改善快速充电性能的二次电池用负极及包括其的二次电池制造技术

本发明专利技术涉及二次电池用负极及包括其的二次电池，所述二次电池用负极包括：集电体；以及形成于所述集电体上，含有负极活性物质的负极活性物质层，满足下述关系式1：[关系式1]D<1.9

【技术实现步骤摘要】
改善快速充电性能的二次电池用负极及包括其的二次电池


[0001]本专利技术涉及改善快速充电性能的二次电池用负极及包括其的二次电池。

技术介绍

[0002]近来，随着对移动设备等电子设备的需求的增加，用于提高电子设备的便携性的电化学电池(二次电池)的轻量化及小型化的开发正在扩大。随着这种趋势，需要开发高容量和高输出的二次电池。
[0003]锂二次电池的研究正朝着增加负极混合物密度以实现高容量的方向发展。增加负极混合物密度的情况下，能够增加相同负极体积的负极活性物质的含量，从而提高能量密度。但随着混合物密度的增加，负极的孔隙率降低，因此锂离子的扩散速率降低，锂离子在负极的吸留/释放反应不顺畅，输出性能反而降低。该问题在高速充放电过程中尤为严重，即使负极中活性物质含量增加，在高速充放电时放电容量和循环特性也会显著降低。因此，需要开发一种能够同时表现出高混合物密度和高输出的负极。
[0004]高输出电极和电极内气孔发育的重要性被认知，因此正在努力开发有利于高性能表现的电极气孔结构。过去，作为有利于高性能表现的气孔结构采用了气孔量、气孔的平均直径等。但是，上述因素是通过在电极中填充氮气或汞来分析的，这与实际的电极
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电解液系统不同，因此很难视为代表了电池运行的实际系统。
[0005]在先技术1(KR 10
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2019
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0042335)中阐明了锂离子在活性物质粒子内部扩散时的情况，表明了是由活性物质引起的扩散系数，而并非涉及电极活性物质层中气孔的发育。

技术实现思路

[0006]技术问题
[0007]锂二次电池电极内的气孔在电芯性能表现中起着重要的作用。由于气孔是电极内供应锂离子的通道，因此需要着重考虑气孔在电极内形成的状态。参与气孔的形成的因素有作为电极构成要素的活性物质、导电材料、粘合剂等，以及作为电极结构要素的负载量和密度等。可以看出，其中除了结构因素，以及电极中含量较低的因素，如导电材料和粘合剂，电极(电极活性物质层)中对气孔的形成产生最大影响的是活性物质。
[0008]另一方面，电极气孔中锂离子的供给是通过扩散机制完成的。尤其，在电极内发生的锂离子扩散是具有空间约束的受限扩散(restrict diffusion)。因此，扩散系数(＝扩散速度)及扩散时间反映扩散空间(扩散空间越长，所需的扩散时间越长)。因此，如果能够知道锂离子在电极内的气孔中扩散所需的时间，就可以解释气孔形成为什么样。
[0009]本专利技术提供一种在电极内具有适当气孔结构的活性物质层，以实现电极的高性能。尤其，特征在于含所述活性物质层的电极具有较长的扩散时间。一般来说，会认为扩散时间越短则越是容易扩散的结构，但由于电极发生具有空间限制的扩散机制，因此可解释为与此相反。即，可以分析出在受限的扩散空间中的扩散时间越长则扩散空间(气孔的长度)越窄且越长。电极的扩散空间长意味着在电极中形成的气孔细微且均匀。因此，具有能
够将锂离子均匀地供给(扩散)到电极活性物质层的整个空间的优点。
[0010]本专利技术的目的在于提供一种通过制造实现上述特征的活性物质及电极，具有对高性能表现有利的气孔结构，特别是具有优异的高速充放电性能的二次电池。
[0011]技术方案
[0012]在一个实现例提供二次电池用负极，包括：集电体；及形成于所述集电体上，含有负极活性物质的负极活性物质层，其满足下述关系式1：
[0013][关系式1][0014]D<1.9
·
10
‑3[0015]所述关系式1中，D是负极内锂离子的扩散系数，通过以下数学式导出，
[0016]D＝σ2·
τ
d
‑
γ
[0017]所述σ是负极活性物质层的厚度(cm)，τ
d
是扩散时间(s)，γ是分散参数，其满足0.8≤γ≤0.95。
[0018]所述负极还可以满足下述关系式2。
[0019][关系式2][0020]1·
10
‑3≤D<1.9
·
10
‑3[0021]所述关系式2中，D是负极内锂离子的扩散系数，通过以下数学式导出，
[0022]D＝σ2·
τ
d
‑
γ
[0023]所述σ是负极活性物质层的厚度(cm)，τ
d
是扩散时间(s)，γ是分散参数，其满足0.8≤γ≤0.95。
[0024]所述负极可以是具有0.020秒以上的锂离子扩散时间τ
d
的负极。
[0025]所述负极可以是具有0.025至0.041秒的锂离子扩散时间τ
d
的负极。
[0026]所述负极活性物质可以包括至少一种碳基活性物质。
[0027]所述负极活性物质层可以是具有0.20至0.23cm3/g的总气孔体积的负极活性物质层。
[0028]所述负极活性物质层可以是具有20至30％的气孔率的负极活性物质层。
[0029]所述负极活性物质层可以是具有550至800nm的平均气孔大小(D50)的负极活性物质层。
[0030]所述负极活性物质层可以具有6至15g/cm2的负载量。
[0031]所述负极活性物质层可以是具有1.4至1.8g/cm3的负极密度的负极活性物质层。
[0032]在另一实现例提供二次电池，包括：所述负极；正极；隔膜及电解液。
[0033]技术效果
[0034]在满足本专利技术提出的电极的锂离子扩散系数数值范围的情况下，电极内形成细微且稠密的气孔，从而电极内扩散阻力降低，因此能够提供具有高输出性能的电池。
具体实施方式
[0035]参见以下详细说明的实施例将会明确本专利技术的优点、特征以及其实现方法。但本专利技术并非限定于以下公开的实施例，而是能够以不同的多种形态实现，但本实施例的提供旨在使得本专利技术的公开完整，以及向本专利技术所属
的普通技术人员完整地告知专利技术的范畴，本专利技术仅由权利要求的范畴定义。以下详细说明用于实施本专利技术的具体内容。
[0036]除非另外定义，否则本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语) 能够以与本领域技术人员能够一致理解的含义使用。在整个说明书中，当提到某部分“包括”某构成要素时，除非有特别相反的描述，否则表示还可以包括其他构成要素，而非排除其他构成要素。并且，除非文中有特别描述，否则单数型还包括复数型。
[0037]本说明书中，描述层、膜、区域、板等部分位于其他部分“上方”或“上面”的情况下，其不仅包括“直接”位于其他部分的“上面”的情况，还包括两者中间还有其他部分的情况。
[0038]本专利技术的一个实现例提供二次电池用负极。所述负极包括：集电体；及形成于所述集电体上，含有负极活性物质的负极活性物质层。
[0039]所述集电体可以是选自由铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、镍泡沫(foam)、铜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二次电池用负极，包括：集电体；以及形成于所述集电体上，含有负极活性物质的负极活性物质层,所述二次电池用负极满足下述关系式1：[关系式1]D＜1.9
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‑3所述关系式1中，D是负极内锂离子的扩散系数，通过以下数学式导出,D＝σ2·
τ
d
‑
γ
所述σ是负极活性物质层的厚度(cm)，τ
d
是扩散时间(s)，γ是分散参数，其满足0.8≤γ≤0.95。2.根据权利要求1所述的二次电池用负极，其中：所述负极还满足下述关系式2：[关系式2]1
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‑3≤D＜1.9
·
10
‑3所述关系式2中，D是负极内锂离子的扩散系数，通过以下数学式导出，D＝σ2·
τ
d
‑
γ
所述σ是负极活性物质层的厚度(cm)，τ
d
是扩散时间(s)，γ是分散参数，其满足0.8≤γ≤0.95。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：全澯映，姜熙京，朴昭炫，黄海淑，
申请(专利权)人：SK新能源株式会社，
类型：发明
国别省市：