包含具有不同表面積的電極的電極層壓物和使用所述電極層壓物的二次電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電極層壓物，所述電極層壓物包括:正極，所述正極具有形成在正極集電器上的正極材料涂層；負極，所述負極具有形成在負極集電器上的負極材料涂層；和多孔聚合物膜，所述多孔聚合物膜設置在所述正極與所述負極之間，其中在平面基礎上在高度方向上層壓所述正極、所述負極和所述多孔聚合物膜，使得所述負極構成所述電極層壓物的最外部電極，且所述正極材料涂層比所述負極材料涂層具有更大的涂布面積。
【背景技術】
[0002]由于因化石燃料的耗盡而導致能量價格提高且對環境污染的關注日益增加，所以對環境友好的替代能源的需求必定在未來中發揮越來越重要的作用。由此，正在對產生各種電力如核能、太陽能、風能和潮汐能的技術進行研宄，且用于更有效使用產生的能量的電力存儲裝置也引起了更多的關注。
[0003]特別地，隨著對移動裝置技術的持續開發和對移動裝置需求的日益增加，作為能源的鋰二次電池的需求急劇增加。近年來，已經實現了將鋰二次電池用作電動車輛(EV)和混合電動車輛(HEV)的電源，且關于鋰二次電池的市場通過智能電網技術而持續擴展至諸如輔助電力供應的應用。
[0004]鋰二次電池具有電極組件浸漬有含鋰鹽的非水電解質的結構，在所述電極組件中，將多孔聚合物膜插入正極與負極之間，各個正極和負極包含涂布在集電器上的涂層。作為正極涂層，主要使用鋰鈷基氧化物、鋰錳基氧化物、鋰鎳基氧化物、鋰復合氧化物等。作為負極涂層，主要使用碳基材料。
[0005]然而，在使用碳基材料作為負極涂層的鋰二次電池中，在首次充電和放電循環期間嵌入碳基材料的層狀結構中的某些鋰離子中發生不可逆容量，由此放電容量下降。另外，碳材料相對于Li/Li+的電位具有約0.1V的低氧化/還原電位，由此非水電解質在負極表面分解，且所述碳材料與鋰反應而形成涂布在碳材料表面上的層(鈍化層或固體電解質界面(SEI)膜)。這種SEI膜的厚度和邊界狀態隨所使用的電解質體系而變化，由此影響充電和放電特性。另外，在用于需要高輸出特性的領域如電動工具的二次電池中，由于厚度小的這種SEI膜而導致電阻升高，由此會產生速率決定步驟(RDS)。另外，在負極表面處產生鋰化合物，由此隨著重復充電和放電，鋰的可逆容量逐漸下降，因此放電容量下降且發生循環劣化。
[0006]同時，作為具有結構穩定性和良好循環特性的負極涂層，考慮使用鋰鈦氧化物(LTO)。在包含這種LTO作為負極涂層的鋰二次電池中，負極相對于Li/Li+的電位具有約1.5V的相對高的氧化/還原電位，由此難以發生電解質的分解，由于其晶體結構的穩定性而獲得優異的循環特性。
[0007]另外，主要將LiCoO#作正極涂層。然而，目前，將Ni基材料(Li (N1-Co-Al) O 2)、N1-Co-Mn基材料(Li(N1-Co-Mn)O2)和高穩定性尖晶石型Mn基材料(LiMn2O4)用作其他層狀正極涂層。特別地，將尖晶石型錳基電池暫時應用于移動電話。然而，盡管尖晶石型錳基電池不貴，但由于尖晶石型錳基電池的能量密度下降，所以尖晶石型錳基電池從高功能移動電話市場消失。基于該原因，對提高尖晶石型錳基正極活性材料的能量密度的方法進行了大量研宄。
[0008]可以考慮提高鋰二次電池的能量密度的幾種方法。其中，提高電池的運行電位的方法是有效的。使用LiCo02、LiN1jP LiMn 204作為正極涂層的常規鋰二次電池具有4V水平的運行電位。鋰二次電池的平均運行電位為3.6?3.8V。這是因為，電位隨Co離子、Ni離子或Mn離子的氧化和還原而決定。另一方面，在其中具有將其中LiMn2O4的一部分Mn用Ni等置換的尖晶石結構的化合物用作正極涂層的情況中，可獲得具有5V水平的運行電位的鋰二次電池。因此近年來，已經研宄將鋰鎳錳氧化物(LNMO)作為與由鋰鈦氧化物制成的負極涂層相對應的正極涂層。
[0009]然而，在包含鋰鈦氧化物和鋰镲猛氧化物作為正極涂層和負極涂層的鋰二次電池中，鋰二次電池的總能量和壽命穩定性受正極和負極的涂布面積和布置的影響。基于該原因，重要的是提供正極和負極的合適涂布面積和布置。
[0010]因此，迫切需要能夠從根本上解決上述問題的技術。
【發明內容】
[0011]技術問題
[0012]為了解決上述問題和尚未解決的其他技術問題而完成了本發明。
[0013]作為為了解決如上所述問題的各種廣泛且細致的研宄和實驗的結果，本發明的發明人發現，在包含正極、負極和設置在正極與負極之間的多孔聚合物膜的電極層壓物中，在正極材料涂層的涂布面積比負極材料涂層的涂布面積更大且以負極構成電極層壓物的最外部電極的方式在平面基礎上在高度方向上層壓正極、負極和多孔聚合物膜的情況中，二次電池的能量性能最大化。
[0014]本發明的目的是，提供一種電極層壓物和包含其的二次電池，所述電極層壓物在不提供另外的裝置或另外的工藝的條件下通過提供適當的正極和負極涂布面積并通過適當布置正極和負極而能夠展示期望的效果，由此簡化制造工藝，進而降低制造成本。
[0015]技術方案
[0016]根據本發明的一個方面，通過提供一種電極層壓物來實現上述和其他目的，所述電極層壓物包含:正極，所述正極具有形成在正極集電器上的正極材料涂層；負極，所述負極具有形成在負極集電器上的負極材料涂層；和多孔聚合物膜，所述多孔聚合物膜設置在所述正極與所述負極之間，其中在平面基礎上在高度方向上層壓所述正極、所述負極和所述多孔聚合物膜，使得所述負極構成所述電極層壓物的最外部電極，且所述正極材料涂層比所述負極材料涂層具有更大的涂布面積。
[0017]在其中將碳基材料用作常規負極活性材料的情況中，在負極表面處產生鋰化合物，導致可逆容量下降。為了解決所述問題，需要負極比正極具有更大的容量。然而，當使用LTO時，可以防止鋰鍍敷，導致通過限制負極的容量來設計電池是可能的。
[0018]在此情況中，負極的總容量小于或等于正極的總容量(N/P之比=1)，使得首先達到負極的截止電壓，從而防止正極電位升高。因此，可防止氣體的排放和副產物的產生，其是由在使用高電壓正極時在電解質被氧化的電位下運行電池造成的。
[0019]在根據本發明的電極層壓物和包含其的二次電池中，正極材料涂層的的涂布面積可以比負極材料涂層的涂布面積更大，使得負極的容量小于正極的容量。
[0020]在電極層壓物中，每單位面積的正極活性材料的質量可以大于每單位面積的負極活性材料的質量。
[0021]另外，在電極層壓物中，每單位面積的正極對每單位面積的各個負極的可逆容量之比可以為I以下。
[0022]在此情況中，正極的厚度可以與各個負極相同。或者，正極可以具有比各個負極更大的厚度。
[0023]另外，正極材料涂層的體積可以與負極材料涂層的體積相同。或者，正極材料涂層的體積可以大于負極材料涂層的體積。
[0024]在具體實例中，電極層壓物可以包含第一基本電池和第二基本電池的組合，所述第一基本電池具有負極設置在正極之間且多孔聚合物膜分別設置在正極與負極之間的結構，所述第二基本電池具有正極設置在負極之間且多孔聚合物膜分別設置在正極與負極之間的結構。
[0025]所述正極材料涂層可以包含由下式I表示的尖晶石結構的鋰金屬氧化物。
[0026]LixMyMn2_y04_人(I)
[0027]其中0.9彡X彡1.2，0〈y〈2且O彡z<0.2，M為選自如下元素中的至少一種元素:Al、Mg、N1、Co、Fe、Cr、V、T1、Cu、B、Ca、Zn、Zr、Nb、Mo、Sr、Sb、W、Ti 和 Bi，且 A 為至少一種一價陰離子或二價陰離子。
[0028]另外，式I