DE102013224515A1 - Lithium-luft-batterie und lithium-anodenverbund davon - Google Patents

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Ryo Komatsu
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Abstract

Eine Lithium-Luft-Batterie ist mit einem Lithium-Anodenverbund und einer Luftelektrode ausgestattet. Der Lithium-Anodenverbund umfasst: einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler; zwei plattenförmige Anodenschichten, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung, oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen Teil des Anodenstromsammlers sandwichartig umgeben; zwei plattenförmige Isolierschichten, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sei einen anderen Teil des Anodenstromsammlers und die zwei Anodenschichten insgesamt sandwichartig umgeben; und eine Verbindung, die so vorgesehen ist, dass sie äußere Randbereiche der zwei Isolierschichten verbindet und schließt, wobei der Rest des Anodenstromsammlers zwischen den zwei Isolierschichten nach außen exponiert ist. Die Luftelektrode umfasst eine Luftelektrodenschicht, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mindestens einer der zwei Isolierschichten zugewandt ist, und einen plattenförmigen oder streifenförmigen Luftelektroden-Stromsammler, der mit der Luftelektrodenschicht elektrisch verbunden ist.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Luft-Batterie und einen Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie.
  • Technischer Hintergrund
  • In Vorhersehung des populär Werdens elektrischer Fahrzeuge wird erwartet, dass eine Luftbatterie mit einer viel höheren Energiedichte als diejenige einer Lithiumionen-Batterie entwickelt wird. Die Luftbatterie verwendet Sauerstoff in der Luft als ein aktives Material für die Kathode.
  • Übrigens ist eine Lithium-Luft-Batterie bekannt, die metallisches Lithium, eine hauptsächlich aus Lithium bestehende Legierung oder eine hauptsächlich aus Lithium bestehende Verbindung als ein aktives Material für die Anode verwendet. Wenn die Aufmerksamkeit auf die Arten von Elektrolyten fokussiert wird, wird die Lithium-Luft-Batterie grob in einen Typ mit wässrigem Elektrolyten und einen Typ mit nicht-wässrigem Elektrolyten eingeteilt. Eine Lithium-Luft-Batterie vom Typ mit nicht-wässrigem Elektrolyten stellt eine Hauptströmung von Forschung und Entwicklung dar, weil für die Lithium-Luft-Batterie Lithiumionen-Batterietechnologien, mit Ausnahme einer Luftelektrode, verwendet werden können.
  • Andererseits wird auch an einer Lithium-Luft-Batterie vom Typ mit einem wässrigen Elektrolyten Forschung und Entwicklung durchgeführt, wenn auch wenig hinsichtlich der Anzahl von Fällen. Die Lithium-Luft-Batterie vom Typ mit wässrigem Elektrolyten hat im Vergleich zu der Lithium-Luft-Batterie vom Typ mit nicht-wässrigem Elektrolyten solche Vorteile, dass die Batterie gegen Feuchtigkeit in der Luft unempfindlich ist und dass der Elektrolyt preiswert und nicht-brennbar ist. Metallisches Lithium, das ein aktives Anodenmaterial ist, reagiert jedoch mit Sauerstoff und Wasser, wenn das metallische Lithium damit in direkten Kontakt gebracht wird. Dementsprechend muss die Lithium-Luft-Batterie vom Typ mit wässrigem Elektrolyten mit einer Schutzschicht aus einem Polymerelektrolyten, einem Lithiumionen leitenden festen Elektrolyten oder dergleichen ausgestattet werden, um das metallische Lithium gegen die Atmosphäre und eine wässrige Lösung zu schützen.
  • Daher wurde eine Lithium-Luft-Batterie vorgeschlagen, die mit einem Anodenverbund ausgestattet ist, in dem eine Pufferschicht aus einem Polymerelektrolyten auf einer Oberfläche von plattenförmigem metallischem Lithium ausgebildet ist, und eine Oberfläche der Polymerelektrolyt-Pufferschicht mit Glaskeramik, die Lithiumionen-Leitfähigkeit hat und als eine wasserfeste Schicht dient, bedeckt ist (siehe beispielsweise Patentdokument 1 ( japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2010-192313 ) und Nicht-Patentdokument 1 ("Present Status and Issues for Lithium/Air Battery Using Aqueous Electrolyte" (gegenwärtiger Stand und Problempunkte bei Lithium-Luft-Batterien, die wässrigen Elektrolyten verwenden) von Yasuo Takeda, Nobuyuki Imanishi, Osamu Yamamoto; GS Yuasa Technical Report, Vol. 7, No. 1, Seiten 1 bis 6 (Juni 2020)).
  • Die konventionelle Luftbatterie, die in Patentdokument 1 oder Nicht-Patentdokument 1 beschrieben wird, ist in einem Behälter oder einer Laminatfolie dicht eingeschlossen, wobei eine Oberfläche einer einzelnen Luftelektrode direkt einer Oberfläche eines einzelnen Anodenverbunds zugewandt ist. In solchen konventionellen Luftbatterien wird, wenn es erforderlich ist, die Eingangs/Ausgangs-Dichte (Ausgang pro Gewicht) zu erhöhen, einfach eine Anzahl von Luftbatterien mit demselben Aufbau verwendet, oder es wird einfach eine Luftbatterie vergrößert, wobei ihr Aufbau unverändert bleibt.
  • Bei der Vorgehensweise, einfach eine Anzahl von Luftbatterien mit demselben Aufbau zu verwenden, oder einfach eine Luftbatterie zu vergrößern, wobei der Aufbau unverändert bleibt, wird jedoch der Installationsraum der Luftbatterie oder der Luftbatterien in ineffizienter Weise und beträchtlich erhöht. Daher ist eine solche Vorgehensweise unbrauchbar, wenn die Luftbatterie oder die Luftbatterien, beispielsweise, bei einem elektrischen Fahrzeug eingebaut werden.
  • Darüberhinaus ist in der Luftbatterie, die in dem oben erwähnten Nicht-Patentdokument 1 beschrieben wird, ein Anodenverbund in einer Gassperre-Laminatfolie mit einem dreischichtigen Aufbau, der aus Polypropylen (PP), Aluminiumfolie und Polyethylenterephthalat (PET) besteht, eingeschlossen oder gekapselt. Darüberhinaus ist, um innerhalb und außerhalb der Laminatfolie eine Lithiumionen-Leitfähigkeit sicherzustellen, der Anodenverbund des Nicht-Patentdokuments 1 so gestaltet, dass in der Laminatfolie erzeugte Öffnungen mit Glaskeramiken, die als ein Lithiumionen leitendes Fenstermaterial dienen, zugestöpselt sind.
  • Es ist jedoch schwierig, das Polypropylen (PP) der Laminatfolie und die Glaskeramiken des Anodenverbunds mit einem Klebstoff miteinander zu verbinden, was zu einem Mangel an Haltbarkeit führt. Zusätzlich ist in einem äußeren Umfangsbereich der Laminatfolie ein Schweißrand von näherungsweise 10 mm erforderlich, um die Laminatfolie zur Bildung des Anodenverbunds heiß zu schweißen. Dieses Erfordernis führt zu einer Ausdehnung der Fläche der Laminatfolie und einer Vergrößerung des Volumens der Luftbatterie, was störend ist.
  • Das heißt, die konventionelle Luftbatterie ist für den Zweck der Bereitstellung einer experimentellen, kleinformatigen Einheitszelle, und daher ist es schwierig, eine kompakte, praxistaugliche Zelle mit gesteigerten Batterieeigenschaften, insbesondere Energiedichte, zu konstruieren.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Lithium-Luft-Batterie bereitzustellen, die in der Lage ist, zu vermeiden, dass die Lithium-Luft-Batterie im Vergleich mit einer konventionellen Luftbatterie außerordentlich vergrößert wird, selbst wenn die Energiedichte und die Eingangs/Ausgangs-Dichte erhöht werden.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie, der hierin im Folgenden lediglich Anodenverbund genannt werden kann, bereitzustellen.
  • Die obigen und andere Aufgaben können gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst werden, indem gemäß einem Aspekt eine Lithium-Luft-Batterie bereitgestellt wird, die aufweist: einen Lithium-Anodenverbund; und eine Luftelektrode,
    wobei der Lithium-Anodenverbund umfasst: einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler; zwei plattenförmige Anodenschichten, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen Teil des Anodenstromsammlers sandwichartig zwischen sich haben; zwei plattenförmige Isolierschichten, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen anderen Teil des Anodenstromsammlers und die Gesamtheit der zwei Anodenschichten sandwichartig zwischen sich haben; und eine Verbindung, die so vorgesehen ist, dass sie äußere Umfangsbereiche der zwei Isolierschichten verbindet und schließt, wobei der Rest des Anodenstromsammlers zwischen den zwei Isolierschichten nach außen exponiert ist, und
    wobei die Luftelektrode umfasst: eine Luftelektrodenschicht, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mindestens einer der zwei Isolierschichten zugewandt ist; und einen plattenförmigen oder streifenförmigen Luftelektroden-Stromsammler, der mit der Luftelektrodenschicht elektrisch verbunden ist.
  • Die folgenden bevorzugten beispielhaften Formen des obigen Aspekts können vorgesehen werden.
  • Die Luftelektrode kann eine weitere Luftelektrodenschicht umfassen, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mit der zuerst erwähnten Luftelektrodenschicht elektrisch verbunden ist, während sie einer anderen der zwei Isolierschichten gegenüber liegt.
  • Es kann bevorzugt sein, dass eine Mehrzahl der Lithium-Anodenverbunde und eine Mehrzahl von Luftelektroden einander abwechselnd überlappen, um gestapelt zu sein und miteinander elektrisch parallel verbunden bzw. geschaltet zu sein.
  • Die Luftelektrodenschicht kann zickzackartig gefaltet sein und jeder der Mehrzahl von Anodenverbunden wird sandwichartig umgeben von planaren Bereichen, von denen sich jeder zwischen Faltungslinien der Luftelektrodenschicht befindet.
  • Die Lithium-Luft-Batterie kann außerdem ein Gehäuse umfassen, in dem die Lithium-Anodenverbunde und die Luftelektroden angeordnet sind, und ein Elektrolyt innerhalb des Gehäuses in Kontakt mit mindestens den Luftelektroden aufgenommen ist, um die Lithiumionenleitung zwischen den Luftelektroden und den Anodenverbunden zu übernehmen. In dieser Anordnung kann das Gehäuse ein Formteil sein, das aus einem gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Material hergestellt ist. Nur der Anodenstromsammler und der Luftelektroden-Stormsammler mögen an der Außenseite des Gehäuses exponiert sein.
  • Es kann auch bevorzugt sein, dass der Anodenstromsammler aus einem der Materialien Kupfer, Gold und Platin hergestellt ist.
  • Es kann auch bevorzugt sein, dass der Luftelektroden-Stromsammler aus einem der Materialien Aluminium, Gold und Platin hergestellt ist.
  • Es kann auch bevorzugt sein, dass die Luftelektrodenschicht aus Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffvlies hergestellt ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lithium-Anodenverbund einer Lithium-Luft-Batterie bereitgestellt, der umfasst: einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler; zwei plattenförmige Anodenschichten, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen Teil des Anodenstromsammlers sandwichartig zwischen sich haben; zwei plattenförmige Isolierschichten, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen anderen Teil des Anodenstromsammlers und die Gesamtheit der zwei Anodenschichten sandwichartig zwischen sich haben; und einen Verbindungsbereich, der so vorgesehen ist, dass er äußere Umfangsbereiche der zwei Isolierschichten verbindet und schließt, wobei der Rest des Anodenstromsammlers zwischen den zwei Isolierschichten nach außen hin exponiert ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung mit den oben angegebenen Eigenschaften ist es möglich, eine kompakte Lithium-Luft-Batterie bereitzustellen, die in der Lage ist, eine außerordentliche Steigerung ihrer Größe im Vergleich zu einer konventionellen Luftbatterie zu vermeiden, selbst wenn eine Energiedichte und eine Eingangs/Ausgangs-Dichte erhöht werden. Es ist auch möglich, einen Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie bereitzustellen.
  • Die anderen charakteristischen Merkmale und vorteilhaften Wirkungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erzielbar sind, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben und deutlicher gemacht werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In dem begleitenden Zeichnungen ist:
  • 1 eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer Lithium-Luft-Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 2 eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Innenaufbau der Lithium-Luft-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 eine Schaltskizze, die die Lithium-Luft-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 4 eine schematische perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel eines Innenaufbaus der Lithium-Luft-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 5 eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
  • 6 eine schematische Schnittansicht, die den Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie gemäß der anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Nachstehend werden Ausführungsformen einer Lithium-Luft-Batterie und eines Lithium-Anodenverbunds der Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben.
  • Bei der folgenden Offenbarung der Ausführungsformen ist zu beachten, dass der Lithium-Anodenverbund der vorliegenden Ausführungsform lediglich ”Anodenverbund” oder in Anbetracht seiner baulichen Gestaltung oder Natur ”geschützter Lithium-Anodenverbund” genannt werden kann.
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Lithium-Luft-Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Eine Lithium-Luft-Batterie 1 ist eine Batterie, die eine Elektrizitätis-Ladungs/Entladungs-Funktion durchführt, und wie in 1 veranschaulicht ist, weist die Lithium-Luft-Batterie 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Gehäuse 2, das als eine äußere Umhüllung dient, einen Anodenstromsammler 5, der aus dem Inneren des Gehäuses 2 herausgeführt wird, um exponiert zu werden, und einen Luftelektroden-Stromsammler 6, der als ein Kathodenstromsammler dient, auf.
  • Das Gehäuse 2 ist ein Formteil, das aus einem gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Material, wie Polyethylen oder Gore-Tex (eingetragene Marke) hergestellt ist, und ist ein Hohlkörper mit einer hexaedrischen Gestalt, beispielsweise einer rechteckigen räumlichen Gestalt. Das Gehäuse 2 kann alternativ ein Formteil sein, das aus einem gasundurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen Material hergestellt ist. In diesem Fall werden Belüftungsöffnungen an Seitenwänden des Gehäuses 2 vorgesehen, wobei sich die Belüftungsöffnungen an Stellen befinden, wo der später beschriebene Elektrolyt 7 nicht auslaufen kann, um Luft in das Gehäuse hinein und aus ihm heraus zu zirkulieren.
  • Nur der Anodenstromsammler 5 und der Luftelektroden-Stromsammler 6 sind an der Außenseite des Gehäuses 2 exponiert.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Innenaufbaus der Lithium-Luft-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 3 ist eine Schaltskizze, die die Lithium-Luft-Batterie davon veranschaulicht.
  • Es ist außerdem zu beachten, dass ein Lithium-Anodenverbund 8 und eine Luftelektrode 9, die einander benachbart sind, in der Praxis miteinander in Kontakt sind. In 2 sind jedoch, um der einfachen Unterscheidung und des Verständnisses Willen, Lithium-Anodenverbund 8 und Luftelektrode, die benachbart sind, in einer Weise gezeigt, in der sie voneinander getrennt sind.
  • Wie in den 2 und 3 veranschaulicht ist, weist die Lithium-Luft-Batterie 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Gehäuse 2 zum Unterbringen einer Mehrzahl von geschützten Lithium-Anodenverbunden (Anodenverbunden) 8 und einer Mehrzahl von Luftelektroden 9, die in einer Weise angeordnet sind, in der sie einander abwechselnd überlappen und gestapelt sind, und eines Elektrolyten 7, der in dem Gehäuse 2 in Kontakt mit mindestens den Luftelektroden 9 aufgenommen ist, um Lithium-Ionenleitung zwischen den Luftelektroden 9 und den Anodenverbunden 8 zu übernehmen, auf.
  • Eine Oberfläche eines jeden Anodenverbunds 8 und eine Oberfläche jeder Luftelektrode 9, die einer solchen Anodenverbund-Oberfläche gegenüber liegt, bilden eine Luftbatteriezelle 11. Mit anderen Worten, die Lithium-Luft-Batterie 1 hat so viele parallel geschaltete Luftbatteriezellen 11 wie Anzahl von Stellen, an denen die Anodenverbunde 8 und die Luftelektroden 9 einander gegenüber liegen.
  • Die Mehrzahl von Anodenverbunden 8 und die Mehrzahl von Luftelektroden 9 haben jeweils plattenartige Formen. Außerdem sind die Mehrzahl von Anodenverbunden 8 und die Mehrzahl von Luftelektroden 9 jeweils elektrisch parallel geschaltet.
  • Jede Luftelektrode 9 hat in Projektion eine größere Fläche als jeder Anodenverbund 8, und genauer hat jede Luftelektrode 9 eine viereckige Gestalt, die relativ größer ist als die viereckige flache plattenförmige Gestalt jeden Anodenverbunds 8.
  • Jede Luftelektrode 9 umfasst eine Luftelektrodenschicht 13, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mindestens einer eines jeden Anodenverbunds 8 (d. h. einer Oberfläche jeder Isolierschicht 12, die später beschrieben wird) zugewandt ist, und einen plattenförmigen oder streifenförmigen Luftelektroden-Stromsammler 6, der mit der Luftelektrodenschicht 13 elektrisch verbunden ist.
  • Die Luftelektrodenschichten 13 sind aus einem elektrischen Leiter, wie Kohlefaser, hergestellt und haben eine dünne plattenförmige Gestalt. Speziell sind die Luftelektrodenschichten 13 aus Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffvlies hergestellt. Jede Luftelektrodenschicht 13 saugt unter Nutzung eines Kapillarphänomens den Elektrolyten 7 auf, um den Elektrolyten jeweils zwischen Anodenverbund 8 und Luftelektrode 9 einzuschieben.
  • Der Luftelektroden-Stromsammler 6 ist ein elektrischer Leiter, der aus Aluminium, Gold oder Platin hergestellt ist. Der Elektrolyt 7 ist eine wässrige elektrolytische Lösung und kann mit den Anodenverbunden 8 in Kontakt sein.
  • Alternativ kann der Elektrolyt 7 ein Polymerelektrolyt sein. In diesem Fall kann der Elektrolyt 7 entweder ein dünner folienartiger Körper, der sandwichartig zwischen einer Luftelektrode 9 und einem Anodenverbund 8 angeordnet ist, oder ein Membrankörper, mit dem eine Oberfläche jeder Luftelektrodenschicht 13 beschichtet ist, sein.
  • 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel des Innenaufbaus der Lithium-Luft-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wie das in 2 gezeigte Beispiel.
  • Außerdem sind in diesem Beispiel ein geschützter Lithium-Anodenverbund (kann nur Anodenverbund genannt werden) 8 und eine Luftelektrode 9A, die einander benachbart sind, in der Praxis in Kontakt miteinander. In 4 sind jedoch der Anodenverbund 8 und die Luftelektrode, die benachbart sind, um der einfachen Unterscheidung und des Verständnisses Willen getrennt voneinander gezeigt.
  • Es wird auch angemerkt, dass eine Lithium-Luft-Batterie 1A bildende Komponenten, die mit denjenigen der Lithium-Luft-Batterie 1 identisch sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind und hier nicht erneut diskutiert werden.
  • Wie in 4 veranschaulicht ist, ist eine Luftelektrodenschicht 13A, die in einer Luftelektrode 9A der Lithium-Luft-Batterie 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist, zickzackartig gefaltet. Jeder einer Mehrzahl von Anodenverbunden 8 ist sandwichartig umgeben von planaren Bereichen 13b, von denen sich jeder zwischen Faltungslinien 13a der Luftelektrodenschicht 13A befindet.
  • Für eine Luftelektrodenschicht 13A, in die die Mehrzahl von Anodenverbunden 8 eingeschoben ist, sollte nur ein Luftelektroden-Stromsammler 6 vorgesehen werden. Daher kann der Luftelektroden-Stromsammler 6 der Lithium-Luft-Batterie 1A hinsichtlich Gesamtlänge, Gewicht und Volumen kleiner gemacht werden als der Luftelektroden-Stromsammler 6 der Lithium-Luft-Batterie 1 der in 2 dargestellten Ausführungsform.
  • 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen geschützten Lithium-Anodenverbund der Lithium-Luft-Batterie gemäß einer andern Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 6 ist eine schematische Schnittansicht des geschützten Lithium-Anodenverbunds (nur ”Anodenverbund” genannt) der Lithium-Luft-Batterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Wie in den 5 und 6 veranschaulicht ist, umfasst jeder Anodenverbund 8 jeder der Lithium-Luft-Batterien 1 und 1A einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler 5, zwei plattenförmige Anodenschichten 15, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen Teil des Anodenstromsammlers 5 sandwichartig zwischen sich haben, zwei plattenförmige Isolierschichten 12, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen anderen Teil des Anodenstromsammlers 5 und die Gesamtheit der zwei Anodenschichten 15 sandwichartig zwischen sich haben, und einen Verbindungsbereich 16, der so angeordnet ist, dass er äußere Randbereiche der zwei Isolierschichten 12 verbindet und schließt, während er den Rest des Anodenstromsammlers 5 zwischen den zwei Isolierschichten 12 nach außen exponiert.
  • Zusätzlich ist jeder Anodenverbund 8 mit einer Pufferschicht 17 ausgestattet, die Lithium-Ionenleitfähigkeit hat und dazu ausgelegt ist, eine Anodenschicht 15 und eine Isolierschicht 12 voneinander zu trennen.
  • Das heißt, jeder Anodenverbund 8 hat den Aufbau einer Packung bzw. Baueinheit, in der zwei miteinander zu verbindende Anodenschichten 15 in der Pufferschicht 17 eingepackt sind, und die Pufferschicht 17 in zwei Isolierschichten 12 und zwei Verbindungsbereiche 16 eingepackt ist. Außerdem ist der Anodenstromsammler 5 ein elektrischer Leiter, der aus Kupfer, Gold oder Platin hergestellt ist.
  • Die zwei Anodenschichten 15 haben im Wesentlichen dieselbe viereckige plattenförmige Gestalt und sind miteinander verbunden, wobei ein Teil des Anodenstromsammlers 5 sandwichartig zwischen ihnen eingeschlossen ist.
  • Außerdem ist es wünschenswert, die Anodenschichten 15 aus metallischem Lithium herzustellen. Alternativ können die Anodenschichten 15 anstelle von metallischem Lithium aus einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt werden. Die hauptsächlich aus Lithium bestehende Legierung kann irgendeines der Materialien Magnesium, Kalzium, Aluminium, Silizium, Germanium, Zinn, Blei, Arsen, Antimon, Bismut, Silber, Gold, Zink, Kadmium, Quecksilber und dergleichen enthalten. Beispiele der hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung umfassen Li3-xMxN (M = Co, Cu oder Fe).
  • Die Pufferschicht 17 ist ein Lithiumionen leitender Polymerelektrolyt oder eine Lithiumionen leitende organische Elektrolytlösung. Außerdem ist es auch wünschenswert, dass die Lithium-Ionenleitfähigkeit der Pufferschicht 17 10–5 S/cm oder höher ist.
  • Die Pufferschicht 17 kann entweder ein fester Elektrolyt, der durch Dispergieren eines Lithiumsalzes in einem Polymer hergestellt wird, oder ein Gelelektrolyt, der durch Quellen eines Polymers mit einer elektrolytischen Lösung, in der ein Lithiumsalz gelöst ist, hergestellt wird, sein.
  • Beispiele für das Polymer, das als der Wirt bzw. das Grundmaterial des festen Elektrolyten dient, umfassen PEO (Polyethylenoxid) und PPO (Polypropylenoxid).
  • Beispiele für das Polymer, das als der Wirt bzw. das Grundmaterial des Gelelektrolyten dient, umfassen PEO (Polyethylenoxid), PVDF (Polyvinyliden-fluorid), PVDF-HFP (ein Copolymer von Polyvinyliden-fluorid und Hexafluorpropylen).
  • Beispiele für das Lithiumsalz umfassen LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiTFSI (Li(CF3-SO2)2N), Li(C2F4SO2)2N und LiBOB (Lithium-bis(oxalato)borat).
  • In einem Fall, in dem PEO verwendet wird, das besonders wünschenswert ist als das Polymer für den festen Elektrolyten, ist es wünschenswert, dass das Molekulargewicht von PEO 104 bis 105 ist, und dass das molare Verhältnis von PEO zu dem Lithiumsalz 8 bis 30:1 ist.
  • Zur Verbesserung der Festigkeit und der elektrochemischen Eigenschaften der Pufferschicht 17 kann ausßerdem ein Pulver eines keramischen Füllstoffs, beispielsweise BaTiO3 in dem Polymer dispergiert werden. Die Menge des keramischen Füllstoffs, die einzumischen ist, beträgt wünschenswerter Weise 1 bis 20 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile der übrigen Bestandteile.
  • Übrigens reagieren, wenn die Anodenschichten 15 und die Isolierschichten 12 miteinander in Kontakt kommen, das Lithium der Anodenschichten 15 und die Glaskeramik der Isolierschichten 12 miteinander. In einem Fall beispielsweise, in dem das Material der Isolierschichten 12 LTAP ist, wird Ti4+ des LTAP von Lithium reduziert. Eine solche Reaktion wird jedoch durch das Zwischenlegen der Pufferschicht 17 zwischen die Anodenschichten 15 und die Isolierschichten 12, um dadurch einen Kontakt zwischen ihnen zu verhindern, unterdrückt. Diese Anordnung trägt zur Verlängerung der Lebensdauer der Lithium-Luft-Batterie 1 bei.
  • Als das Material der Pufferschicht 17 wurden auch schon anorganische Substanzen, wie LiI, Li3N und LixPOYNZ, vorgeschlagen. Die Pufferschicht 17 kann durch ein vereinfachtes Verfahren hergestellt werden, wie ein Rakelverfahren, ein Aufschleuderverfahren (spin coating) oder ein Schlickergussverfahren (slip casting), indem man einen Polymerelektrolyten für das Material der Pufferschicht 17 hernimmt. Diese Ausbildung oder Anordnung kann die vorteilhafte Wirkung bereitstellen, die Notwendigkeit der Verwendung eines Sputter-Abscheidungsverfahrens, das kostspielig ist und bei der Behandlung großer Flächen für die Pufferschicht 17 Schwierigkeiten bereitet, zu beseitigen. Zusätzlich ist es leicht, die Zusammensetzung des Polymerelektrolyten zu verändern, was zur Verbesserung des Ausmaßes an Gestaltungsfreiheit beiträgt.
  • Alternativ kann die Pufferschicht 17 so ausgebildet sein, dass ein Trennelement (poröses Polyethylen oder Polypropylen) mit einer organischen elektrolytischen Lösung imprägniert wird. In diesem Fall wird die für die Pufferschicht 17 zu verwendende organische elektrolytische Lösung hergestellt durch Einmischen von Diethylcarbonat oder Dimethylcarbonat in Ethylencarbonat, und Zugeben eines Lithiumsalzes, wie LiPF6 (Lithium-hexafluorphosphat) zu dem Gemisch.
  • Die Isolierschichten 12 machen nahezu den gesamten Teil der äußeren Hülle des Anodenverbunds 8 aus, um dadurch die Anodenschichten 15 gegen Wasser zu schützen. Das heißt, die zwei Isolierschichten 12 sind so angebracht, dass sie den Luftelektrodenschichten 13 verschiedener Luftelektroden 9 zugewandt sind.
  • Die Isolierschichten 12 haben eine viereckige, flache, plattenartige Form, die relativ größer ist als die Anodenschichten 15, und sie hüllen die Gesamtheit der zwei Anodenschichten 15 ein, so dass sie miteinander eine Einheit bilden. Das heißt, der mittige Bereich jeder Isolierschicht 12 liegt einer der Anodenschichten 15 gegenüber, und der äußere Randbereich bzw. Umfangsbereich jeder Isolierschicht 12 springt nach außen von der Anodenschicht 15 wie eine Krempe oder ein Dachgesimsrand vor. Außerdem ist es für jede Isolierschicht wünschenswert, eine Dicke von etwa 100 bis 300 μm zu haben.
  • Außerdem sind die Isolierschichten 12 aus wasserfester und Lithiumionen leitender Glaskeramik hergestellt. Die Lithiumionen-Leitfähigkeit der Isolierschichten 12 ist wünschenswerterweise 10–5 S/cm oder höher, und jede Isolierschicht 12 ist wünschenswerterweise ein Lithiumionen-Leiter vom NASICON(Na Superionic Conductor)-Typ. Besonders wünschenswert ist, dass jede Isolierschicht 12 ein Lithiumionen-Leiter ist, der repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Li1+xM2-xM'x(PO4)3, bei dem die Lithiumionen-Leitfähigkeit verbessert ist durch Ersetzen eines Teils des vierwertigen Kations M eines Lithiumionen-Leiters, der repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Li3M2(PO4) (worin M ein vierwertiges Kation, wie Zr, Ti oder Ge, ist), durch ein dreiwertiges Kation M', wie In oder Al. Alternativ ist jede Isolierschicht 12 ein Lithiumionenleiter, der repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Li1-xM2-xM''x(PO4)3, bei dem die Lithiumionen-Leitfähigkeit verbessert ist durch Ersetzen eines Teils des vierwertigen Kations M eines Lithiumionenleiters, der repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Li3M2(PO4) (worin M ein vierwertiges Kation wie Zr, Ti oder Ge ist), durch ein fünfwertiges Kation M'' wie Ta. Es ist auch wünschenswert, P in diesen Lithiumionenleitern durch Si zu ersetzen. Insbesondere ist es wünschenswert, dass jede Isolierschicht 12 ein Lithiumionenleiter ist, der durch die allgemeine Formel Li1+x+uTi2-xAlxP3-ySiyO12 (LTAP) repräsentiert wird.
  • Die Verbindungsbereiche 16 sind als Brücke zwischen den jeweiligen äußeren Randbereichen der zwei Isolierschichten 12. Die Verbindungsbereiche 16 verschließen einen Bereich, der sandwichartig von den zwei Isolierschichten 12 umgeben ist (Rückseite und Unterseite in 5), und die Verbindungsbereiche 16 dichten einen Teilbereich des Anodenstromsammlers 5, der zwei Anodenschichten 15 und der Pufferschicht 17 in diesem Bereich in Verbindung mit den zwei Isolierschichten 12 ab.
  • Darüberhinaus sind die Verbindungsbereiche 16 hergestellt aus einem Klebstoff auf Epoxyharz-Basis, einem Klebstoff auf Silikonbasis oder einem Klebstoff auf Styrol-Butadien-Kautschuk-Basis, der in einen Raum zwischen den äußeren Randbereichen bzw. Umfangsbereichen der zwei Isolierschichten 12 gefüllt und dann gehärtet wird.
  • Da die Verbindungsbereiche 16 sowohl der Pufferschicht 17 als auch dem Elektrolyten 7 ausgesetzt sind, kann es für die Verbindungsbereiche 16 bevorzugt sein, sowohl gegen organische Elektrolytlösungen als auch gegen Alkalien beständig zu sein. Wenn ein Polymerelektrolyt für die Pufferschicht 17 verwendet wird, müssen die Verbindungsbereiche 16 nur alkalibeständig sein.
  • Die Verbindungsbereiche 16 können alternativ aus Harz bestehen, das anstelle des Klebstoffs eingefüllt und gehärtet wird.
  • Die Lithium-Luft-Batterie 1 und die Anodenverbunde 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erlauben, dass beide Seiten jedes plattenförmigen Anodenverbunds 8 zur Elektrizitätserzeugung beitragen. Diese doppelseitige Verwendung jedes Anodenverbunds 8 erlaubt es, dass die für die Zellenreaktion wirksame Fläche pro gleichem Volumen auf die zweifache Größe der Fläche einer konventionellen Lithium-Luft-Batterie erhöht wird, um eine Eingangs/Ausgangs-Dichte zu verbessern.
  • Zusätzlich können die Lithium-Luft-Batterie 1 und die Anodenverbunde 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Notwendigkeit von Laminatfolien, die bei einer konventionellen Lithium-Luft-Batterie verwendet werden, beseitigen, die Anzahl an Komponenten verringern, und erfordern keinerlei schwieriges Verbinden bzw. Verkleben beim Zusammenfügen von Polypropylen und Glaskeramik einer Laminatfolie.
  • Im Gegensatz zu einer konventionellen Lithium-Luft-Batterie, die für jede Einheitszelle, in der ein Anodenverbund und eine Luftelektrode ein Paar bilden, einen wässrigen Elektrolyten enthält, sind die Lithium-Luft-Batterie 1 und die Anodenverbunde 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so, dass eine Mehrzahl von Luftbatteriezellen 11 parallel geschaltet und in einem Gehäuse 2 untergebracht ist, und daher erfordern die Lithium-Luft-Batterie 1 und die geschützten Lithium-Anodenverbunde 8 der vorliegenden Ausführungsform, die einen solchen Aufbau hat, keine Trennwand für jede Luftbatteriezelle 11 (entspricht einer Außenverpackung der konventionellen Lithium-Luft-Batterie). Stattdessen teilt sich eine Mehrzahl von Luftbatteriezellen 11 den Elektrolyten 7, wodurch sie es möglich machen, die Menge an enthaltenem Elektrolyten 7 zu optimieren, um dadurch das Gewicht und Volumen der Lithium-Luft-Batterie 1 insgesamt zu verringern.
  • Darüberhinaus kann gemäß der Lithium-Luft-Batterie 1 und der geschützten Lithium-Anodenverbunde 8 der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem eine wässrige elektrolytische Lösung als der Elektrolyt 7 in dem Gehäuse 2 aufgenommen ist, selbst wenn der Elektrolyt 7 mit fortschreitender Entladung verdampft, der Elektrolyt 7 den Luftelektroden 9 nacheinander erneut zugeführt werden.
  • Folglich ist es bei der Lithium-Luft-Batterie 1 und den geschützten Lithium-Anodenverbunden 8 über einen längeren Zeitraum nicht erforderlich, dass der Elektrolyt 7 nachgefüllt oder erneut zugeführt wird, wodurch Verschlechterungen der Leistungsfähigkeit wegen des Vergessens des Nachfüllens des Elektrolyten 7 vermieden werden.
  • Außerdem sind in der Lithium-Luft-Batterie 1 und den geschützten Lithium-Anodenverbunden 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die zwei Isolierschichten 12 durch die Verbindungsbereiche 16 verbunden. Daher können die Lithium-Luft-Batterie 1 und die geschützten Lithium-Anodenverbunde 8 leichter hergestellt werden als in einem Fall, wo beim Zusammenfügen von Polypropylen und Glaskeramik einer Laminatfolie eine Schwierigkeit beim Verbindungsvorgang verursacht wird.
  • Daher ist es gemäß der Lithium-Luft-Batterie 1 und den geschützten Lithium-Anodenverbunden 8 der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine außerordentliche Steigerung der Größe zu vermeiden, wodurch die Batterie im Vergleich zu einer konventionellen Luftbatterie kompakt gemacht wird, selbst wenn eine Energiedichte und eine Eingangs/Ausgangs-Dichte erhöht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2010-192313 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Present Status and Issues for Lithium/Air Battery Using Aqueous Electrolyte” (gegenwärtiger Stand und Problempunkte bei Lithium-Luft-Batterien, die wässrigen Elektrolyten verwenden) von Yasuo Takeda, Nobuyuki Imanishi, Osamu Yamamoto; GS Yuasa Technical Report, Vol. 7, No. 1, Seiten 1 bis 6 (Juni 2020) [0005]

Claims (11)

  1. Lithium-Luft-Batterie aufweisend: einen Lithium-Anodenverbund; und eine Luftelektrode, wobei der Lithium-Anodenverbund umfasst: einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler; zwei plattenförmige Anodenschichten, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sei einen Teil des Anodenstromsammlers sandwichartig umgeben, zwei plattenförmige Isolierschichten, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen anderen Teil des Anodenstromsammlers und die zwei Anodenschichten insgesamt sandwichartig umgeben; und eine Verbindung, die so vorgesehen ist, dass sie äußere Umfangsbereiche der zwei Isolierschichten verbindet und schließt, wobei der Rest des Anodenstromsammlers zwischen den zwei Isolierschichten nach außen exponiert ist, und wobei die Luftelektrode umfasst: eine Luftelektrodenschicht, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mindestens einer der zwei Isolierschichten zugewandt ist; und einen plattenförmigen oder streifenförmigen Luftelektroden-Stromsammler, der mit der Luftelektrodenschicht elektrisch verbunden ist.
  2. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Luftelektrode eine weitere Luftelektrodenschicht umfasst, die ein elektrisch leitfähiges Material enthält und mit der erstgenannten Luftelektrodenschicht elektrisch verbunden ist, während sie einer anderen der zwei Isolierschichten gegenüber liegt.
  3. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl der Lithium-Anodenverbunde und eine Mehrzahl von Luftelektroden einander abwechselnd überlappen, um gestapelt und elektrisch parallel zueinander geschaltet zu sein.
  4. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 3, wobei die Luftelektrodenschicht zickzackartig gefaltet ist, und jeder Anodenverbund der Mehrzahl von Anodenverbunden von planaren Bereichen, von denen sich jeder zwischen Faltungslinien der Luftelektrodenschicht befindet, sandwichartig umgeben ist.
  5. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, außerdem aufweisend ein Gehäuse, in dem die Lithium-Anodenverbunde und die Luftelektroden angeordnet sind, und wobei ein Elektrolyt in dem Gehäuse in Kontakt mit mindestens den Luftelektroden, um eine Lithiumionen-Leitung zwischen den Luftelektroden und den Anodenverbunden zu übernehmen, aufgenommen ist.
  6. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse ein Formteil ist, das aus einem gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Material hergestellt ist.
  7. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 6, wobei nur der Anodenstromsammler und der Luftelektroden-Stromsammler an der Außenseite des Gehäuses exponiert sind.
  8. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei der Anodenstromsammler aus einem der Materialien Kupfer, Gold und Platin hergestellt ist.
  9. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei der Luftelektroden-Stromsammler aus einem der Materialien Aluminium, Gold und Platin hergestellt ist.
  10. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Luftelektrodenschicht aus Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffvlies hergestellt ist.
  11. Lithium-Anodenverbund einer Lithium-Luft-Batterie, aufweisend: einen plattenförmigen oder streifenförmigen Anodenstromsammler; zwei plattenförmige Anodenschichten, die aus metallischem Lithium, einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Legierung, oder einer hauptsächlich aus Lithium bestehenden Verbindung hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen Teil des Anodenstromsammlers sandwichartig umgeben; zwei plattenförmige Isolierschichten, die aus Glaskeramik mit Lithiumionen-Leitfähigkeit hergestellt und so angeordnet sind, dass sie einen anderen Teil des Anodenstromsammlers und die zwei Anodenschichten insgesamt sandwichartig umgeben; und einen Verbindungsbereich, der so vorgesehen ist, dass er äußere Umfangsbereiche der zwei Isolierschichten verbindet und schließt, wobei der Rest des Anodenstromsammlers zwischen den zwei Isolierschichten nach außen exponiert ist.
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