二次电池制造技术

本发明专利技术提供一种能够在充放电时维持电池整体的稳定性并且具有高容量密度的二次电池。该二次电池的特征在于：包括隔着间隔件设置的正极20和负极30的电极结构10，所述正极20在放电时或充电时膨胀或收缩从而体积发生变化，所述负极30的体积与所述正极20相反地发生变化，所述正极20和所述负极30的体积比为1.1以上，所述体积比为所述正极20和所述负极3的膨胀时的体积除以收缩时的体积而得到的值，所述正极20或所述负极30的所述体积比为1.9以上，所述正极20和所述负极30的总体积比为1.2以下，所述总体积比为通过将所述放电时的所述正极20和所述负极30的总体积以及所述充电时的所述正极20的体积和所述负极30的体积的总体积中的较小值除以较大值而得到的值。

Secondary battery

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二次电池
本专利技术涉及一种二次电池。
技术介绍
近年来，虽然对高能量密度的二次电池进行了积极的开发，但是为了全面支撑能量体系，需要进一步增加容量和降低成本。锂离子二次电池使用钴酸锂(LiCoO2)等锂过渡金属复合氧化物作为正极活性物质、使用石墨(C)等碳材料作为负极活性物质并在活性物质的晶体结构间隙中插入和去除锂离子(Li+)，从而使得正极和负极两者的体积变化都较小，并且实现了稳定的充电和放电。然而，锂过渡金属复合氧化物和碳材料相对于可保持的锂离子的质量和体积较大，并且难以进一步增加容量密度。因此，正在进行关于使用硫、硅、锡等与锂反应形成化合物的材料作为活性物质的高容量电池的研究。当使用由硫或硅组成的活性物质时，由于与活性物质反应的锂离子的量较多，因此可以实现高容量密度，但充放电时的体积变化较大。体积变化导致电池或电极的结构的劣化。为了抑制体积变化，正在进行关于用壳材料覆盖活性物质等复合技术的研究，但是附加材料导致电极的质量和体积增加。另外，虽然也在研究通过预先在电极中设置活性物质能够膨胀的空隙来抑制电极的体积变化的技术，但会导致电极的单位体积的容量密度降低。在抑制电极的体积变化的同时难以增加电池的容量密度。在锂离子二次电池中，为了防止用于正极的导电材料的聚集、确保正极活性物质的导通，并且增加容量密度、抑制高输出时的容量密度的降低，提出了使用碳纳米管(下文中，称为CNT)作为导电材料的正极(例如，专利文献1)。然而，还没有获得一种能够抑制由于充放电时正极和负极各自的体积变化引起的电池整体的劣化并且具有高容量密度的二次电池。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利特开2016-48698号公报
技术实现思路
本专利技术要解决的问题本专利技术的目的在于提供一种能够在充放电时维持电池整体的稳定性并且具有高容量密度的二次电池。用于解决问题的技术手段根据本专利技术的二次电池的特征在于：包括电极结构，在所述电极结构中，隔着间隔件设置有正极和负极，所述正极在放电时或充电时膨胀或收缩从而体积发生变化，所述负极的体积与所述正极相反地发生变化，在所述正极和所述负极中，作为膨胀时的体积除以收缩时的体积而得到的值的体积比为1.1以上，所述正极或所述负极的所述体积比为1.9以上，所述正极和所述负极的总体积比为1.2以下，所述总体积比为通过将所述放电时的所述正极和所述负极的总体积以及所述充电时的所述正极的体积和所述负极的体积的总体积中的较小值除以较大值而得到的值。专利技术效果根据本专利技术，虽然电极结构中的正极和负极在充放电时具有较大的体积变化，但是通过使用高容量密度的活性物质可以提高二次电池的容量密度。正极和负极中的任一者在充放电时的体积比高达1.9以上。但是，放电时正极和负极的总体积以及充电时正极的体积和负极的体积的总体积中的较小值除以较大值而获得的值即总体积比为1.2以下。作为电极结构整体，由于充放电时的体积变化受到限制，因此抑制了结构的劣化并且能够维持稳定性。由于使用了在充放电时正极和负极的体积发生变化的同时抑制整体体积变化的电极结构，因此能够提供一种兼具充放电时的整体稳定性和高容量密度的二次电池。附图的简单说明图1是示出了根据本实施方式的二次电池中所包含的电极结构的配置的剖视图，图1A是放电时的剖视图，图1B是充电时的剖视图。图2是示出了图1所示的电极结构中所包含的正极或负极的配置的示意图，图2A是示出放电时的正极的配置的示意图，图2B是示出充电时的正极的配置的示意图，图2C是示出放电时的负极的配置的示意图，图2D是示出充电时的负极的配置的示意图。图3是正极和负极上设置有金属线的电极结构的示意图。图4是示出了变形例的二次电池中所包含的电极结构的配置的剖视图，图4A是放电时的剖视图，图4B是充电时的剖视图。图5是示出了现有的二次电池中所包含的电极结构的配置的剖视图，图5A是放电时的剖视图，图5B是充电时的剖视图。图6是示出了实施例和对比例的二次电池的体积容量密度相对于质量容量密度绘制的曲线图。专利技术的实施方式下面将参考附图对本实施方式进行详细说明。1.整体配置根据本实施方式的二次电池包括电极结构，该电极结构中正极和负极隔着间隔件进行设置。参考图1A和图1B对电极结构进行说明。在电极结构10中，正极20设置在间隔件12的一个表面上，负极30设置在间隔件12的另一个表面上。正极20在放电时膨胀(图1A中，20A)并在充电时收缩(图1B中，20B)。另一方面，负极30在放电时收缩(图1A中，30A)并在充电时膨胀(图1B中，30B)。如图1A所示，放电时的电极结构10A包括隔着间隔件12设置的膨胀的正极20A和收缩的负极30A。如图1B所示，充电时的电极结构10B包括隔着间隔件12设置的收缩的正极20B和膨胀的负极30B。正极20和负极30的膨胀时的体积除以收缩时的体积而获得的值即体积比为1.1以上，例如1.1。正极20和负极30的膨胀时的体积除以收缩时的体积而获得的值即体积比优选为1.2以上，更优选为1.4以上。正极20和负极30中任一者的膨胀时的体积除以收缩时的体积而获得的值即体积比为1.9以上，例如1.9。正极20和负极30中任一者的膨胀时的体积除以收缩时的体积而获得的值即体积比优选为2.2以上，更优选为2.8以上。在充放电时，正极20和负极30与间隔件12接触的表面的面积基本不变，通过膜厚度的变化而膨胀或收缩。因此，能够根据膜厚度计算体积比。通过将放电时(20A)的膜厚度除以充电时(20B)的膜厚度来获得正极20的体积比。通过将充电时的膜厚度(30B)除以放电时的膜厚度(30A)来获得负极30的体积比。正极20和负极30的总体积在放电时(图1A)或充电时(图1B)的较大值除以较小值而获得的值，即总体积比(下文中，也称为充放电时的总体积的比)为1.2以下，例如1.2。充放电时的总体积比优选为1.1以下，更优选为1.05以下。正极20和负极30的充电时与放电时的总体积的比可使用正极20的膜厚度和负极30的膜厚度的总膜厚来确定。通过将放电时的正极20A和负极30A的总膜厚(以下称为放电时的正负极总膜厚)和充电时的正极20B和负极30B的总膜厚(以下称为充电时的正负极总膜厚)之中、较小值除以较大值，可以获得充放电时的总体积的比。如图2A和2B所示，正极20(20A，20B)包括：由CNT的海绵状结构构成的第一三维集电体22；和包含于第一三维集电体22内部的正极活性物质24(24A，24B)。放电时包含于正极20A(图2A)中的正极活性物质24A例如是Li2S，充电时包含于正极20B(图2B)中的正极活性物质24B例如是S。值得注意的是，正极活性物质可以为诸如Li2S2等中间状态，并且也可由其他材料构成正极。正极活性物质24A和24B可以具有覆盖三维集电体22的结构。正极活性物质24A和24B可以具有粒子状结构或者也可以具有其他结构。正极活性物质24A和正极活性物质24B也可形成为彼此不同的结构。如图2C和2D所示，负极30(30A，30B)包括：由CNT的海绵状结构构成的第二三维集电体32；和包含于第二三维集电体32内部的负极活性物质34(34A，34B)。放电时包含于负极30A(图2C)中的负极活性物质34A例如是Si，充电时包含于负极3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二次电池，其特征在于：包括电极结构，在所述电极结构中，隔着间隔件设置有正极和负极，所述正极在放电时或充电时膨胀或收缩从而体积发生变化，所述负极的体积与所述正极相反地发生变化，在所述正极和所述负极中，作为膨胀时的体积除以收缩时的体积而得到的值的体积比为1.1以上，所述正极或所述负极的所述体积比为1.9以上，所述正极和所述负极的总体积比为1.2以下，所述总体积比为通过将所述放电时的所述正极和所述负极的总体积以及所述充电时的所述正极的体积和所述负极的体积的总体积中的较小值除以较大值而得到的值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.06 JP 2017-0013861.一种二次电池，其特征在于：包括电极结构，在所述电极结构中，隔着间隔件设置有正极和负极，所述正极在放电时或充电时膨胀或收缩从而体积发生变化，所述负极的体积与所述正极相反地发生变化，在所述正极和所述负极中，作为膨胀时的体积除以收缩时的体积而得到的值的体积比为1.1以上，所述正极或所述负极的所述体积比为1.9以上，所述正极和所述负极的总体积比为1.2以下，所述总体积比为通过将所述放电时的所述正极和所述负极的总体积以及所述充电时的所述正极的体积和所述负极的体积的总体积中的较小值除以较大值而得到的值。2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于：所述正极包括由碳纳米管的海绵状结构构成的第一三维集电体和包含在所述第一三维集电体内部的正极活性物质，所述负...

【专利技术属性】
技术研发人员：野田优，
申请(专利权)人：学校法人早稻田大学，日本瑞翁株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP