[发明专利]负极、锂离子二次电池、电力工具和电动车辆

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子二次电池的负极、包括该负极的锂离子二次电池、使用该锂离子二次电池的电力工具、使用该锂离子二次电池的电动车辆(electrical vehicle)以及使用该锂离子二次电池的电力存储系统，所述负极包含含有硅(Si)作为元素的负极活性物质。

背景技术

近年来，便携式电子装置诸如摄像机、数码照相机、移动电话以及笔记本个人计算机已经被广泛使用，并且强烈地需要减少它们的尺寸和重量，并实现它们的长寿命。因此，作为用于便携式电子装置的电源，已经开发了电池，特别是能够提供高能量密度的小型且轻量化的二次电池。

特别地，使用锂的插入(嵌入)和提取(脱嵌)用于充电和放电反应的二次电池(锂离子二次电池)是极其有前途的，因为与铅电池和镍镉电池相比，这样的二次电池能够提供更高的能量密度。

锂离子二次电池包括正极、负极和电解液。该负极具有设置在负极集电体上的负极活性物质层。负极活性物质层包含参与充电和放电反应的负极活性物质。

作为负极活性物质，已经广泛使用碳材料。然而，近年来，由于要求电池容量的进一步改善，正在考虑使用硅。由于硅的理论容量(4199mAh/g)显著高于石墨的理论容量(372mAh/g)，因此期待电池容量从而被高度改善。在这种情况下，负极活性物质并不限于硅的单质，并且还考虑其合金和化合物。

然而，在硅被用作负极活性物质的情况下，虽然电池容量改善，但产生一些缺点。具体地，由于负极活性物质在充电和放电期间强烈膨胀和收缩，因此负极活性物质层容易破碎。此外，由于负极活性物质的反应性较高，因此电解液的分解容易发生。

因此，为了改善使用硅作为负极活性物质的锂离子二次电池的各种性能，正在进行各种研究。

为了改善充电和放电特性，在正极或负极中的电极活性物质的表面上提供金属颗粒(粒径＝0.0005μm以上至10μm以下)(例如，参见日本未审查专利申请公开号Hei 11-250896)。为了抑制电池内的电阻增加和容量减小，在插入和提取锂离子的第一活性物质层上提供含有与锂离子形成合金的金属等、以及不与锂离子形成合金的金属等的第二活性物质层(例如，参见日本未审查专利申请公开号2003-217574)。为了改善充电和放电循环特性，在主要成分为硅的薄膜表面上含有金属(例如，参见日本未审查专利申请公开号2003-007295)。为了改善循环寿命，在由硅材料构成的活性物质层上提供表面涂覆层，该表面涂覆层由具有低的锂化合物形成能力的导电材料构成(例如，参见日本未审查专利申请公开号2004-228059)。为了改善充电和放电循环特性，含硅颗粒(平均粒径(D₅₀)＝0.1μm以上至10μm以下)的表面涂覆有金属薄膜(例如，参见日本未审查专利申请公开号2005-063767)。为了获得优异的充电和放电效率，使用负极材料，其中含硅的反应部分的表面设置有由金属氧化物构成的涂覆部分(例如，参见日本未审查专利申请公开号2007-141666)。为了改善电子传导性，负极活性物质层包含铁磁金属(例如，参见日本未审查专利申请公开号2007-257866)。在这种情况下，负极活性物质层具有磁化作用，且由磁化曲线获得的最大磁化强度为0.0006T(特斯拉)以上。为了减小应力集中并改善特性，在负极活性物质层中包含金属元素，使得浓度增加，于是厚度方向减小(例如，参见日本未审查专利申请公开号2007-257868)。为了减小初始充电时的过电压，活性物质颗粒表面的至少一部分涂覆有具有低的锂化合物形成能力的金属材料(例如，参见日本未审查专利申请公开号2008-016195、2008-016196、2008-016198、2008-066278和2008-277156)。

发明内容

目前的便携式电子装置正变得日益高性能和多功能，因而其功率消耗趋向于增大。此外，已经考虑到将锂离子二次电池也应用于大规模的应用中，例如电动车辆。因此，期待将频繁重复锂离子二次电池的充电和放电，并且因此循环特性将变得容易被降低。

考虑到前述，在本发明中，期望提供一种能够改善循环特性同时为高容量的用于锂离子二次电池的负极、使用该负极的锂离子二次电池、使用前述锂离子二次电池的电力工具、使用前述锂离子二次电池的电动车辆以及使用前述锂离子二次电池的电力存储系统。