждого распылительного устройства.

[0021] Как было описано выше, для слоя активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения может быть использована легированная тонкая пленка из сплава Si-Sn-V-серии. В альтернативном варианте слой активного материала отрицательного электрода может представлять собой слой, содержащий частицы сплава Si-Sn-V-серии в качестве основного компонента. Примеры способа изготовления такого сплава в дисперсном состоянии, имеющего вышеописанный состав, включают в себя способ механического легирования и метод плазменной плавки. Когда в качестве активного материала отрицательного электрода используют сплав в дисперсной форме частиц, сначала готовят суспензию таким образом, что к частицам сплава добавляют связующий материал, электропроводную добавку и растворитель для регулирования вязкости. Затем полученную таким образом суспензию наносят на токоотвод с образованием слоя активного материала отрицательного электрода, чтобы получить отрицательный электрод. Такой способ является превосходным в плане массового производства и практичности для реальных аккумуляторных электродов.

[0022] Когда в качестве активного материала отрицательного электрода используют сплав в дисперсном состоянии, средний диаметр частиц сплава не является конкретно ограниченным в такой мере, насколько он по существу является таким же, как сплав из общеупотребительных активных материалов отрицательного электрода. Здесь средний диаметр частиц предпочтительно варьирует в диапазоне от 1 мкм до 20 мкм по соображениям более высокой выходной мощности; однако средний диаметр частиц может иметь величину в других диапазонах в такой мере, насколько он может надлежащим образом достигать описанных выше эффектов.

[0023] Следует отметить, что в описании настоящего изобретения «диаметр частиц» представляет наибольшую длину между любыми двумя точками на периметре частицы активного материала (в плоскости наблюдения), различаемую устройством для наблюдения, таким как сканирующий электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM). В дополнение, «средний диаметр частиц» представляет значение, рассчитанное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM) как усредненное значение диаметров частиц, наблюдаемых с использованием от нескольких до нескольких десятков полей зрения. Диаметры частиц и средние диаметры частиц других компонентов могут быть определены таким же путем.

[Отрицательный электрод для электрического устройства и электрическое устройство]

[0024] Отрицательный электрод для электрического устройства согласно настоящему изобретению включает в себя активный материал отрицательного электрода, содержащий сплав Si-Sn-V-серии. Литий-ионная вторичная батарея в качестве показательного примера электрического устройства включает в себя по меньшей мере одну одиночную ячейку, включающую в себя отрицательный электрод, в котором слои активного материала отрицательного электрода, содержащие активный материал отрицательного электрода, размещены на обеих сторонах токоотвода, причем одиночная ячейка дополнительно включает в себя электролитный слой и положительный электрод. Далее подробно разъясняются конструкция литий-ионной вторичной батареи и применяемые в ней материалы.

(Конструкция литий-ионной вторичной батареи)

[0025] ФИГ. 5 показывает один пример литий-ионной вторичной батареи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано в ФИГ. 5, литий-ионная вторичная батарея 1 согласно настоящему варианту исполнения имеет конструкцию, в которой батарейный элемент 10, к которому присоединены клеммный вывод 21 положительного электрода и клеммный вывод 22 отрицательного электрода, заключен в герметичный внешний корпус 30. В настоящем варианте исполнения клеммный вывод 21 положительного электрода и клеммный вывод 22 отрицательного электрода выходят на противоположные стороны снаружи внешнего корпуса 30. Следует отметить, что клеммный вывод положительного электрода и клеммный вывод отрицательного электрода могут выходить на одну и ту же сторону снаружи внешнего корпуса (в фигуре не показано). В дополнение, клеммный вывод положительного электрода и клеммный вывод отрицательного электрода могут быть присоединены к токоотводам положительного электрода и токоотводам отрицательного электрода, которые будут описаны ниже, с помощью сварки, такой как ультразвуковая сварка или контактная электросварка.

(Клеммный вывод положительного электрода и клеммный вывод отрицательного электрода)

[0026] Клеммный вывод 21 положительного электрода и клеммный вывод 22 отрицательного электрода выполнены из такого материала, как алюминий (Al), медь (Cu), титан (Ti), никель (Ni), нержавеющая сталь (SUS) или их сплав. Однако материал этими примерами не ограничивается и может быть любым общеизвестным материалом, используемым для клеммных выводов в литий-ионных вторичных батареях. Клеммный вывод положительного электрода и клеммный вывод отрицательного электрода могут быть изготовлены из одинакового материала или могут быть выполнены из различных материалов. Клеммные выводы могут быть приготовлены заблаговременно и соединены с описываемыми ниже токоотводами положительного электрода и токоотводами отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения. В альтернативном варианте каждый из описываемых ниже токоотводов положительного электрода и токоотводов отрицательного электрода может быть удлиненным для формирования соответствующих клеммных выводов, когда они имеют форму фольги.

(Внешний корпус)

[0027] Внешний корпус 30 предпочтительно изготавливают из пленкообразного наружного материала по соображениям, например, снижения размера и веса. Однако внешний корпус 30 не ограничивается таким материалом и может быть любым общеизвестным материалом, используемым для внешних корпусов литий-ионных вторичных батарей. Когда литий-ионную вторичную батарею используют для транспортного средства, предпочтительно применяют составной многослойный лист металла-полимера, имеющий высокую теплопроводность, чтобы эффективно передавать теплоту от источника тепла транспортного средства и быстро нагревать внутренность батареи до рабочей температуры батареи.

(Батарейный элемент)

[0028] Как показано в ФИГ. 5, батарейный элемент 10 в литий-ионной вторичной батарее 1 согласно настоящему варианту исполнения включает в себя многочисленные слои 14 одиночных ячеек, наслоенные друг поверх друга, причем каждый из них включает в себя положительный электрод 11, электролитный слой 13 и отрицательный электрод 12. Положительный электрод 11 имеет конфигурацию, в которой слои 11В активного материала положительного электрода сформированы на обеих основных поверхностях токоотвода 11А положительного электрода. Отрицательный электрод 12 имеет конфигурацию, в которой слои 12В активного материала отрицательного электрода сформированы на обеих основных поверхностях токоотвода 12А отрицательного электрода.

[0029] В этом случае слой 11В активного материала положительного электрода, сформированный на одной основной поверхности токоотвода 11А положительного электрода для положительного электрода 11, обращен к слою 12В активного материала отрицательного электрода, сформированного на одной основной поверхности токоотвода 12А отрицательного электрода для отрицательного электрода, с размещенным между ними электролитным слоем 13. Несколько комплектов из положительного электрода, электролитного слоя и отрицательного электрода, размещенных в этом порядке, установлены ярусами один поверх другого. Слой 11В активного материала положительного электрода, электролитный слой 13 и слой 12В активного материала отрицательного электрода, смежные друг с другом, составляют каждый слой 14 одиночной ячейки. А именно, литий-ионная вторичная батарея 1 согласно настоящему варианту исполнения имеет конструкцию, в которой многочисленные слои 14 одиночных ячеек наслоены один поверх другого таким образом, чтобы быть электрически соединенными параллельно. Здесь каждый из токоотводов 12А отрицательных электродов, расположенных на самых наружных слоях батарейного элемента 10, снабжен слоем 12В активного материала отрицательного электрода только с одной их стороны.

[0030] В дополнение, вдоль соответствующих слоев одиночных ячеек могут быть размещены изолирующие слои (в фигуре не показаны) для изоляции токоотводов положительных электродов и токоотводов отрицательных электродов, смежных между собой. Такой изолирующий слой предпочтительно изготовлен из материала, который удерживает электролит, содержащийся в электролитном слое, и предотвращает утечку жидкостного электролита. В частности, может быть использован пластик общего назначения, такой как полипропилен (PP), полиэтилен (PE), полиуретан (PUR), полиамидная смола (PA), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVdF) и полистирол (PS). В альтернативном варианте также может быть использован термопластический олефиновый каучук или силиконовый каучук.

(Токоотвод положительного электрода и токоотвод отрицательного электрода)

[0031] Токоотвод 11А положительного электрода и токоотвод 12А отрицательного электрода изготовлены из электрически проводящего материала, такого как алюминий, медь и нержавеющая сталь (SUS), в форме фольги или в виде сетки. Однако токоотвод 11А положительного электрода и токоотвод 12А отрицательного электрода не ограничиваются таким материалом и могут быть из любого общеизвестного материала, используемого для токоотводов в литий-ионных вторичных батареях. Размер токоотводов может определяться в зависимости от предполагаемого применения батареи. Например, токоотводы, имеющие большие площади, применяются для крупноразмерной батареи, для которой требуется высокая плотность энергии. Толщина токоотводов не является конкретно ограниченной; однако толщина в основном варьирует приблизительно в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм. Форма токоотводов не является конкретно ограниченной. В батарейном элементе 10, показанном в ФИГ. 5, могут быть использованы токоотводы из фольги или сетчатые токоотводы (такие как растянутые сетки). Токоотводы из фольги пригодны для применения, когда тонкую пленку сплава в качестве активного материала отрицательного электрода формируют непосредственно на токоотводе 12А отрицательного электрода методом напыления.

[0032] Материал, применяемый для токоотводов, не является конкретно ограниченным. Примеры материала включают в себя металл и смолу, в которой к электропроводному полимерному материалу или непроводящему полимерному материалу добавлен электрически проводящий наполнитель. Примеры металла включают в себя алюминий, никель, железо, нержавеющую сталь, титан и медь. В дополнение, предпочтительно используют биметаллический материал из никеля и алюминия, биметаллический материал из меди и алюминия или плакированный материал из этих металлов, объединенных между собой. Также может быть использована фольга, в которой металлическая поверхность покрыта алюминием. В частности, алюминий, нержавеющая сталь, медь и никель являются предпочтительными по соображениям электронной проводимости, потенциала действия батареи и адгезии активного материала отрицательного электрода к токоотводам при напылении.

[0033] Примеры электрически проводящего полимерного материала включают в себя полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил и полиоксадиазол. Эти электрически проводящие полимерные материалы имеют преимущество в упрощении производственного процесса и легкости токоотводов, поскольку эти материалы имеют достаточную электрическую проводимость, даже если в них не добавлен электрически проводящий наполнитель.

[0034] Примеры непроводящего полимерного материала включают в себя полиэтилен (РЕ; такой как полиэтилен высокой плотности (HDPE) и полиэтилен низкой плотности (LDPE)), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), простой полиэфирнитрил (PEN), полиимид (PI), полиамидимид (PAI), полиамид (PA), политетрафторэтилен (PTFE), бутадиен-стирольный каучук (SBR), полиакрилонитрил (PAN), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA), поливинилхлорид (PVC), поливинилиденфторид (PVdF) и полистирол (PS). Эти непроводящие полимерные материалы имеют высокую выносливость в отношении электрического напряжения или устойчивость к растворителям.

[0035] Электрически проводящий полимерный материал или непроводящий полимерный материал может включать в себя электрически проводящий наполнитель, который добавляют при необходимости. В частности, когда смола, служащая в качестве подложки токоотвода, включает в себя только непроводящий полимер, электрически проводящий наполнитель является существенным для придания смоле электрической проводимости. Электрически проводящий наполнитель не является конкретно ограниченным в такой мере, насколько он представляет собой вещество, имеющее электрическую проводимость. Примеры материала, имеющего высокую электрическую проводимость, устойчивость в отношении электрического напряжения или способность изолировать ионы лития, включают в себя металл и электрически проводящий углерод. Металл не является конкретно ограниченным; однако металл предпочтительно представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb и К, или сплав, или оксид металла, содержащий эти металлы. Электрически проводящий углерод не является конкретно ограниченным; однако углерод предпочтительно представляет собой по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из ацетиленовой сажи, электропроводящей сажи сортов Vulcan (зарегистрированный товарный знак), Black Pearls (зарегистрированный товарный знак), углеродное нановолокно, Ketjenblack (зарегистрированный товарный знак), углеродные нанотрубки, углеродные нанорожки, углеродные нанобаллоны и фуллерен. Количество электрически проводящего наполнителя, добавляемого в токоотводы, не является конкретно ограниченным в такой мере, насколько он сообщает токоотводам достаточную электрическую проводимость. Как правило, количество варьирует приблизительно в диапазоне от 5% до 35% по массе от всего токоотвода.

[0036] Однако токоотводы не ограничиваются описанными выше материалами и могут быть из любого общеизвестного материала, используемого для токоотводов в литий-ионных вторичных батареях.

(Положительный электрод)

[0037] Положительный электрод 11 литий-ионной вторичной батареи имеет конфигурацию, в которой слои 11В активного материала положительного электрода сформированы на одной поверхности или на обеих поверхностях токоотвода 11А положительного электрода, выполненного из электрически проводящего материала, такого как алюминиевая фольга, медная фольга, никелевая фольга и фольга из нержавеющей стали. Толщина токоотвода положительного электрода не является конкретно ограниченной, как описано выше; однако в основном она предпочтительно варьирует приблизительно в диапазоне от 1 мкм до 30 мкм.

[0038] Слой 11В активного материала положительного электрода содержит в качестве активного материала положительного электрода любой один из положительных электродных материалов, или два, или более из них, способных абсорбировать и высвобождать литий, и также может содержать электропроводную добавку и связующий материал, если необходимо. Соотношение компонентов активного материала положительного электрода, электропроводной добавки и связующего материала в слое активного материала положительного электрода не является конкретно ограниченным.

[0039] Примеры активного материала положительного электрода включают в себя сложный оксид лития-переходного металла, фосфатное соединение лития-переходного металла, сульфатное соединение лития-переходного металла, материал из серии твердых растворов, трехкомпонентный материал, материал из NiMn-серии, материал из NiCo-серии и материал из серии соединений марганца с кристаллической решеткой шпинели.

[0040] Примеры сложного оксида лития-переходного металла включают в себя LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, Li(Li,Ni,Mn,Co)O2 и LiFePO4. В дополнение, может быть использован оксид, в котором часть переходного металла, содержащегося в каждом из этих сложных оксидов, замещена другими элементами. Примеры материала из серии твердых растворов включают в себя xLiMO2·(1-x)Li2NO3 (где 0<x<1, М представляет по меньшей мере один переходный элемент-металл в средней степени окисления 3+, N представляет по меньшей мере один переходный элемент-металл в средней степени окисления 4+) и LiRO2-LiMn2O4 (R представляет переходный элемент-металл, такой как Ni, Mn, Co и Fe).

[0041] Трехкомпонентный материал может представлять собой никель-кобальт-марганцевый сложный материал положительного электрода. Материал из серии соединений марганца с кристаллической решеткой шпинели может представлять собой LiMn2O4. Материал из NiMn-серии может быть LiNi0,5Mn1,5O4. Материал из NiCo-серии может представлять собой Li(NiCo)O2. По обстоятельствам, два или более сортов активных материалов положительного электрода могут быть объединены друг с другом. По соображениям достижения более высокой емкости и лучших энергетических характеристик, для активного материала положительного электрода предпочтительно используют сложный оксид лития-переходного металла.

[0042] Диаметр частиц активного материала положительного электрода не является конкретно ограниченным, однако, как правило, он предпочтительно является настолько малым, насколько возможно. Средний диаметр частиц активного материала положительного электрода может варьировать приблизительно в диапазоне от 1 мкм до 30 мкм, более предпочтительно приблизительно в диапазоне от 5 мкм до 20 мкм, с позиции производительности работы и простоты обращения. Конечно, могут быть применены другие активные материалы положительного электрода, имеющие иные средние диаметры частиц, нежели вышеописанный диапазон. В случае, что для активных материалов требуются частицы с различными диаметрами, чтобы достигнуть их собственных надлежащих эффектов, могут быть выбраны активные материалы, имеющие частицы с различными диаметрами, и смешаны друг с другом для достижения оптимального проявления их собственных эффектов. Таким образом, нет необходимости выравнивать диаметр частиц во всех активных материалах.

[0043] Связующий материал добавляют для соединения активных материалов между собой или для связывания активного материала с токоотводом, чтобы поддерживать структуру электрода. Примеры связующего материала включают в себя: термопластическую смолу, такую как поливинилиденфторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилацетат, полиимид (PI), полиамид (PA), поливинилхлорид (PVC), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA), простой полиэфирнитрил (PEN), полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и полиакрилонитрил (PAN); термореактивную смолу, такую как эпоксидная смола, полиуретановая смола и мочевинная смола; и каучуковый материал, такой как бутадиен-стирольный каучук (SBR).

[0044] Электропроводная добавка также называется электропроводным агентом, добавляемым для улучшения электрической проводимости. Электропроводная добавка, применяемая в настоящем изобретении, не является конкретно ограниченной и может быть любым общеизвестным агентом. Электропроводная добавка может представлять собой углеродный материал, такой как техническая сажа (такая как ацетиленовая сажа), графит и углеродное волокно. Введение электропроводной добавки содействует эффективному установлению электронной сети в слое активного материала, тем самым улучшая выходные характеристики и надежность батареи благодаря улучшению условий удержания раствора электролита.

(Отрицательный электрод)

[0045] Отрицательный электрод 12 имеет конфигурацию, как в случае положительного электрода, в которой слои 12В активного материала отрицательного электрода сформированы на одной поверхности или обеих поверхностях токоотвода 12А отрицательного электрода, выполненного из электрически проводящего материала, как было описано выше.

[0046] Слой 12В активного материала отрицательного электрода содержит в качестве активного материала отрицательного электрода любой один из отрицательных электродных материалов, или два, или более из них, способных абсорбировать и высвобождать литий, и при необходимости также может содержать такие же электропроводную добавку и связующий материал, как активный материал положительного электрода. Соотношение компонентов активного материала отрицательного электрода, электропроводной добавки и связующего материала в слое активного материала отрицательного электрода не является конкретно ограниченным.

[0047] Литий-ионная вторичная батарея в качестве электрического устройства согласно настоящему изобретению включает в себя активный материал отрицательного электрода, содержащий в качестве существенного компонента сплав Si-Sn-V-серии, имеющий вышеописанный состав. Как было описано выше, слой 12В активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту исполнения может представлять собой тонкую пленку, включающую в себя сплав Si-Sn-V-серии. В этом случае слой 12В активного материала отрицательного электрода может состоять из сплава Si-Sn-V-серии или может дополнительно содержать общеизвестный активный материал отрицательного электрода, который будет описан ниже, способный обратимо абсорбировать и высвобождать литий без какой-нибудь конкретной помехи.

[0048] В альтернативном варианте, как было описано выше, слой 12В активного материала отрицательного электрода может содержать в качестве основного компонента частицы сплава Si-Sn-V-серии. В этом случае активный материал 12В отрицательного электрода при необходимости может содержать электропроводную добавку и связующий материал, которые также может содержать слой 11B активного материала положительного электрода. Следует отметить, что в настоящем описании «основной компонент» представляет компонент, содержащийся в слое 12В активного материала отрицательного электрода с содержанием, большим или равным 50% по массе.

[0049] Другой активный материал отрицательного электрода, используемый совместно, может представлять собой углеродный материал, такой как графит, который представляет собой высококристалличный углерод (такой как природный графит и искусственный графит), низкокристалличный углерод (такой как мягкий углерод и твердый углерод), сажа (такая как сажа Ketjenblack, ацетиленовая сажа, канальная сажа, ламповая сажа, нефтяная печная сажа и термическая сажа), фуллерен, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, углеродные нанорожки и углеродные фибриллы. Примеры активного материала отрицательного электрода дополнительно включают в себя одиночное вещество, легированное литием, такое как 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, и оксид и карбид, содержащий перечисленные выше элементы. Примеры оксида включают в себя монооксид кремния (SiO), SiOx (0<x<2), диоксид олова (SnO2), SnOx (0<x<2) и SnSiO3. Карбид может представлять собой карбид кремния (SiC). Другие примеры активного материала отрицательного электрода включают в себя металлический материал, такой как металлический литий, и сложный оксид лития-переходного металла, такой как сложный оксид лития-титана (титанат лития: Li4Ti5O12). Каждый из этих активных материалов отрицательного электрода может быть использован по отдельности, или же два или более из этих материалов могут быть применены совместно.

[0050] Отрицательный электрод может быть получен таким образом, что суспензию, содержащую активный материал отрицательного электрода вместе с электропроводной добавкой и связующим материалом, наносят на поверхность токоотвода отрицательного электрода с образованием слоя активного материала отрицательного электрода. В альтернативном варианте отрицательный электрод может быть получен таким образом, что тонкую пленку из сплава, составляющего активный материал отрицательного электрода, формируют непосредственно на поверхности токоотвода отрицательного электрода методом множественного PVD или методом множественного CVD.

[0051] Как было описано выше, каждый из слоя активного материала положительного электрода и слоя активного материала отрицательного электрода обеспечивают на одной стороне или обеих сторонах соответствующих токоотводов. В альтернативном варианте один токоотвод может быть оснащен слоем активного материала положительного электрода на одной стороне и снабжен слоем активного материала отрицательного электрода на другой стороне. Электроды, имеющие такую конфигурацию, могут быть использованы для биполярной батареи.

(Электролитный слой)

[0052] Электролитный слой 13 содержит неводный электролит, который действует как носитель ионов лития, которые перемещаются между положительным электродом и отрицательным электродом во время зарядки и разрядки. Толщину электролитного слоя 13 предпочтительно сокращают настолько, насколько возможно, чтобы снизить внутреннее сопротивление. Толщина в основном варьирует в диапазоне приблизительно от 1 мкм до 100 мкм, предпочтительно в диапазоне от 5 мкм до 50 мкм.

[0053] Неводный электролит, содержащийся в электролитном слое 13, не является конкретно ограниченным в такой мере, насколько он функционирует как носитель ионов лития, и может представлять собой жидкостный электролит или полимерный электролит.

[0054] Жидкостный электролит имеет состав, в котором соли лития (солевые электролиты) растворены в органическом растворителе. Органический растворитель может представлять собой карбонат, такой как этиленкарбонат (ЕС), пропиленкарбонат (РС), бутиленкарбонат (ВС), виниленкарбонат (VC), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) и метилпропилкарбонат (MPC). Соли лития могут представлять собой соединение, которое может быть добавлено в слои активных электродных материалов, такое как Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiTaF6, LiClO4 и LiCF3SO3.

[0055] Полимерный электролит подразделяют на два типа; гелевый полимерный электролит (гелевый электролит), содержащий электролитический раствор, и подлинно полимерный электролит, не содержащий электролитический раствор. Гелевый полимерный электролит предпочтительно имеет состав, в котором жидкостный электролит залит в матричный полимер (базовый полимер), включающий в себя ионпроводящий полимер. Применение гелевого полимерного электролита снижает текучесть электролита таким образом, что ионная проводимость между соответствующими слоями легко прерывается.

[0056] Ионпроводящий полимер, используемый в качестве матричного полимера (базового полимера), не является конкретно ограниченным, и примеры его включают в себя полиэтиленоксид (РЕО), полипропиленоксид (РРО), поливинилиденфторид (PVDF), сополимер поливинилиденфторида и гексафторпропилена (PVDF-HFP), полиэтиленгликоль (PEG), полиакрилонитрил (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) и сополимер этих соединений.

[0057] Ионпроводящий полимер может быть таким же, как полимер с ионной проводимостью, используемый в качестве электролита в слоях активных материалов, или отличаться от него, но предпочтительно является таким же. Электролитический раствор (а именно, соли лития и органический растворитель) не является конкретно ограниченным, и могут быть использованы такие солевые электролиты, как соли лития, и такой органический растворитель, как карбонат, как было описано выше.

[0058] Подлинно полимерный электролит имеет состав, в котором соли лития растворены в матричном полимере, но органический растворитель не содержится. Таким образом, применение подлинно полимерного электролита содействует снижению опасности утечки жидкости из батареи и тем самым повышает надежность батареи.

[0059] Матричный полимер гелевого полимерного электролита или подлинно полимерного электролита может проявлять высокую механическую прочность, когда сформирована сшитая структура. Сшитая структура может быть сформирована таким образом, что способный к полимеризации полимер, используемый для формирования полимерного электролита (например, РЕО или РРО), подвергают полимеризации с использованием подходящего инициатора полимеризации. Примеры полимеризации включают в себя термическую полимеризацию, инициируемую ультрафиолетовым излучением полимеризацию, радиационную полимеризацию и полимеризацию под действием электронного пучка. Неводный электролит, содержащийся в электролитном слое 13, может быть использован как одиночный, или могут быть смешаны два или более сортов его.

[0060] Сепаратор предпочтительно применяют в электролитном слое 13, когда электролитный слой 13 содержит жидкостный электролит или гелевый полимерный электролит. Конкретной конфигурацией сепаратора может быть микропористая пленка, выполненная из полиолефина, такого как полиэтилен и полипропилен.

(Конструкция батареи)

[0061] Литий-ионная вторичная батарея имеет конструкцию, в которой батарейный элемент заключен в батарейный корпус, такой как корпус в форме стаканчика или многослойный контейнер (упаковочный бокс). Батарейный элемент (электродная структура) имеет конфигурацию, в которой положительный электрод и отрицательный электрод соединены друг с другом через электролитный слой. Литий-ионные вторичные батареи главным образом подразделяют на два типа: батарея рулонного типа, включающая в себя батарейный элемент, в котором положительные электроды, электролитные слои и отрицательные электроды намотаны в рулон, и батарея пакетного типа, включающая в себя батарейный элемент, в котором положительные электроды, электролитные слои и отрицательные электроды наслоены друг на друга ярусами. Описанная выше биполярная батарея имеет конструкцию, соответствующую батарее пакетного типа. Литий-ионная вторичная батарея также называется таблеточным элементом, батареей пуговичного типа или слоистой батареей, в зависимости от формы и конструкции батарейного корпуса.

ПРИМЕРЫ

[0062] Далее настоящее изобретение разъясняется более подробно со ссылкой на примеры; однако настоящее изобретение этими примерами не ограничивается.

[0063] [1] Изготовление отрицательного электрода

В качестве распылительного устройства использовали установку для магнетронного распыления при постоянном токе с независимым регулированием трехкомпонентного напыления (производства фирмы Yamato-Kiki Industrial Co., Ltd.; установка для комбинаторного нанесения покрытий напылением; расстояние между распылителем и образцом: около 100 мм). Каждую из тонких пленок из сплавов активного материала отрицательного электрода, имеющих составы согласно соответствующим примерам, сформировали на подложке токоотвода, выполненной из никелевой фольги, имеющей толщину 20 мкм, с использованием этой установки, при нижеприведенных условиях. Соответственно этому получили 31 образец отрицательных электродов.

(Условия изготовления)

[0064] (1) Мишени (производства фирмы Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.; чистота: 4N (99,99%))

Si: диаметр 50,8 мм; толщина 3 мм (с опорным диском из бескислородной меди с толщиной 2 мм)

Sn: диаметр 50,8 мм; толщина 5 мм

V: диаметр 50,8 мм; толщина 5 мм

(2) Условия формирования пленки

Базовое давление: до 7 Ч 10-6

Газ-носитель для распыления: Ar (с чистотой 99,9999% или выше)

Величина расхода потока газа-носителя для распыления: 10 см3/минуту

Давление распыления: 30 мТорр (4 Па)

Мощность источника постоянного тока: Si (185 Вт), Sn (от 0 до 50 Вт), V (от 0 до 150 Вт)

Продолжительность предварительного распыления: 1 минута

Продолжительность распыления: 10 минут

Температура подложки: комнатная температура

[0065] А именно, в каждом примере использовали Si-мишень, Sn-мишень и V-мишень, фиксированную продолжительность распыления установили на 10 минут, и уровни мощности источника постоянного тока изменяли для каждой мишени в пределах вышеописанных диапазонов. Затем легированные тонкие пленки в аморфном состоянии сформировали на Ni-подложках, чтобы получить образцы отрицательных электродов для каждого примера, включающие в себя легированные тонкие пленки, имеющие разнообразные составы. Таблица 1 и ФИГУРЫ 1-4 показывают элементные составы этих легированных тонких пленок.

[0066] Что касается приготовления образцов, то, например, в Образце № 14 (Пример) источник 1 постоянного тока (Si-мишень) настроили на 185 Вт, источник 2 постоянного тока (Sn-мишень) настроили на 25 Вт и источник 3 постоянного тока (V-мишень) настроили на 140 Вт. В Образце № 23 (Сравнительный Пример) источник 1 постоянного тока (Si-мишень) настроили на 185 Вт, источник 2 постоянного тока (Sn-мишень) настроили на 30 Вт и источник 3 постоянного тока (V-мишень) настроили на 0 Вт. В Образце № 29 (Сравнительный Пример) источник 1 постоянного тока (Si-мишень) настроили на 185 Вт, источник 2 постоянного тока (Sn-мишень) настроили на 0 Вт и источник 3 постоянного тока (V-мишень) настроили на 80 Вт.

[0067] Полученные легированные тонкие пленки проанализировали с использованием следующих метода анализа и аналитического устройства:

(Метод анализа)

[0068] Анализ состава: SEM-EDX-анализ (сканирующая электронная спектроскопия и энергорассеивающая рентгеновская спектрометрия) (прибор производства фирмы JEOL Ltd.), EPMA-анализ (электронно-зондовый анализ) (прибор производства фирмы JEOL Ltd.)

Измерение толщины пленки (для расчета скорости напыления): измеритель толщины пленки (прибор производства фирмы Tokyo Instruments, Inc.)

Анализ состояния пленки: анализ с использованием Рамановской спектроскопии (прибор производства фирмы Bruker Corporation)

[2] Изготовление батарей

[0069] Каждый образец отрицательного электрода, полученный, как описано выше, поместили на лицевую поверхность противоэлектрода, выполненного из литиевой фольги, через сепаратор и залили в него электролитический раствор, чтобы приготовить таблеточный элемент типа CR2032, предписанный в стандарте IEC60086, для каждого образца. Литиевая фольга представляла собой фольгу из лития (производства фирмы Honjo Metal Co., Ltd.), разрезанную таким образом, чтобы иметь диаметр 15 мм и толщину 200 мкм. Сепаратор представлял собой Celgard 2400 (производства фирмы Celgard, LLC.). Использованный электролитический раствор приготовили таким образом, что LiPF6 (гексафторфосфат лития) растворили до концентрации 1 моль/литр в смешанном неводном растворителе, в котором этиленкарбонат (ЕС) и диэтилкарбонат (DEC) были смешаны в соотношении 1:1.

[3] Испытание батарей в режиме «зарядка-разрядка»

[0070] Нижеследующее испытание в режиме «зарядка-разрядка» выполнили на соответствующих элементах, полученных, как описано выше. То есть соответствующие элементы подвергали зарядке и разрядке с использованием зарядно-разрядного тестера в термостатированной бане, настроенной на температуру 300 К (27°С). Использованным зарядно-разрядным тестером был HJ0501SM8A (производства фирмы Hokuto Denko Corporation), и в качестве термостатированной бани применяли термостат PFU-3K (производства фирмы ESPEC Corp.). Каждый элемент заряжали током 0,1 мА от 10 мВ до 2 В в режиме постоянной силы тока/постоянного напряжения во время зарядки, то есть в процессе интеркаляции Li в отрицательный электрод в качестве оценочного образца. После этого каждый элемент подвергали разрядке током 0,1 мА от 2 В до 10 мВ в режиме постоянной силы тока во время разряда, то есть в процессе высвобождения Li из отрицательного электрода. Эту процедуру зарядки-разрядки можно рассматривать как одиночный зарядно-разрядный цикл. Испытание в режиме «зарядка-разрядка» проводили с повторением вышеописанного зарядно-разрядного цикла 100 раз. Затем в каждом случае проанализировали степени сохранения разрядной емкости при проведении 50-го цикла и 100-го цикла, относительно 1-го цикла. Таблица 1 показывает полученные таким образом результаты. Разрядную емкость рассчитывали относительно веса сплава. Следует отметить, что в Таблице 1 «Степень сохранения разрядной емкости (%)» представляет отношение величины разрядной емкости при 50-м цикле или при 100-м цикле к величине разрядной емкости при 1-м цикле. А именно, степень сохранения разрядной емкости рассчитывается согласно выражению: (разрядная емкость при 50-м цикле или при 100-м цикле)/(разрядная емкость при 1-м цикле)×100.

[0072] Как очевидно из Таблицы 1, батареи из Образцов № 1-4, 6, 7 и 10-16 согласно Примерам достигли лучшего баланса между разрядной емкостью при 1-м цикле, степенью сохранения разрядной емкости при 50-м цикле и степенью сохранения разрядной емкости при 100-м цикле. А именно, Таблица 1 показывает, что лучший баланс был достигнут, когда содержание Si варьирует в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, содержание Sn варьирует в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и содержание V варьирует в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе. С другой стороны, батареи из Образцов № 5, 8, 9 и 17-32 согласно Сравнительным Примерам показали значительное снижение степени сохранения разрядной емкости по сравнению с батареями Примеров, даже если некоторые из Сравнительных Примеров достигали относительно высокой разрядной емкости при 1-м цикле.

[0073] Результаты испытания выявили, что батареи согласно Примерам с использованием сплава Si-Sn-V-серии в качестве активного материала отрицательного электрода, содержащего соответствующие компоненты с содержанием в предписанных диапазонах, показали следующие характеристики. А именно, эти батареи проявили начальную емкость, большую или равную 712 мА·ч/г, степень сохранения разрядной емкости 92% или выше после 50 циклов и степень сохранения разрядной емкости 44% или выше после 100 циклов.

[0074] Полное содержание Японской Патентной Заявки № Р2011-116536 (поданной 25 мая 2011 года) включено здесь ссылкой.

[0075] Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на примеры, настоящее изобретение не ограничивается их описаниями, и квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что могут быть сделаны разнообразные модификации и усовершенствования.

[0076] В качестве примера электрического устройства в варианте исполнения и примерах была приведена литий-ионная вторичная батарея; однако настоящее изобретение не ограничивается литий-ионной вторичной батареей и применимо к вторичным батареям других типов и, кроме того, к первичным батареям. В дополнение, настоящее изобретение применимо не только к батареям, но также к конденсаторам. Другими словами, отрицательный электрод для электрического устройства и электрическое устройство согласно настоящему изобретению требуют только содержания предварительно заданного сплава в качестве активного материала отрицательного электрода, и другие конструкционные требования не являются конкретно ограниченными.

[0077] Настоящее изобретение также применимо к батареям пуговичного типа и батареям пальчикового типа, в дополнение к вышеописанной многослойной батарее. Кроме того, настоящее изобретение применимо не только к батареям пакетного типа (с плоской формой), но также к батареям рулонного типа (с цилиндрической формой). В отношении электрического соединения внутри литий-ионной вторичной батареи, настоящее изобретение применимо не только к батареям типа внутреннего параллельного соединения, как было описано выше, но и к батареям типа внутреннего последовательного соединения, таким как биполярные батареи. Следует отметить, что в основном батарейный элемент в биполярной батарее имеет конструкцию, в которой биполярные электроды, каждый из которых снабжен слоем активного материала отрицательного электрода на одной стороне токоотвода и слоем активного материала положительного электрода на другой стороне токоотвода и электролитным слоем, наслоены ярусами один поверх другого.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0078] В настоящем изобретении в качестве активного материала отрицательного электрода для электрического устройства используют кремниевый сплав, содержащий Si, Sn и V, каждый из которых имеет состав в описанном выше диапазоне. Соответственно этому в таком электрическом устройстве, как литий-ионная вторичная батарея, применяют активный материал отрицательного электрода, содействующий достижению длительного циклического ресурса и обеспечивающий высокую емкость и долговечность работы в циклическом режиме.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0079]

1 Литий-ионная вторичная батарея

10 Батарейный элемент

11 Положительный электрод

11А Токоотвод положительного электрода

11В Слой активного материала положительного электрода

12 Отрицательный электрод

12А Токоотвод отрицательного электрода

12В Слой активного материала отрицательного электрода

13 Электролитный слой

14 Слой одиночной ячейки

21 Клеммный вывод положительного электрода

22 Клеммный вывод отрицательного электрода

30 Внешний корпус

1. Активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащий: сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 10% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 6% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

2. Активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по п.1, в котором сплав содержит Si в количестве, меньшем или равном 84% по массе.

3. Активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по п.2, в котором сплав содержит Sn в диапазоне от 10% по массе до 63% по массе и V в диапазоне от 6% по массе до 63% по массе.

4. Активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по п.3, в котором сплав содержит Si в количестве, меньшем или равном 52% по массе.

5. Активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по п.4, в котором сплав содержит Sn в количестве, меньшем или равном 40% по массе, и V в количестве, большем или равном 20% по массе.

6. Отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи, содержащий активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по любому из пп.1-5.

7. Литий-ионная вторичная батарея, содержащая активный
материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи по любому из пп.1-5.

8. Литий-ионная вторичная батарея, содержащая отрицательный электрод для литий-ионной вторичной батареи по п.6.



 

Похожие патенты:

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрических устройств, преимущественно для аккумуляторной батареи или конденсатора в источниках питания для электромобиля, содержащий сплав, имеющий состав, представленный формулой SixCyAlz.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, который представляет собой сплав, содержащий Si в количестве от 17 до 90 масс.%, Ti в количестве от 10 до 83 масс.%, Ge в количестве от 0 до 73 масс.% и неизбежные примеси в качестве остатка.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, и может быть использовано в аккумуляторных батареях, конденсаторах или подобных устройствах для приводных и вспомогательных источников питания электродвигателей транспортных средств.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Изобретение относится к активному анодному материалу для литиевого аккумулятора и его использования в указанном аккумуляторе. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу изготовления электрода на основе волокон из кремния или материала на основе кремния в качестве активного материала в перезаряжаемых литиевых аккумуляторах.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока, и непосредственно касается состава водородсорбирующего сплава для отрицательного электрода никель-металлгидридного аккумулятора.

Изобретение относится к электрохимическим водородпоглощающим сплавам и аккумуляторам на их основе. .

Изобретение относится к перезаряжаемым источникам тока, использующим на положительном электроде активную серу. .

Изобретение относится к водородпоглощающим сплавам и аккумуляторам на их основе. .

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий кремний в диапазоне от 33% по массе до 50% по массе, цинк в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 46% по массе исключительно, ванадий в диапазоне от 21% по массе до 67% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка. Активный материал отрицательного электрода может быть получен с помощью установки для магнетронного распыления множественных мишеней при постоянном токе, с использованием, например, кремния, цинка и ванадия в качестве мишеней. Электрическое устройство с использованием активного материала отрицательного электрода может достигать длительного циклического ресурса и обеспечивать высокую емкость и долговечность работы в циклическом режиме. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащему сплав, содержащий Si в диапазоне от 31% по массе или более до 50% по массе или менее, Sn в диапазоне от 16% по массе или более до 41% по массе или менее, Al в диапазоне от 24% по массе или более до 43% по массе или менее и неизбежные примеси в качестве остатка. Также изобретение относится к отрицательному электроду для литий-ионной вторичной батареи, содержащему активный материал отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, а также к литий-ионной вторичной батарее. Предлагаемый материал позволяет подавлять аморфно-кристаллическое фазовое превращение, чтобы увеличить продолжительность циклического ресурса, и позволяет обеспечить высокую емкость. 4 н.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла. Устройство представляет собой электрический конденсатор, используемый для метода импедансной спектроскопии кристаллов, взаимодействующих с лазерным излучением. Каркас конденсатора образуют две диэлектрические стойки, закрепленные в диэлектрической пластине основания. Используемый в работе кристалл кварца размещается в стойках. Металлические электроды располагаются вдоль длины кристалла в радиальных плоскостях оси конденсатора, центрально симметрично по отношению к оси, на одинаковом от нее расстоянии. Наличие симметрии обеспечивает контроль степени однородности электрического поля в кристалле путем изменения количества электродов в конденсаторе. В случае, если количество электродов больше двух, то углы между плоскостями, соответствующими соседним электродам каждой обкладки конденсатора, одинаковые. Данная конфигурация расположения, малая толщина и использование хорошо отражающего свет металла для электродов минимизируют долю поглощаемого ими рассеянного излучения. Электроды играют роль эффективного радиатора, способствующего контролируемому, однородному охлаждению кристалла. Лучшие условия охлаждения кристалла достигаются использованием большего числа электродов в конденсаторе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх