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    本發明的目的是提供一種充放電循環特性高且不容易發生活性物質的剝離等導致的劣化的電極及蓄電裝置。在蓄電裝置的電極中，藉由使用如下電極可以提高蓄電裝置的充放電循環特性，該電極包含：集電器；集電器上的包含具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質的活性物質層。再者，藉由使粒狀活性物質與具有氧化鈮的粒子接觸，由此粒狀活性物質在物理上被固定，從而能夠抑制伴隨蓄電裝置的充放電的活性物質的膨脹或收縮導致活性物質層的微粉化或從集電器上剝離等劣化。
    公开号:TW201316594A
    申请号:TW101131314
    申请日:2012-08-29
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Kazutaka Kuriki；Kiyofumi Ogino；Nobuhiro Inoue
    申请人:Semiconductor Energy Lab；
    IPC主号:H01M4-00
    专利说明:
    蓄電裝置及電極的製造方法
    本發明係關於一種電極的製造方法及蓄電裝置。
    在本說明書中，蓄電裝置是指具有蓄電功能的所有元件以及所有裝置。
    近年來，對鋰二次電池、鋰離子電容器以及空氣電池等各種蓄電裝置進行了開發。尤其是，作為高輸出且高能量密度的二次電池，使鋰離子在正極與負極之間遷移而進行充放電的鋰二次電池引人注目。
    用於蓄電裝置的電極藉由在集電器的一個表面上形成活性物質層而製造。活性物質層由碳或矽等的活性物質形成，該活性物質能夠進行用作載子的離子的吸留和釋放。例如，與由碳形成的活性物質層相比，由矽或添加有磷的矽形成的活性物質層的理論容量大，在蓄電裝置的大容量化這一點上佔優勢(參照專利文獻1)。
    但是，已知在活性物質的矽吸留鋰離子時矽的體積膨脹，在矽釋放鋰離子時矽的體積收縮。因此，隨著電池的充放電會發生活性物質層微粉化而從集電器上脫離等的問題。結果，電極內的集電性降低，使得充放電循環特性變差。作為上述問題的對策，可以採用用碳、銅或鎳等包覆活性物質層表面來抑制矽受到破壞的方法。然而，在進行上述包覆時，鋰與矽的反應性會下降，使得充放電容量下降。
    [專利文獻1]日本專利申請公開第2001-210315號公報
    本發明的一個方式的目的是提供一種能夠提高循環特性等蓄電裝置的性能的蓄電裝置及電極的製造方法。
    本發明的一個方式是一種使用如下電極的蓄電裝置，該電極包括集電器以及該集電器上的包含具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質的活性物質層。
    本發明的一個方式是一種蓄電裝置，該蓄電裝置包括：負極，該負極包括集電器以及該集電器上的包含具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質的活性物質層；以接觸於該負極的方式形成的電解質；以及隔著該電解質與負極對置的正極。
    本發明的一個方式是一種蓄電裝置，其中上述活性物質包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。上述材料是能夠與鋰合金化的材料。也可以藉由將磷或硼等雜質添加到該材料來降低電阻值。
    本發明的一個方式是一種電極的製造方法，該製造方法包括如下步驟：在集電器上塗敷包含黏結劑、導電助劑、具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質的漿料；然後進行燒結。在該方法中，利用溶膠-凝膠法形成上述具有氧化鈮的粒子。
    本發明的一個方式是一種電極的製造方法，其中上述活性物質包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。上述材料是能夠與鋰合金化的材料。也可以藉由將磷或硼等雜質添加到該材料來降低電阻值。
    上述所示的活性物質是與鋰形成合金的材料，所以能夠可逆地吸留及釋放鋰離子。與現在常用的石墨的理論容量372mAh/g相比，例如矽具有大約10倍的4000mAh/g的理論容量。然而，如上所述，由利用鋰離子的吸留及釋放的充放電導致的活性物質的矽的體積變化非常大，所以發生由充放電導致活性物質層的微粉化或從集電器上活性物質剝離等故障，會增加充放電迴圈的劣化。
    在本發明的一個方式中，藉由使粒狀活性物質與具有氧化鈮的粒子接觸，由此粒狀活性物質在物理上被固定，從而能夠抑制伴隨蓄電裝置的充放電的活性物質的膨脹或收縮導致的活性物質層的微粉化等劣化。因此，較佳的是具有氧化鈮的粒子與粒狀活性物質接觸的面積大。由於氧化鈮具有離子(鋰離子等)導電性，所以即使氧化鈮覆蓋活性物質也不妨礙電池的功能。然而，由於氧化鈮具有電絕緣性，所以如果氧化鈮完全覆蓋活性物質，則在集電器與活性物質之間夾有氧化鈮而會產生電阻，所以這不是較佳的。
    對上述活性物質及具有氧化鈮的粒子的結晶性沒有特別的限制，可以採用非晶、微晶和單晶中的任何一種。此外，也可以採用混有不同的結晶性的材料。
    另外，具有氧化鈮的粒子可以包含鈮酸鋰，例如可以包含Li2Nb2O5。
    另外，該Li2Nb2O5是藉由電池的初次放電Nb2O5與Li起反應而形成的。另外，此後的充放電中上述Li2Nb2O5可以被保持，或者Li可以從上述Li2Nb2O5脫離而形成Nb2O5。如此，藉由在活性物質上形成Li2Nb2O5，Li2Nb2O5用作穩定的無機SEI(Solid Electrolyte Inrerface：固體電解質介面)，而不形成有機SEI。由此，能夠得到低電阻化、鋰的擴散性的提高以及活性物質的體積膨脹的緩和等的效果。
    在用於蓄電裝置的電極中，藉由在集電器上形成包含具有氧化鈮的粒子及粒狀活性物質的活性物質層，能夠改善蓄電裝置的循環特性。
    另外，用於電極的製造的導電助劑或黏合劑可以包含上述具有氧化鈮的粒子。
    作為集電器的材料，可以採用以鉑、鋁、銅為代表的金屬元素等導電性高的材料。另外，也可以利用與矽起反應而形成矽化物的金屬元素形成集電器。
    在蓄電裝置的負極與對置於該負極的正極之間形成的電解質可以使用液體或固體形成，並且該電解質也可以包含具有氧化鈮的粒子。
    另外，在本發明的一個方式中，在形成有集電器上的包含具有氧化鈮的粒子及粒狀活性物質的活性物質層的電極中，還可以在該活性物質層上形成碳類薄膜。
    該碳類薄膜由膜狀碳類材料形成，具有石墨或一片以上且一百片以下的石墨烯，較佳的是具有十片以上且三十片以下的石墨烯。當層疊有兩片或三片石墨烯時，膜狀碳類材料的厚度為1nm至2nm。膜狀碳類材料既可以為非晶又可以為晶體。
    這種膜狀碳類材料能夠作為導電助劑在大範圍內形成導電網路。
    根據本發明的一個方式，能夠降低活性物質的剝離等導致的蓄電裝置的劣化，由此能夠提供循環特性等的性能高的蓄電裝置。
    下面，參照圖式對本發明的實施方式的一個例子進行說明。注意，本發明不侷限於以下說明，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。另外，當使用圖式進行說明時，有時在不同的圖式之間共同使用相同元件符號來表示相同目標。另外，有時使用相同的陰影圖案來表示相同目標，而不特別附加標記。 實施方式1
    在本實施方式中，參照圖1A、圖1B及圖2對本發明的一個方式的蓄電裝置的電極及其製造方法進行說明。
    圖1A和圖1B是示出蓄電裝置的電極的一個方式的圖。圖1A示出電極的剖面圖，圖1B示出電極的俯視圖。圖1A和圖1B所示的蓄電裝置的電極具有集電器101及設置在集電器101的一個表面上的活性物質層100，該活性物質層100包含具有氧化鈮的粒子109及粒狀活性物質103。注意，雖然為了方便起見未圖示，但是除了圖1A和圖1B所示的粒狀活性物質103及具有氧化鈮的粒子109以外，活性物質層100還可以包含用來固定粒子的黏合劑、用來提高導電性的導電助劑以及用來調節黏度的黏度調節劑(N-甲基-2-吡咯烷酮：NMP)。
    集電器101適當地使用具有能夠承受後面的加熱處理的耐熱性的可用作負極的集電器的導電材料形成。作為可用於集電器的導電材料，可以舉出銅、鉑、鋁、鎳、鎢、鉬、鈦、鐵等，但是不侷限於此。另外，在將鋁用於集電器的情況下，較佳的是採用添加有矽、鈦、釹、鈧、鉬等能夠提高耐熱性的元素的鋁合金。另外，也可以使用上述導電材料的合金。
    另外，作為集電器101，可以使用與矽起反應而形成矽化物的金屬元素。作為與矽起反應而形成矽化物的金屬元素，可以舉出鋯、鈦、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、鈷、鎳等。
    另外，作為集電器101，可以使用氧化物導電材料。作為氧化物導電材料的典型例子，可以舉出包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦錫氧化物、銦鋅氧化物或者添加有氧化矽的銦錫等氧化物。另外，集電器101也可以具有箔狀、片狀、網狀等的形狀。當採用這種形狀時，集電器101能夠單獨地保持自己的形狀，由此不需要使用支撐基板等。
    粒狀活性物質103使用與進行電荷授受的離子合金化的材料較佳。作為轉移電荷的離子，使用：鋰離子或鈉離子等鹼金屬離子；鈣離子、鍶離子或鋇離子等鹼土金屬離子；鈹離子；鎂離子，較佳的是使用鋰離子。當形成粒狀活性物質103時，作為能夠與鋰合金化材料例如可以使用選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料等。
    藉由將使用上述粒狀活性物質103等製造的漿料塗敷到集電器101上並進行燒結，可以在集電器上形成活性物質的層。這時，藉由使用粒徑小的活性物質，可以增加單位面積的蓄電電容，所以是較佳的。
    具有氧化鈮的粒子109可以利用溶膠-凝膠法或固相法等形成。另外，可以使用釩、鉭、鎢、鋯、鉬、鉿、鉻或鈦的氧化物代替氧化鈮。另外，具有氧化鈮的粒子109的晶體結構可以採用非晶、多晶和單晶中的任何一種。 〈具有氧化鈮的粒子的製造方法〉
    在此，對具有氧化鈮的粒子109的製造方法進行說明。首先，將用作穩定劑的乙醯乙酸乙酯及用作溶劑的甲苯加入到鈮醇鹽(Nb(OCH2CH3)5)中攪拌來製造溶液。於是，該溶液中的鈮醇鹽逐漸與大氣中的水分起反應經過由化合式1所示的水解反應而凝膠化。
    [化合式1]Nb(OCH2CH3)5+5H2O → Nb(OH)5+5CH2CH3OH
    藉由在經過以上製程得到的凝膠中加入水稀釋並利用超聲波清洗器攪拌，製造分散液。接著，藉由對該分散液進行燒結(在500℃至600℃左右的溫度下)，可以經過由化合式2所示的縮合反應由Nb(OH)5凝膠生成具有氧化鈮的粒子。
    [化合式2]2Nb(OH)5 → (Nb(OH)4)2O+H2O
    藉由如上步驟，可以形成具有氧化鈮的粒子109。
    另外，也可以將矽粒子等粒狀活性物質103混合到經過由化合式1所示的水解反應生成的凝膠中。由此，可以使具有氧化鈮的粒子109均勻地附著於粒狀活性物質103。 〈電極的製造方法〉
    接著，參照圖2對圖1A和圖1B所示的電極的製造方法進行說明。
    首先，如圖2的步驟S111所示，在集電器上塗敷漿料。漿料包含粒狀活性物質103及具有氧化鈮的粒子109。所塗敷的漿料的厚度較佳為20μm以上且30μm以下，但是不侷限於此，根據所希望的電池特性可以適當地調節厚度。
    藉由在集電器上形成上述漿料，如圖1A和圖1B所示，可以形成包含具有氧化鈮的粒子109及粒狀活性物質103的活性物質層100。另外，較佳的是儘量使具有氧化鈮的粒子109與粒狀活性物質103接觸的面積大。另外，也可以在粒狀活性物質103與具有氧化鈮的粒子109接觸的部分中形成有鈮與活性物質的合金。 〈漿料的製造方法〉
    在此，對漿料的製造方法進行說明。如上所述，混合並攪拌利用溶膠-凝膠法等形成的具有氧化鈮的粒子、粒狀活性物質、黏合劑、導電助劑以及黏度調節劑，製造在粒狀活性物質的表面上附著有具有氧化鈮的粒子的漿料。作為漿料的製備，將導電助劑分散在包含黏合劑的溶劑中，並且將活性物質混合到該溶劑中。此時，較佳的是抑制溶劑量而將其揉得較硬，以提高分散性。然後，再加溶劑來製造漿料。可以適當地調節具有氧化鈮的粒子、活性物質、導電助劑、黏合劑以及溶劑的比率，但是在導電助劑和黏合劑的比率高時可以提高每活性物質量的電池性能。
    另外，當粒狀活性物質的粒徑小時，充放電容量和循環特性都優良。例如粒狀活性物質的粒徑較佳為10μm以下。同樣地，當具有氧化鈮的粒子的粒徑小時，充放電容量和循環特性都優良。具有氧化鈮的粒子的粒徑較佳為1nm以上且5μm以下，更較為1nm以上且500nm以下。
    作為導電助劑，可以使用本身為電子導體且不會與電池裝置中的其他材料引起化學變化的材料。例如，可以使用：石墨、碳纖維、炭黑、乙炔黑、科琴黑、VGCF(註冊商標)等的碳類材料；銅、鎳、鋁或銀等的金屬材料；上述物質的混合物的粉末、纖維等。導電助劑是指促進活性物質之間的導電性的物質，並是指填充在分隔的活性物質之間且實現活性物質之間的導通的材料。
    作為黏合劑，可以使用如下物質：澱粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、再生纖維素、二乙酸纖維素等多糖類；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer：三元乙丙)橡膠、磺化EPDM橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、氟橡膠等乙烯聚合物；聚氧化乙烯等聚醚；聚醯亞胺等。
    作為溶劑，可以使用水、N-甲基-2-吡咯烷酮或乳酸酯等。
    接著，如圖2的步驟S112所示，進行加熱處理來使溶劑蒸發。加熱處理可以使用熱板或烘箱等進行，並且例如可以在氮氛圍下以350℃進行。
    接著，如步驟S113所示，較佳的是用加壓機等對漿料進行加壓來提高集電器與漿料之間的緊密性。再者，藉由加壓使活性物質層平坦化。
    接著，如步驟S114所示，對集電器進行打孔而得到所希望的形狀。
    最後，如步驟S115所示，再次進行加熱處理。例如可以在減壓氛圍下以100℃進行加熱處理。
    藉由如上製程，可以形成圖1A和圖1B所示的電極。
    如上所述，藉由使粒狀活性物質與具有氧化鈮的粒子接觸，由此粒狀活性物質在物理上被固定，從而能夠抑制伴隨電池的充放電的活性物質的膨脹或收縮導致的活性物質層的微粉化等劣化。
    另外，藉由以接觸於活性物質的方式形成具有氧化鈮的粒子，可以抑制在活性物質表面上形成有有機SEI。由此，能夠得到低電阻化、鋰的擴散性的提高以及活性物質的體積膨脹的緩和等的效果。
    如此，在用於蓄電裝置的電極中，藉由在集電器上形成包含具有氧化鈮的粒子及粒狀活性物質的活性物質層，能夠改善蓄電裝置的循環特性。 實施方式2
    在本實施方式中，參照圖3A和圖3B對蓄電裝置的結構進行說明。
    首先，下面，作為蓄電裝置，對二次電池的結構進行說明。在此，對作為二次電池的典型例子的鋰二次電池的結構進行說明。
    圖3A是蓄電裝置151的平面圖，圖3B示出沿著圖3A的鏈式線A-B的剖面圖。在本實施方式中，作為蓄電裝置151示出被密封的薄型蓄電裝置。
    圖3A所示的蓄電裝置151在外裝部件153的內部具有蓄電元件(storage cell)155。另外，蓄電裝置151還具有與蓄電元件155連接的端子部157、159。外裝部件153可以使用層壓薄膜、高分子薄膜、金屬薄膜、金屬殼、塑膠殼等。
    如圖3B所示，蓄電元件155具有負極163、正極165、設置在負極163與正極165之間的分離器167以及電解質169。
    負極163具有負極集電器171及負極活性物質層173。另外，負極活性物質層173形成在負極集電器171的一者或兩者的面上。
    正極165具有正極集電器175及正極活性物質層177。另外，正極活性物質層177形成在正極集電器175的一者或兩者的面上。
    另外，負極集電器171與端子部159連接。另外，正極集電器175與端子部157連接。另外，端子部157、159的一部分分別延伸到外裝部件153的外側。
    另外，在本實施方式中，雖然作為蓄電裝置151示出被密封的薄型蓄電裝置，但是可以使用紐扣型蓄電裝置、圓筒型蓄電裝置、角型蓄電裝置等的各種形狀的蓄電裝置。另外，在本實施方式中，雖然示出層疊有正極、負極和分離器的結構，但是也可以採用捲繞有正極、負極和分離器的結構。
    作為負極集電器171，可以使用實施方式1所示的集電器101。
    作為負極活性物質層173，可以使用實施方式1所示的活性物質層100。另外，作為活性物質使用高容量的矽較佳。
    作為正極集電器175，使用鋁或不鏽鋼等。作為正極集電器175，可以適當地採用箔狀、片狀、網狀等的形狀。
    作為正極活性物質層177的材料，可以使用LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4、V2O5、Cr2O5、MnO2或其他鋰化合物。另外，當載子離子是鋰離子以外的鹼金屬離子或鹼土金屬離子時，作為正極活性物質層177，也可以使用鹼金屬(例如，鈉、鉀等)或鹼土金屬(例如，鈣、鍶、鋇等)代替上述鋰化合物中的鋰。
    作為電解質169的溶質，使用具有作為載子離子的鋰離子的材料。作為電解質的溶質的典型例子，可以舉出LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、Li(C2F5SO2)2N等的鋰鹽。另外，當載子離子是鋰離子以外的鹼金屬離子或鹼土金屬離子時，作為電解質169的溶質，可以適當地使用：鈉鹽或鉀鹽等的鹼金屬鹽；鈣鹽、鍶鹽或鋇鹽等的鹼土金屬鹽；鈹鹽；鎂鹽等。
    另外，作為電解質169的溶劑，使用能夠轉移鋰離子(或其他的載子離子)的材料。作為電解質169的溶劑，使用非質子有機溶劑較佳。作為非質子有機溶劑的典型例子，可以舉出碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁內酯、乙腈、二甲氧基乙烷、四氫呋喃等，可以使用這些例子中的一種或多種。另外，當作為電解質169的溶劑使用膠狀高分子材料時，防漏液性等的安全性得到提高。另外，可以實現蓄電裝置151的薄型化及輕量化。作為膠狀高分子材料的典型例子，可以舉出矽凝膠、丙烯凝膠、丙烯腈凝膠、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、氟類聚合物等。
    另外，作為電解質169，可以使用Li3PO4、Li3PO(4-x)Nx、LixPSy(x和y為自然數)等的固體電解質。再者，電解質169可以含有鈮。另外，也可以含有碳酸亞乙烯酯等。
    分離器167使用絕緣多孔體。作為分離器167的典型例子，可以舉出纖維素(紙)、聚乙烯、聚丙烯、玻璃纖維等。再者，可以採用這些材料的單層或疊層。
    鋰二次電池是記憶效應小，能量密度高且放電容量大的電池。另外，鋰離子電池的輸出電壓高。由此，能夠實現鋰二次電池的小型化及輕量化。另外，在鋰二次電池中，因重複充放電而導致的劣化少，並且能夠承受長時間使用，因而能夠縮減成本。
    接著，作為蓄電裝置，對電容器進行說明。作為電容器的典型例子，可以舉出雙電層電容器、鋰離子電容器等。
    當利用電容器時，使用能夠可逆地吸留鋰離子(或其他的載子離子)和負離子中的至少一種的材料代替圖3B所示的二次電池的正極活性物質層177，即可。作為正極活性物質層177的典型例子，可以舉出活性炭、導電高分子、聚並苯有機半導體(PAS：PolyAcenic Semiconductive material)。
    鋰離子電容器是充放電效率高，能夠進行快速充放電且在重複利用時也保持長使用壽命的電容器。
    藉由使用實施方式1所示的電極作為負極163，可以製造循環特性高的蓄電裝置。
    另外，藉由將實施方式1所示的集電器及活性物質層用於蓄電裝置的一個方式的空氣電池的負極，可以製造循環特性高的蓄電裝置。
    如上所述，本發明的一個方式可以使用集電器以及包含具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質的活性物質層。由此，可以能夠提供循環特性高的蓄電裝置。另外，可以提供能夠降低由活性物質的剝離等導致的蓄電裝置的劣化的蓄電裝置。 實施方式3
    在本實施方式中，使用圖4A至圖4D對在實施方式2中說明的蓄電裝置的應用方式進行說明。
    可以將實施方式2所示的蓄電裝置用於數位相機或攝像機等影像拍攝裝置、數位相框、行動電話機(也稱為行動電話、行動電話裝置)、可攜式遊戲機、移動資訊終端、音頻再生裝置等的電子裝置。另外，還可以將實施方式2所示的蓄電裝置用於電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車、輪椅等的電力牽引車輛。在此，對電力牽引車輛的例子進行說明。
    圖4A示出電力牽引車輛中之一種的四輪汽車300的結構。汽車300是電動汽車或混合動力汽車。在此，示出汽車300的底部設置有蓄電裝置302的例子。為了明確顯示汽車300中的蓄電裝置302的位置，圖4B示出汽車300的輪廓以及設置在汽車300的底部的蓄電裝置302。可以將在實施方式2中說明的蓄電裝置用於蓄電裝置302。藉由利用插件技術或無線供電系統從外部供給電力來可以對蓄電裝置302進行充電。
    圖4C示出電力牽引車輛中之一種的摩托艇1301的結構。圖4C例示出摩托艇1301的艇體側部具備蓄電裝置1302的情況。可以將在實施方式2中說明的蓄電裝置用於蓄電裝置1302。藉由利用插件技術或無線供電系統從外部供給電力來可以對蓄電裝置1302進行充電。例如，可以將用來進行摩托艇1301的充電(即，蓄電裝置1302的充電)的供電裝置設置在港灣中的系泊設施。
    圖4D示出電力牽引車輛中之一種的電動輪椅1311的結構。圖4D例示出電動輪椅1311的底部具備蓄電裝置1312的情況。可以將在實施方式2中說明的蓄電裝置用於蓄電裝置1312。藉由利用插件技術或無線供電系統從外部供給電力來可以對蓄電裝置1312進行充電。 實施方式4
    在本實施方式中，參照圖5和圖6的方塊圖描述一個例子，該例子中，在無線電力供應系統(以下稱為RF電力供應系統)中使用二次電池，該二次電池是根據本發明的一個方式的蓄電裝置的一個例子。注意，雖然在各方塊圖中根據功能將受電裝置及供電裝置內的構成要素分類並作為彼此獨立的方塊圖而示出，但是實際上難以根據功能將構成要素完全分類，一個構成要素有時與多個功能有關。
    首先，使用圖5對RF供電系統進行說明。
    受電裝置600是利用從供電裝置700供給的電力驅動的電子裝置或電力牽引車輛，另外，可以將其適當地用於其他的利用電力驅動的裝置。作為電子裝置的典型例子，可以舉出數位相機或攝像機等影像拍攝裝置、數位相框、行動電話機(也稱為行動電話、行動電話裝置)、可攜式遊戲機、移動資訊終端、音頻再生裝置、顯示裝置、電腦等。另外，作為電力牽引車輛的典型例子，可以舉出電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車、電動輪椅等。另外，供電裝置700具有向受電裝置600供給電力的功能。
    在圖5中，受電裝置600具有受電裝置部601和電源負載部610。受電裝置部601至少具有受電裝置用天線電路602、信號處理電路603、二次電池604。另外，供電裝置700至少具有供電裝置用天線電路701和信號處理電路702。
    受電裝置用天線電路602具有接收供電裝置用天線電路701發送的信號的功能或對供電裝置用天線電路701發送信號的功能。信號處理電路603處理受電裝置用天線電路602所接收的信號，並控制二次電池604的充電以及從二次電池604供給到電源負載部610的電力。另外，信號處理電路603控制受電裝置用天線電路602的工作。也就是說，可以控制從受電裝置用天線電路602發送的信號的強度或頻率等。電源負載部610是從二次電池604接收電力並驅動受電裝置600的驅動部。作為電源負載部610的典型例子可以舉出電動機、驅動電路等，但是也可以適當地使用其他的接收電力來驅動受電裝置的裝置。另外，供電裝置用天線電路701具有對受電裝置用天線電路602發送信號的功能或接收來自受電裝置用天線電路602的信號的功能。信號處理電路702處理供電裝置用天線電路701所接收的信號。另外，信號處理電路702控制供電裝置用天線電路701的工作。換言之，可以控制從供電裝置用天線電路701發送的信號的強度或頻率等。
    根據本發明的一個方式的二次電池用作在圖5中說明的RF供電系統中的受電裝置600所具有的二次電池604。
    藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統，與習知的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量(也稱為蓄電量)。因此，可以延長無線供電的時間間隔(可以省去多次供電的步驟)。
    此外，藉由在RF電力供應系統中使用根據本發明的一個方式的二次電池，如果可以驅動電源負載部610的放電容量或充電容量與習知的二次電池相同，可以實現受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。
    接著，使用圖6對RF供電系統的其他例子進行說明。
    在圖6中，受電裝置600具有受電裝置部601和電源負載部610。受電裝置部601至少具有受電裝置用天線電路602、信號處理電路603、二次電池604、整流電路605、調變電路606、電源電路607。另外，供電裝置700至少具有供電裝置用天線電路701、信號處理電路702、整流電路703、調變電路704、解調變電路705、振盪電路706。
    受電裝置用天線電路602具有接收供電裝置用天線電路701發送的信號的功能或對供電裝置用天線電路701發送信號的功能。當接收供電裝置用天線電路701所發送的信號時，整流電路605具有利用受電裝置用天線電路602所接收的信號生成直流電壓的功能。信號處理電路603具有處理受電裝置用天線電路602所接收的信號，並控制二次電池604的充電以及從二次電池604供給到電源電路607的電力的功能。電源電路607具有將二次電池604所儲蓄的電壓轉換為電源負載部610所需的電壓的功能。當從受電裝置600將某種應答發送到供電裝置700時使用調變電路606。
    藉由具有電源電路607，可以控制供給到電源負載部610的電力。由此，可以降低施加到電源負載部610的過電壓，從而可以抑制受電裝置600的劣化或損壞。
    另外，藉由具有調變電路606，可以從受電裝置600將信號發送到供電裝置700。由此，可以判斷受電裝置600的充電量，當進行了一定量的充電時從受電裝置600將信號發送到供電裝置700，停止從供電裝置700對受電裝置600供電。其結果，藉由不使二次電池604的充電量成為100%，可以增加二次電池604的充電次數。
    另外，供電裝置用天線電路701具有對受電裝置用天線電路602發送信號的功能或從受電裝置用天線電路602接收信號的功能。當對受電裝置用天線電路602發送信號時，信號處理電路702生成對受電裝置發送的信號。振盪電路706是生成一定頻率的信號的電路。調變電路704具有根據信號處理電路702所生成的信號和振盪電路706所生成的一定頻率的信號對供電裝置用天線電路701施加電壓的功能。由此，從供電裝置用天線電路701輸出信號。另一方面，當從受電裝置用天線電路602接收信號時，整流電路703具有對所接收的信號進行整流的功能。解調變電路705從由整流電路703進行整流的信號抽出受電裝置600發送到供電裝置700的信號。信號處理電路702具有對由解調變電路705抽出的信號進行分析的功能。
    另外，只要能夠進行RF供電，就可以在各電路之間設置任何電路。例如，也可以在受電裝置600接收信號且在整流電路605中生成直流電壓之後利用設置在後級的DC-DC轉換器或調整器等的電路生成恆壓。由此，可以抑制受電裝置600內部被施加過電壓。
    根據本發明的一個方式的二次電池用於圖6所說明的RF供電系統中的受電裝置600所具有的二次電池604。
    藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用作RF供電系統，與習知的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量，因此可以延長無線供電的時間間隔(可以省去多次供電的步驟)。
    此外，藉由在RF電力供應系統中使用根據本發明的一個方式的二次電池，如果可以驅動電源負載部610的放電容量或充電容量與習知的二次電池相同，可以實現受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。
    另外，當將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統並將受電裝置用天線電路602和二次電池604重疊時，較佳的是不使如下情況發生：因二次電池604的充放電而導致二次電池604的形狀變化；並且因該變形導致的天線變形而使受電裝置用天線電路602的阻抗發生變化。這是因為如果天線的阻抗發生變化則有可能不能實現充分的電力供給的緣故。例如，將二次電池604裝在金屬或陶瓷的電池組即可。另外，此時較佳的是受電裝置用天線電路602和電池組相隔幾十μm以上。
    另外，在本實施方式中，對充電信號的頻率沒有特別的限制，只要是能傳輸電力的頻率，就可以採用任何頻帶。充電用信號例如可以採用135kHz的LF帶(長波)、13.56MHz的HF帶(短波)、900MHz至1GHz的UHF帶(分米波)、2.45GHz的微波頻帶。
    另外，作為信號的傳送方式，可以舉出電磁耦合方式、電磁感應方式、共振方式、微波方式等的各種種類，適當地選擇即可。然而，為了抑制雨、泥等的含水的異物所引起的能量損失，較佳的是使用電磁感應方式、共振方式，這些方式利用低頻率的頻帶，明確而言，短波的3MHz至30MHz、中波的300kHz至3MHz、長波的30kHz至300kHz及甚長波的3kHz至30kHz的頻率。
    本實施方式可以與上述實施方式組合而實施。 實施例1
    在本實施例中，對本發明的一個方式的二次電池進行說明。在本實施例中，製造本發明的一個方式的二次電池及對比用二次電池(以下稱為對比二次電池)並比較這些電池的特性。下面對二次電池的製程進行說明。 〈漿料的製程〉
    首先，對用於二次電池的電極的漿料的製造方法進行說明。
    將用作活性物質的矽粒子(粒徑為5μm左右)、具有氧化鈮的粒子、用作導電助劑的科琴黑(KB)以及用作黏合劑的聚醯亞胺(PI)混合而製造漿料。各個材料的重量比為(矽粒子+具有氧化鈮的粒子)：KB：PI=80：5：15。另外，矽粒子：具有氧化鈮的粒子=92：8(重量比)。
    由氧化鈮覆蓋矽粒子是較佳的，但是由於氧化鈮具有絕緣性，所以如果氧化鈮覆蓋矽粒子的面積的比率過大，則電阻會增大。因此，較佳的是活性物質/(活性物質+氧化鈮)的重量比在0.7至0.999的範圍內。
    在此，對上述具有氧化鈮的粒子的製造方法進行說明。首先，將2mol用作穩定劑的乙醯乙酸乙酯及用作溶劑的甲苯加入到1mol鈮醇鹽(Nb(OCH2CH3)5)中攪拌來製造溶液。於是，該溶液中的鈮醇鹽逐漸與大氣中的水分起反應經過由化合式1所示的水解反應而凝膠化。藉由在上述步驟得到的凝膠中加入水稀釋至70倍左右(重量比)並利用超聲波清洗器攪拌，製造分散液。接著，藉由對該分散液以500℃進行燒結，使其發生縮合反應而由Nb(OH)5凝膠製造具有氧化鈮(Nb2O5)的粒子。
    藉由上述製程製造漿料。
    接著，藉由將該漿料塗敷到集電器上形成活性物質層，來形成二次電池的電極。
    作為集電器的材料使用鈦。作為集電器使用厚度為17μm的片狀的鈦箔(也稱為鈦片)。
    接著，在氮氣分下以350℃進行3小時的加熱處理使漿料乾燥。然後，利用加壓器進行加壓並對集電器進行打孔而得到所希望的形狀。
    最後，在氮氛圍下以100℃進行12小時的乾燥處理。
    藉由上述製程製造二次電池的電極。 〈二次電池的製程〉
    示出本實施例的二次電池的製程。
    藉由上述製程，在集電器上塗敷漿料形成活性物質層來製造電極，並使用該電極製造二次電池。以下對二次電池的製造方法進行說明。
    如圖7所示，所製造的二次電池具有負極204、正極232、分離器210、電解液(未圖示)、外殼206以及外殼244。此外，還具有環狀絕緣體220。負極204使用鋰金屬(鋰箔)。正極232使用藉由上述製程製造的電極。在本實施例中，作為該電極的集電器使用鈦箔並藉由實施方式1所示的方法形成活性物質層製造電極。分離器210及環狀絕緣體220使用聚丙烯。外殼206及外殼244使用不鏽鋼(SUS)製品。外殼206及外殼244具有使負極204及正極232與外部電連接的功能。
    將上述負極204、正極232及分離器210浸漬到電解液。並且，如圖7所示，以外殼206的底面朝下的方式依次層疊並固定負極204、分離器210、環狀絕緣體220、正極232以及外殼244，來形成二次電池。
    作為電解液，使用將LiPF6溶解在碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶劑中的電解液。 〈對比二次電池的電極的製程>
    接著，對對比二次電池的電極的製程進行說明。本發明的一個方式的二次電池與對比二次電池的製程不同，在對比二次電池的正極中塗敷到集電器上的漿料與本發明的一個方式的二次電池不同。其他的結構相同所以省略說明。
    將用作活性物質的矽粒子(粒徑為5μm左右)、用作導電助劑的科琴黑(KB)以及用作黏合劑的聚醯亞胺(PI)混合而製造用於對比二次電池的電極的漿料。各個材料的重量比為矽粒子：KB：PI=80：5：15。
    藉由上述製程在集電器上塗敷漿料形成活性物質層來製造用作對比二次電池的正極的電極。藉由使用該正極製造對比二次電池。關於對比二次電池的製程，除了正極的製程以外與上述二次電池相同。 〈二次電池及對比二次電池的特性比較〉
    關於藉由上述步驟製造的二次電池及對比二次電池，使用充放電測定儀比較電池特性。當測定充放電時，採用恆電流方式，只在初次放電時以相當於0.5C的電流值進行測定，並且之後在2小時內達到2000(mAh/g)的電流值進行測定。測定在室溫下進行。圖8示出其結果。
    圖8是示出相對於充放電迴圈的鋰的釋放量的測定結果。根據上述結果可知：與對比二次電池相比，根據實施方式1製造的二次電池即使充放電迴圈次數增加，鋰的釋放也沒有下降。
    根據圖8的結果可知：與對比二次電池相比，根據實施方式1製造的二次電池的循環特性高。
    100‧‧‧活性物質層
    101‧‧‧集電器
    103‧‧‧活性物質
    109‧‧‧粒子
    151‧‧‧蓄電裝置
    153‧‧‧外裝部件
    155‧‧‧蓄電元件
    157‧‧‧端子部
    159‧‧‧端子部
    163‧‧‧負極
    165‧‧‧正極
    167‧‧‧分離器
    169‧‧‧電解質
    171‧‧‧負極集電器
    173‧‧‧負極活性物質層
    175‧‧‧正極集電器
    177‧‧‧正極活性物質層
    204‧‧‧負極
    206‧‧‧外殼
    210‧‧‧分離器
    220‧‧‧環狀絕緣體
    232‧‧‧正極
    244‧‧‧外殼
    300‧‧‧汽車
    302‧‧‧蓄電裝置
    600‧‧‧受電裝置
    601‧‧‧受電裝置部
    602‧‧‧受電裝置用天線電路
    603‧‧‧信號處理電路
    604‧‧‧二次電池
    605‧‧‧整流電路
    606‧‧‧調變電路
    607‧‧‧電源電路
    610‧‧‧電源負載部
    700‧‧‧供電裝置
    701‧‧‧供電裝置用天線電路
    702‧‧‧信號處理電路
    703‧‧‧整流電路
    704‧‧‧調變電路
    705‧‧‧解調變電路
    706‧‧‧振盪電路
    1301‧‧‧摩托艇
    1302‧‧‧蓄電裝置
    1311‧‧‧電動輪椅
    1312‧‧‧蓄電裝置
    在圖式中：圖1A和圖1B是示出有關本發明的一個方式的蓄電裝置的電極的剖面圖及俯視圖；圖2是說明有關本發明的一個方式的電極的製造方法的圖；圖3A和圖3B是蓄電裝置的一個方式的平面圖及剖面圖；圖4A至圖4D是蓄電裝置的應用的一個方式的透視圖；圖5是示出無線供電系統的結構的例子的圖；圖6是示出無線供電系統的結構的例子的圖；圖7是示出蓄電裝置的製程的圖；圖8是示出蓄電裝置的電池特性結果的圖。
    100‧‧‧活性物質層
    101‧‧‧集電器
    103‧‧‧活性物質
    109‧‧‧粒子
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] 一種與具有氧化鈮的粒子接觸的材料，其中，該材料包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。
    [2] 根據申請專利範圍第1項之材料，其中該粒子包括鈮酸鋰。
    [3] 根據申請專利範圍第2項之材料，其中該鈮酸鋰為Li2Nb2O5。
    [4] 根據申請專利範圍第1項之材料，其中該粒子的粒徑為1nm以上且5μm以下。
    [5] 根據申請專利範圍第1項之材料，其中碳類薄膜設置在該材料及該粒子上。
    [6] 根據申請專利範圍第5項之材料，其中該碳類薄膜由膜狀碳類材料形成。
    [7] 根據申請專利範圍第6項之材料，其中該膜狀碳類材料是石墨或石墨烯。
    [8] 一種蓄電裝置，包括：包括集電器及該集電器上的活性物質層的電極，其中，該活性物質層包括具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質。
    [9] 根據申請專利範圍第8項之蓄電裝置，其中該粒子與該粒狀活性物質接觸。
    [10] 根據申請專利範圍第8項之蓄電裝置，其中該粒子的粒徑為1nm以上且5μm以下。
    [11] 根據申請專利範圍第8項之蓄電裝置，其中該粒狀活性物質包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。
    [12] 根據申請專利範圍第8項之蓄電裝置，其中該蓄電裝置是鋰二次電池或鋰離子電容器。
    [13] 一種蓄電裝置，包括：包括集電器及該集電器上的活性物質層的負極，其中，該活性物質層包括具有氧化鈮的粒子和粒狀活性物質。
    [14] 根據申請專利範圍第13項之蓄電裝置，其中該粒子與該粒狀活性物質接觸。
    [15] 根據申請專利範圍第13項之蓄電裝置，其中該粒子的粒徑為1nm以上且5μm以下。
    [16] 根據申請專利範圍第13項之蓄電裝置，其中該粒狀活性物質包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。
    [17] 根據申請專利範圍第13項之蓄電裝置，其中該蓄電裝置是鋰二次電池或鋰離子電容器。
    [18] 根據申請專利範圍第13項之蓄電裝置，還包括：與該負極接觸的電解質；以及隔著該電解質與該負極對置的正極。
    [19] 一種電極的製造方法，包括如下步驟：在集電器上塗敷漿料；以及對該漿料進行燒結來形成活性物質層，其中，該漿料包括黏結劑、導電助劑、具有氧化鈮的粒子以及粒狀活性物質。
    [20] 根據申請專利範圍第19項之電極的製造方法，其中該粒狀活性物質包括選自矽、錫、鋁和鍺中的一種以上的材料。
    [21] 根據申請專利範圍第19項之電極的製造方法，其中利用溶膠-凝膠法形成該粒子。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011186714A|JP6035013B2|2011-08-30|2011-08-30|電極の作製方法|
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