DE112013004909T5 - Energiespeichervorrichtung - Google Patents

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Jun Ishikawa
Kyosuke Ito
Rie Yokoi
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Abstract

Bereitgestellt wird eine Energiespeichervorrichtung mit einem hohen Grad der Sicherheit. Außerdem wird eine Energiespeichervorrichtung mit verbesserter Zyklenlebensdauer bereitgestellt. Bei der Energiespeichervorrichtung wird eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel einer Elektrolytlösung verwendet, und ein Außenteil ist mit einem leitfähigen Bestandteil bedeckt, um direkten Kontakt zwischen einem Positivelektrodenstromkollektor und dem Außenteil zu verhindern. Dies unterdrückt eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors wegen Kontakts zwischen unterschiedlichen Arten von Metallen und folglich verhindert ein Phänomen, dass das eluierte Metall des Positivelektrodenstromkollektors auf einer Negativelektrode abgeschieden wird und das abgeschiedene Metall in Kontakt mit einer Positivelektrode kommt. Deshalb kann ein interner Kurzschluss, der durch den Kontakt verursacht wird, verhindert werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Energiespeichervorrichtungen. Es sei angemerkt, dass die Energiespeichervorrichtung alle Elemente und Vorrichtungen bezeichnet, die eine Funktion der Speicherung von Elektrizität aufweisen.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren sind verschiede Energiespeichervorrichtungen, so beispielsweise nichtwässrige Sekundärbatterien, wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien (lithium-ion batteries: LIBs), Lithium-Ionen-Kondensatoren (lithium-ion capacitors: LICs) und Luftzellen, intensiv entwickelt worden. Insbesondere ist eine Nachfrage nach Lithium-Ionen-Sekundärbatterien mit hoher Ausgabe und hoher Energiedichte schnell gewachsen, zusammen mit der Entwicklung der Halbleiterindustrie wie in den Fällen von elektrischen Geräten wie z. B. tragbaren Informationsendgeräten wie Mobiltelefonen, Smartphones und Laptops, tragbaren Musikabspielgeräten und Digitalkameras; medizinischen Geräten; und Saubere-Energie-Fahrzeugen der nächsten Generationen wie z. B. Hybrid-Elektrofahrzeugen (hybrid electric vehicles: HEVs), Elektrofahrzeugen (electric vehicles: EVs) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles: PHEVs). Die Lithium-Ionen-Batterien sind als wiederaufladbare Energieversorgungsquellen notwendig für die heutige Informationsgesellschaft.
  • Bei vielen weit verbreiteten Lithium-Ionen-Sekundärbatterien wird ein nichtwässriger Elektrolyt (auch als nichtwässrige Elektrolytlösung oder einfach Elektrolytlösung bezeichnet) verwendet; der nichtwässrige Elektrolyt enthält ein organisches Lösungsmittel wie z. B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, fluorierten cyclischen Ester, fluorierten acyclischen Ester, fluorierten cyclischen Ether oder fluorierten acyclischen Ether und ein Lithiumsalz enthaltend Lithiumiionen. Es sei angemerkt, dass der fluorierte cyclische Ester in dieser Beschreibung einen cyclischen Ester bezeichnet, in dem Fluor durch Wasserstoff wie in einem cyclischen Ester mit Alkylfluorid substituiert ist. In einer ähnlichen Weise ist in dem fluorierten acyclischen Ester, dem fluorierten cyclischen Ether oder dem fluorierten acyclischen Ether Fluor durch Wasserstoff substituiert.
  • Jedoch weisen die organischen Lösungsmittel Flüchtigkeit und einen niedrigen Flammpunkt auf; daher könnte dann, wenn das organische Lösungsmittel bei einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet wird, die Innentemperatur der Lithium-Sekundärbatterie wegen des Kurzschlusses, der Überladung oder dergleichen ansteigen, und die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie kann explodieren oder in Flammen aufgehen. Einige Arten von organischen Lösungsmitteln erzeugen eine Flusssäure durch eine Hydrolysenreaktion. Da diese Flusssäure ein Metall korrodiert, hat es eine Sorge um die Zuverlässigkeit von Batterien gegeben.
  • Angesichts der vorstehenden Probleme hat man vorgeschlagen, dass eine ionische Flüssigkeit, die nichtflüchtig und schwer entflammbar ist, als nichtwässriges Lösungsmittel für einen nichtwässrigen Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet wird. Beispiele für eine solche ionische Flüssigkeit sind eine ionische Flüssigkeit, die ein Ethylmethylimidazolium-(EMI-)Kation enthält, und eine ionische Flüssigkeit, die ein N-Methyl-N-propylpiperidinium-(PP13 –)Kation enthält (siehe Patentdokument 1).
  • [Referenz]
  • [Patentdokument]
    • [Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-331918
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei der Zellenstruktur von weit verbreiteten Lithium-Ionen-Sekundärbatterien ist es bevorzugt, dass ein Außenteil unter Verwendung eines Edelstahls (stainless steel: SUS) oder dergleichen mit ausreichender Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit ausgebildet ist. Jedoch wird dann, wenn dieser SUS in direktem Kontakt mit einem Positivelektrodenstromkollektor, der unter Verwendung von Aluminium oder dergleichen ausgebildet ist, in einer ionischen Flüssigkeit, die ein Lösungsmittel einer Elektrolytlösung ist, steht, eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors wegen Kontakts zwischen unterschiedlichen Arten von Metallen verursacht; daher besteht ein Problem darin, dass die Zyklenlebensdauer (cycle life) der Batterie verkürzt wird.
  • Unter Berücksichtigung der vorstehenden Probleme ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung mit einem hohen Grad der Sicherheit bereitzustellen. Außerdem ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung mit verbesserter Zyklenlebensdauer bereitzustellen.
  • Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, ist eine Energiespeichervorrichtung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel einer Elektrolytlösung verwendet wird, mit einem leitfähigen Bestandteil zwischen einem Außenteil und einem Positivelektrodenstromkollektor versehen, so dass direkter Kontakt zwischen dem Außenteil und dem Positivelektrodenstromkollektor verhindert wird.
  • Insbesondere ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Energiespeichervorrichtung, die eine Positivelektrode, die in einem Außenteil bereitgestellt ist, und eine Negativelektrode, die in dem Außenteil bereitgestellt ist und der Positivelektrode zugewandt ist, wobei eine Elektrolytlösung dazwischen liegt, beinhaltet. Bei der Energiespeichervorrichtung enthält die Elektrolytlösung eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel. Ferner ist ein Schutzbestandteil mit Leitfähigkeit zwischen dem Außenteil und einem Positivelektrodenstromkollektor, der in der Positivelektrode enthalten ist, bereitgestellt.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann das Schutzbestandteil Aluminium enthalten.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann das Außenteil Eisen oder Nickel enthalten.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann der Positivelektrodenstromkollektor Aluminium enthalten.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann ein Kation in der ionischen Flüssigkeit eines von einem heterocyclischen Kation, einem aromatischen Kation, einem quaternären Ammoniumkation, einem quaternären Sulfoniumkation, einem quaternären Phosphoniumkation, einem tertiären Sulfoniumkation, einem acyclischen quaternären Ammoniumkation und einem acyclischen quaternären Phosphoniumkation enthalten.
  • Bei der vorstehenden Struktur kann ein Anion in der ionischen Flüssigkeit eines von einem einwertigen Amid-Anion, einem einwertigen Methid-Anion, einem Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), einem Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –) und Perfluoralkylphosphat enthalten.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Energiespeichervorrichtung mit einem hohen Grad der Sicherheit bereitgestellt werden. Außerdem kann eine Energiespeichervorrichtung mit verbesserter Zyklenlebensdauer bereitgestellt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den begleitenden Zeichnungen:
  • 1A und 1B sind eine Außenansicht und eine Querschnittsansicht einer Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung;
  • 2A bis 2C zeigen eine Positivelektrode;
  • 3A bis 3D zeigen eine Negativelektrode;
  • 4A und 4B zeigen eine zylindrische Energiespeichervorrichtung;
  • 5C zeigt elektronische Geräte;
  • 6A bis 6C zeigen ein elektrisches Gerät;
  • 7 zeigt ein elektrisches Gerät; und
  • 8 zeigt Entladeeigenschaften von Knopfzellen-Energiespeichervorrichtungen.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detailliert anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt ist, und es wird leicht von Fachleuten verstanden, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht so verstanden werden, dass sie auf die Beschreibung der folgenden Ausführungsformen beschränkt ist. Beim Beschreiben von Strukturen der Erfindung anhand der Zeichnungen werden für die gleichen Teile in verschiedenen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen gemeinsam verwendet. Das gleiche Schraffurmuster wird bei gleichen Teilen angewendet, und die gleichen Teile sind in einigen Fällen nicht speziell mit Bezugszeichen gekennzeichnet. Des Weiteren ist der Einfachheit halber in einigen Fällen eine Isolierschicht in einer Draufsicht nicht dargestellt. Es sei angemerkt, dass die Größe, die Schichtdicke oder der Bereich jeder Struktur in jeder Zeichnung in einigen Fällen der Klarheit halber übertrieben ist, und somit ist das tatsächliche Maß nicht notwendigerweise auf das abgebildete Maß beschränkt.
  • (Ausführungsform 1)
  • Eine Struktur einer Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen der Energiespeichervorrichtung werden anhand von Zeichnungen beschrieben. Ein Beispiel, in dem die Energiespeichervorrichtung eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist, wird nachstehend beschrieben.
  • 1A ist eine Außenansicht einer Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung 100, und 1B ist ihre Querschnittsansicht.
  • Die Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung 100 beinhaltet eine Positivelektrodendose 101, die ein Teil eines Außenteils ist und auch als Positivelektrodenanschluss dient, eine Negativelektrodendose 102, die ein Teil eines Außenteils ist und auch als Negativelektrodenanschluss dient, eine Dichtung 103, die aus Polypropylen oder dergleichen ausgebildet ist, ein Schutzbestandteil 111, das die Positivelektrodendose 101 bedeckt, und eine Elektrolytlösung (nicht abgebildet) in einem Raum, der von der Positivelektrodendose 101 und der Negativelektrodendose 102 umgeben ist. Es sei angemerkt, dass eine ionische Flüssigkeit als Elektrolytlösung verwendet wird. Bei der Energiespeichervorrichtung 100 sind die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 befestigt, wobei die Dichtung 103 dazwischen liegt, so dass sie voneinander isoliert sind (siehe 1A).
  • Des Weiteren sind bei der Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung 100 eine Positivelektrode 104 und eine Negativelektrode 107 derart bereitgestellt, dass sie einander zugewandt sind, wobei ein Separator 110 dazwischen liegt. Die Positivelektrode 104 beinhaltet einen Positivelektrodenstromkollektor 105 in Kontakt mit dem Schutzbestandteil 111 und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 in Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 105. Die Negativelektrode 107 beinhaltet einen Negativelektrodenstromkollektor 108 in Kontakt mit der Negativelektrodendose 102 und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 in Kontakt mit dem Negativelektrodenstromkollektor 108 (siehe 1B).
  • Die Verwendung von einer oder mehreren Arten von ionischen Flüssigkeiten, die sich bei normaler Temperatur und unter normalem Druck in einem Flüssigkeitszustand befinden und schwer entflammbar und nichtflüchtig sind, als Lösungsmittel der Elektrolytlösung kann verhindern, dass die Sekundärbatterie explodiert oder in Flammen aufgeht, auch wenn die Innentemperatur wegen des Kurzschlusses, der Überladung oder dergleichen ansteigt. In dieser Beschreibung bedeutet normale Temperatur eine Temperatur im Bereich von höher als oder gleich 5°C und niedriger als oder gleich 35°C.
  • Eine ionische Flüssigkeit ist ein Salz im Flüssigkeitszustand und weist eine hohe Ionenbeweglichkeit (Leitfähigkeit) auf. Ferner enthält die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein Anion. Als Kation kann ein heterocyclisches Kation, ein aromatisches Kation, ein quaternäres Ammoniumkation, ein quaternäres Sulfoniumkation, ein quaternäres Phosphoniumkation, ein tertiäres Sulfoniumkation, ein acyclisches quaternäres Ammoniumkation, ein acyclisches quaternäres Phosphoniumkation, ein aromatisches Kation oder dergleichen angegeben werden. Als Anion kann ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BFH4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen angegeben werden. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1SO2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Eine ionische Flüssigkeit, die durch die allgemeine Formel (G1) dargestellt wird, kann verwendet werden.
  • [Chemische Formel 1]
    Figure DE112013004909T5_0002
  • In der allgemeinen Formel (G1) stellen R1 bis R5 eines/eine von einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe dar. Wenn eines von R1 bis R5 eine von einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe ist, sind die anderen vier von R1 bis R5 Wasserstoffatome. Wenn zwei von R1 bis R5 eine von einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe sind, sind die anderen drei von R1 bis R5 Wasserstoffatome. Wenn drei von R1 bis R5 eine von einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe sind, sind die anderen zwei von R1 bis R5 Wasserstoffatome. Wenn vier von R1 bis R5 eine von einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe sind, ist das andere von R1 bis R5 ein Wasserstoffatom. A– kann ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen sein. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1SO2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Beispiele für die allgemeine Formel (G1) mit spezifischen Strukturen des Kations sind Strukturformeln (100) bis (116). Es sei angemerkt, dass R1 und R5 in dem Kation der allgemeinen Formel (G1) gegenüber einer Strecke, die N+ von Piperidin und R3 verbindet, symmetrisch sind. In einer ähnlichen Weise sind auch R2 und R4 in dem Kation der allgemeinen Formel (G1) symmetrisch. Beispielsweise sind die Kationen mit einer Methylgruppe bei R1 oder R2 in den Strukturformeln (101) und (102) gezeigt, und Strukturformeln, die zu den Strukturformeln (101) und (102) äquivalent sind, sind nicht gezeigt. Mit anderen Worten: die Strukturformel mit einer Methylgruppe bei R5 anstatt von R1 in den Strukturformeln (101) und die Strukturformel mit einer Methylgruppe bei R4 anstatt von R2 in den Strukturformeln (102) sind äquivalent zu den Strukturformeln (101) bzw. (102) und weisen die gleiche Eigenschaft wie die Strukturformeln (101) bzw. (102) auf und sind daher weggelassen. Dasselbe gilt für die anderen Strukturformeln, die im Folgenden gezeigt sind.
  • [Chemische Formel 2]
    Figure DE112013004909T5_0003
  • [Chemische Formel 3]
    Figure DE112013004909T5_0004
  • Eine ionische Flüssigkeit, die beispielsweise ein chirales Molekül (asymmetrisches Molekül) wie z. B. die Kationen in den Strukturformeln (101), (102) und (104) enthält, ist instabiler und weist einen niedrigeren Schmelzpunkt auf; deshalb befindet sie sich im Flüssigkeitszustand im weiteren Temperaturbereich. Folglich kann beispielsweise eine Verringerung der Ionenleitfähigkeit auch in einer Umgebung mit einer niedrigen Temperatur, die niedriger ist als normale Temperatur, verhindert werden.
  • Ferner wird, indem ein Substituent mit einer elektronenliefernden Eigenschaft wie z. B. eine Methylgruppe oder eine Methoxygruppe in ein Heterocyclus eingeführt wird, die Elektronendichte des Heterocyclus verringert, der Bereich des stabilen Potentials (auch als Potentialfenster bezeichnet) kann vergrößert werden, und ein starker Reduktionswiderstand kann erhalten werden. Aus diesem Grund kann in einem solchen Fall die zyklische Leistung (cycle performance) von Sekundärbatterien verbessert werden. Es sei angemerkt, dass der Substituent mit einer elektronenliefernden Eigenschaft effektiver ist, wenn er in die ortho-Position des Heterocyclus eingeführt wird.
  • Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die allgemeine Formel (G2) dargestellt wird, verwendet werden.
  • [Chemische Formel 4]
    Figure DE112013004909T5_0005
  • In der allgemeinen Formel (G2) stellt R1 eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen dar. Eines oder zwei von R2 bis R5 stellt/stellen eine von einer Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, einer Methoxygruppe, einer Methoxymethylgruppe und einer Methoxyethylgruppe dar, und die anderen drei oder zwei von R2 bis R5 sind Wasserstoffatome. A– kann ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen sein. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1SO2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Beispiele für die allgemeine Formel (G2) mit spezifischen Strukturen des Kations sind Strukturformeln (200) bis (219). Es sei angemerkt, dass R2 und R5 in dem Kation der allgemeinen Formel (G2) gegenüber einer Strecke, die N+ von Pyrrolidin und einen Mittelpunkt zwischen R3 und R4 verbindet, symmetrisch sind. In einer ähnlichen Weise sind auch R3 und R4 in dem Kation der allgemeinen Formel (G2) symmetrisch. Beispielsweise sind die Kationen mit einer Methylgruppe bei R2 bis R3 in den Strukturformeln (201) und (202) gezeigt, und Strukturformeln, die zu den Strukturformeln (201) und (202) äquivalent sind, sind nicht gezeigt. Mit anderen Worten: die Strukturformel mit einer Methylgruppe bei R5 anstatt von R2 in den Strukturformeln (201) und die Strukturformel mit einer Methylgruppe bei R4 anstatt von R3 in den Strukturformeln (202) sind äquivalent zu den Strukturformeln (201) bzw. (202) und weisen die gleiche Eigenschaft wie die Strukturformeln (201) bzw. (202) auf und sind daher weggelassen. Dasselbe gilt für die anderen Strukturformeln, die im Folgenden gezeigt sind.
  • [Chemische Formel 5]
    Figure DE112013004909T5_0006
  • Außerdem hat eine fünfgliedrige ionische Flüssigkeit wie in der allgemeinen Formel (G2) eine niedrigere Viskosität und daher eine höhere Ionenleitfähigkeit als eine sechsgliedrige ionische Flüssigkeit wie in der allgemeinen Formel (G1).
  • Des Weiteren kann die ionische Flüssigkeit einen Spiro-Ring aufweisen. Beispielsweise kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die allgemeine Formel (G3) dargestellt wird und eine Kombination von fünfgliedrigen Ringen ist, verwendet werden.
  • [Chemische Formel 6]
    Figure DE112013004909T5_0007
  • In der allgemeinen Formel (G3) stellen R1 bis R8 jeweils ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkoxyalkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen dar. A– kann ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen sein. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1SO2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Alternativ kann ein Spiro-Ring mit einer Kombination von einem fünfgliedrigen Ring und einem sechsgliedrigen Ring verwendet werden. Beispielsweise kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die allgemeine Formel (G4) dargestellt wird, verwendet werden.
  • [Chemische Formel 7]
    Figure DE112013004909T5_0008
  • In der allgemeinen Formel (G4) stellen R1 bis R9 jeweils ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkoxyalkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen dar. A– kann ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen sein. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1SO2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Zusätzlich zu den vorstehenden Spiro-Ringen kann auch eine Kombination von einem fünfgliedrigen Ring und einem siebengliedrigen Ring, eine Kombination von einem sechsgliedrigen Ring und einem siebengliedrigen Ring, eine Kombination von siebengliedrigen Ringen oder dergleichen verwendet werden. Beispiele für die allgemeine Formel (G3), die allgemeine Formel (G4), den Spiro-Ring mit einer Kombination von einem fünfgliedrigen Ring und einem siebengliedrigen Ring, den Spiro-Ring mit einer Kombination von einem sechsgliedrigen Ring und einem siebengliedrigen Ring und den Spiro-Ring mit einer Kombination von siebengliedrigen Ringen, welche spezifische Strukturen des Kations aufweisen, sind Strukturformeln (300) bis (497). In einer ähnlichen Weise wie im Falle der allgemeinen Formel (G2) ist nur eine Strukturformel von denjenigen, die die gleiche Eigenschaft aufweisen und äquivalent sind, gezeigt, um Verdopplung zu vermeiden.
  • [Chemische Formel 8]
    Figure DE112013004909T5_0009
  • [Chemische Formel 9]
    Figure DE112013004909T5_0010
  • [Chemische Formel 10]
    Figure DE112013004909T5_0011
  • [Chemische Formel 11]
    Figure DE112013004909T5_0012
  • [Chemische Formel 12]
    Figure DE112013004909T5_0013
  • [Chemische Formel 13]
    Figure DE112013004909T5_0014
  • [Chemische Formel 14]
    Figure DE112013004909T5_0015
  • [Chemische Formel 15]
    Figure DE112013004909T5_0016
  • [Chemische Formel 16]
    Figure DE112013004909T5_0017
  • [Chemische Formel 17]
    Figure DE112013004909T5_0018
  • [Chemische Formel 18]
    Figure DE112013004909T5_0019
  • [Chemische Formel 19]
    Figure DE112013004909T5_0020
  • [Chemische Formel 20]
    Figure DE112013004909T5_0021
  • [Chemische Formel 21]
    Figure DE112013004909T5_0022
  • [Chemische Formel 22]
    Figure DE112013004909T5_0023
  • [Chemische Formel 23]
    Figure DE112013004909T5_0024
  • [Chemische Formel 24]
    Figure DE112013004909T5_0025
  • [Chemische Formel 25]
    Figure DE112013004909T5_0026
  • In den Strukturformeln (300) bis (497) kann A– ein einwertiges Amid-Anion, ein einwertiges Methid-Anion, ein Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), ein Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BFH4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –), Perfluoralkylphosphat oder dergleichen sein. Ein Beispiel für das einwertige Amid-Anion ist (CnF2n+1O2)2N– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Amid-Anion ist CF2(CF2SO2)2N–. Ein Beispiel für das einwertige Methid-Anion ist (CnF2n+1SO2)3C– (n = 0 bis 3), und ein Beispiel für das cyclische einwertige Methid-Anion ist CF2(CF2SO2)2C–(CF3SO2). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonsäure-Anion ist (CmF2m+1SO3)– (m = 0 bis 4). Ein Beispiel für das Perfluoralkylborat ist {BFn(CmHkF2m+1-k)4-n}– (n = 0 bis 3, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Ein Beispiel für das Perfluoralkylphosphat ist {PFn(CmHkF2m+1-k)6-n}– (n = 0 bis 5, m = 1 bis 4 und k = 0 bis 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf die hier beschriebenen Anionen beschränkt ist.
  • Als Elektrolyt, der in dem vorstehenden Lösungsmittel aufgelöst ist, kann eines von Lithiumsalzen wie z. B. LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, Lil, Li2SO4, Li2B10Cl10, Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2) (CF3SO2) und LiN(C2F5SO2)2 verwendet werden, oder zwei oder mehr von diesen Lithiumsalzen können in einer angemessenen Kombination in einem angemessenen Verhältnis verwendet werden.
  • Das Schutzbestandteil 111 liegt zwischen der Positivelektrodendose 101 und dem Positivelektrodenstromkollektor 105. Das Schutzbestandteil 111 kann auf der Positivelektrodendose 101 durch Aufdampfung ausgebildet werden und kann eine Form, wie z. B. die Form eines Dünnfilms, die Form einer Folie oder die Form einer Platte (die Form eines Blattes), aufweisen.
  • Beispielsweise ist ein Verfahren zum Bedecken der Positivelektrodendose 101 mit dem Schutzbestandteil 111 nicht besonders beschränkt, solange das Schutzbestandteil 111 in Kontakt mit der Positivelektrodendose 101 steht, und Cladding kann verwendet werden. Cladding ist ein Verfahren, bei dem Metalle durch Druck verbunden oder angebracht werden.
  • In dem Fall, in dem die Positivelektrodendose 101 in direktem Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 105 in einer Elektrolytlösung, in der eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, steht, wird eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors 105 wegen Kontakts zwischen unterschiedlichen Arten von Metallen verursacht, und das eluierte Metall des Positivelektrodenstromkollektors 105 wird auf der Negativelektrode 107 abgeschieden. Wenn das abgeschiedene Metall in Kontakt mit der Positivelektrode 104 kommt, wird ein interner Kurzschluss verursacht und daher wird die Kapazität schnell verringert, was die Zyklenlebensdauer der Batterie verkürzt. In dem Fall, in dem das Schutzbestandteil 111 zwischen und in Kontakt mit der Positivelektrodendose 101 und dem Positivelektrodenstromkollektor 105 bereitgestellt ist, kann eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors 105 verhindert werden, was die Zyklenlebensdauer verbessern kann.
  • Das Schutzbestandteil 111 ist elektrisch mit der Positivelektrodendose 101 und dem Positivelektrodenstromkollektor 105 verbunden. Als das Schutzbestandteil 111 kann ein leitfähiges Bestandteil ausschließlich Eisens, Nickels und Chroms verwendet werden; beispielsweise kann Aluminium, Kohlenstoff, Platin, ein leitfähiges Polymer oder dergleichen verwendet werden. Da Aluminium eine niedrige Dichte aufweist, ist es bevorzugt, Aluminium als das Schutzbestandteil 111 zu verwenden, weil das gesamte Gewicht der Energiespeichervorrichtung verringert werden kann.
  • Als der Separator 110 kann Papier; Vliesstoff; Glasfaser; Kunstfaser wie z. B. Nylon (Polyamid), Vinylon (Polyvinylalkohol-basierte Faser), Polyester, Acryl, Polyolefin oder Polyurethan; oder dergleichen verwendet werden. Es sei angemerkt, dass ein Material, das nicht in der Elektrolytlösung aufgelöst wird, ausgewählt werden sollte.
  • Insbesondere umfassen Beispiele für das Material des Separators 110 Fluor-basierte Polymere, Polyether wie z. B. ein Polyethylenoxid und ein Polypropylenoxid, Polyolefine wie z. B. Polyethylen und Polypropylen, Polyacrylonitril, Polyvinylidenchlorid, Polymethylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyvinylalkohol, Polymethacrylonitril, Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polybutadien, Polystyren, Polyisopren und Polyurethan-basierte Polymere und ihre Derivate, Cellulose, Papier, Vliesstoff und Glasfaser. Eines der vorstehenden Materialien oder eine Kombination von zwei oder mehr der vorstehenden Materialien kann für den Separator 110 verwendet werden.
  • Als Material der Positivelektrodendose 101 und Material der Negativelektrodendose 102 kann ein Metall wie z. B. Edelstahl, der Eisen, Nickel und Chrom enthält; Eisen; Nickel; Aluminium oder Titan verwendet werden. Der Edelstahl und Eisen sind wegen der hohen Festigkeit besonders bevorzugt. Der Edelstahl und Nickel sind wegen des hohen Widerstandes gegen Korrosion bevorzugt. Es ist besonders bevorzugt, eine Beschichtung eines korrosionsbeständigen Metalls wie z. B. Nickels aufzubringen, um Korrosion zu verhindern, die durch Laden/Entladen der Energiespeichervorrichtung 100 wegen des nichtwässrigen Lösungsmittels in der Elektrolytlösung erfolgt. Die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 sind elektrisch mit der Positivelektrode 104 bzw. der Negativelektrode 107 verbunden.
  • Als Nächstes wird eine Struktur der Positivelektrode 104 beschrieben.
  • 2A ist eine Querschnittsansicht der Positivelektrode 104. Bei der Positivelektrode 104 ist die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 über dem Positivelektrodenstromkollektor 105 ausgebildet.
  • Der Positivelektrodenstromkollektor 105 kann unter Verwendung eines hochleitfähigen Materials ausgebildet sein, wie z. B. eines Metalls, wie Edelstahls, Golds, Platins, Zinks, Eisens, Kupfers, Aluminiums oder Titans, oder einer Legierung davon. Es sei angemerkt, dass der Positivelektrodenstromkollektor 105 unter Verwendung einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein kann, der ein Element zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit, wie z. B. Silizium, Titan, Neodym, Scandium oder Molybdän, zugefügt worden ist. Alternativ kann der Positivelektrodenstromkollektor 105 unter Verwendung eines Metallelements ausgebildet sein, das durch Reagieren mit Silizium Silizid bildet. Beispiele für das Metallelement, das durch Reagieren mit Silizium Silizid bildet, umfassen Zirkonium, Titan, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Kobalt, Nickel und dergleichen. Der Positivelektrodenstromkollektor 105 kann nach Bedarf die Form einer Folie, die Form einer Platte (die Form eines Blattes), die Form eines Netzes, die Form von gestanztem Metall, die Form von Streckmetall oder dergleichen aufweisen.
  • Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 kann zusätzlich zu einem Positivelektrodenaktivmaterial ein Leitfähigkeitsadditiv und ein Bindemittel enthalten.
  • Als Positivelektrodenaktivmaterial der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 kann eine Verbindung, wie z. B. LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5 oder MnO2, verwendet werden.
  • Alternativ kann ein Lithium enthaltendes Mischsalz vom Olivin-Typ (die allgemeine Formel: LiMPO4 (M ist eines oder mehrere von Fe(II), Mn(II), Co(II) und Ni(II))) verwendet werden. Typische Beispiele für die allgemeine Formel LiMPO4, welches als Aktivmaterial verwendet werden kann, sind Lithiumverbindungen wie z. B. LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4 (a + b ≤ 1, 0 < a < 1 und 0 < b < 1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4 (c + d + e ≤ 1, 0 < c < 1, 0 < d < 1 und 0 < e < 1) und LiFefNigCohMniPO4 (f + g + h + i ≤ 1, 0 < f < 1, 0 < g < 1, 0 < h < 1 und 0 < i < 1).
  • Alternativ kann ein Lithium enthaltendes Mischsalz, wie z. B. eines, das durch die allgemeine Formel Li2MSiO4 (M ist eines oder mehrere von Fe(II), Mn(II), Co(II) und Ni(II)) dargestellt wird, verwendet werden. Typische Beispiele für die allgemeine Formel Li2MSiO4, welches als Material verwendet werden kann, sind Lithiumverbindungen wie z. B. Li2FeSiO4, Li2NiSiO4, Li2CoSiO4, Li2MnSiO4, Li2FekNilSiO4, Li2FekColSiO4, Li2FekMnlSiO4, Li2NikColSiO4, Li2NikMnlSiO4 (k + l ≤ 1, 0 < k < 1 und 0 < l < 1), Li2FemNinCoqSiO4, Li2FemNinMnqSiO4, Li2NimConMnqSiO4 (m + n + q ≤ 1, 0 < m < 1, 0 < n < 1 und 0 < q < 1) und Li2FerNisCotMnuSiO4 (r + s + t + u ≤ 1, 0 < r < 1, 0 < s < 1, 0 < t < 1 und 0 < u < 1).
  • In dem Fall, in dem Ladungsträgerionen Alkalimetallionen verschieden von Lithiumionen oder Erdalkalimetallionen sind, kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106, anstatt von Lithium in der Lithiumverbindung und dem Lithium enthaltenden Mischsalz, ein Alkalimetall (z. B. Natrium oder Kalium), ein Erdalkalimetall (z. B. Calcium, Strontium, Barium, Beryllium oder Magnesium) enthalten.
  • Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 ist nicht notwendigerweise über und in direktem Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 105 ausgebildet. Zwischen dem Positivelektrodenstromkollektor 105 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 kann jede geeignete der folgenden Funktionsschichten unter Verwendung eines leitfähigen Materials wie z. B. eines Metalls ausgebildet sein: eine Klebschicht zur Verbesserung der Klebrigkeit zwischen dem Positivelektrodenstromkollektor 105 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106, eine Planarisierungsschicht zur Verringerung der Unebenheit der Oberfläche des Positivelektrodenstromkollektors 105, eine Wärmeabstrahlungsschicht zur Abstrahlung von Hitze und eine Beanspruchungsentlastungsschicht zur Entlastung von Beanspruchung des Positivelektrodenstromkollektors 105 oder der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106.
  • 2B ist eine Draufsicht auf die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106. Als die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 wird ein partikelförmiges Positivelektrodenaktivmaterial 153, das Ladungsträgerionen einlagern und auslagern kann, verwendet. Ferner zeigt 2B ein Beispiel, in dem Graphene 154 eine Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 153 bedecken und eine Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 153 umgeben. Die Mehrzahl von Graphenen 154 bedeckt Oberflächen der Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 153. Das Positivelektrodenaktivmaterial 153 kann teilweise freigelegt sein.
  • Die Größe jedes Partikels des Positivelektrodenaktivmaterials 153 ist vorzugsweise größer als oder gleich 20 nm und kleiner als oder gleich 100 nm. Es sei angemerkt, dass die Größe des Partikels des Positivelektrodenaktivmaterials 153 vorzugsweise möglichst klein ist, weil sich Elektronen in dem Positivelektrodenaktivmaterial 153 fortbewegen.
  • Obwohl ausreichende Eigenschaften erhalten werden können, auch wenn die Oberfläche des Positivelektrodenaktivmaterials 153 nicht mit einer Graphitschicht bedeckt ist, werden Graphen und ein Positivelektrodenaktivmaterial, das mit einer Graphitschicht bedeckt ist, vorzugsweise in Kombination verwendet, weil sich dadurch Ladungsträgerionen zwischen Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials hüpfend fortbewegen und dadurch ein Strom fließt.
  • 2C ist eine Querschnittsansicht eines Teils der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 in 26. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 enthält die Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials 153 und die Graphene 154, die eine Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 153 bedecken. Das Graphen 154 hat eine Linienform, wenn in der Querschnittsansicht beobachtet wird. Eine Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials befindet sich zwischen Teilen eines Graphens oder zwischen mehreren Graphenen. Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen das Graphen die Form einer Tasche hat und sich die Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials in dem taschenförmigen Bereich befindet. Zusätzlich sind in einigen Fällen die Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials teilweise nicht mit den Graphenen bedeckt und freigelegt.
  • Die gewünschte Dicke der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 wird bestimmt, um im Bereich von 20 μm bis 100 μm zu liegen. Es ist bevorzugt, die Dicke der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 nach Bedarf so zu regulieren, dass Risse und Trennung nicht entstehen.
  • Es sei angemerkt, dass die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 ein bekanntes Leitfähigkeitsadditiv, wie z. B. Acetylen-Ruß-Partikel mit einem Volumen, das 0,1-mal bis 10-mal so groß wie dasjenige der Graphenen ist, oder Kohlenstoffpartikel wie z. B. Kohlenstoffnanofasern mit einer eindimensionalen Ausdehnung, enthalten kann.
  • Als Beispiel für ein Material des Positivelektrodenaktivmaterials gibt es ein Material, dessen Volumen durch Einlagerung von als Ladungsträger dienenden Ionen ausgedehnt wird. Wenn ein solches Material verwendet wird, wird die Positivelektrodenaktivmaterialschicht zerbrechlich und durch Laden/Entladen teilweise zerbrochen, was niedrigere Zuverlässigkeit der Energiespeichervorrichtung ergibt. Auch wenn sich das Volumen des Positivelektrodenaktivmaterials durch Laden/Entladen ausdehnt, können jedoch die Graphene die Dispersion der Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials und den Bruch der Positivelektrodenaktivmaterialschicht verhindern, weil die Graphene die Peripherie des Positivelektrodenaktivmaterials bedecken. Das heißt, dass die Graphene eine Funktion zum Behalten der Bindung zwischen den Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials haben, auch wenn das Volumen des Positivelektrodenaktivmaterials durch Laden/Entladen schwankt.
  • Die Graphene 154 stehen in Kontakt mit der Mehrzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials und dienen auch als Leitfähigkeitsadditiv. Darüber hinaus haben die Graphene eine Funktion zum Behalten des Positivelektrodenaktivmaterials mit einer Fähigkeit zur Einlagerung und Auslagerung von Ladungsträgerionen. Somit braucht ein Bindemittel in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht nicht gemischt zu sein. Daher kann die Menge an das Positivelektrodenaktivmaterial in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht erhöht werden, was eine Erhöhung der Entladekapazität der nichtwässrigen Sekundärbatterie erlaubt.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 beschrieben.
  • Zuerst wird ein Schlamm, der die Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials und Graphenoxid enthält, ausgebildet. Als Nächstes wird der Schlamm auf den Positivelektrodenstromkollektor 105 aufgebracht. Dann wird Erwärmung in einer Reduktionsatmosphäre für eine Reduktionsbehandlung durchgeführt, so dass das Positivelektrodenaktivmaterial gebacken wird und Sauerstoff, der in dem Graphenoxid enthalten ist, abgezogen wird, um Graphen auszubilden. Es sei angemerkt, dass Sauerstoff in dem Graphenoxid nicht völlig abgegeben wird und ein Teil des Sauerstoffs in dem Graphen verbleibt. Durch die vorstehenden Schritte kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 über dem Positivelektrodenstromkollektor 105 ausgebildet werden. Folglich weist die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 eine hohe Leitfähigkeit auf.
  • Graphenoxid enthält Sauerstoff und ist also in einem polaren Lösungsmittel negativ aufgeladen. Da Graphenoxid negativ aufgeladen ist, wird es in dem polaren Lösungsmittel dispergiert. Deswegen sammeln sich die Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials, die in dem Schlamm enthalten sind, nicht leicht an, so dass verhindert werden kann, dass sich die Größe der Partikel des Positivelektrodenaktivmaterials durch Ansammlung vergrößert. Demnach wird die Fortbewegung von Elektronen in dem Positivelektrodenaktivmaterial erleichtert, was eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Positivelektrodenaktivmaterialschicht ergibt.
  • Als Nächstes wird eine Struktur der Negativelektrode 107 beschrieben.
  • 3A ist eine Querschnittsansicht der Negativelektrode 107. Die Negativelektrode 107 beinhaltet den Negativelektrodenstromkollektor 108 und die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 über dem Negativelektrodenstromkollektor 108.
  • Der Negativelektrodenstromkollektor 108 ist unter Verwendung eines hochleitfähigen Materials, das nicht mit einem Ladungsträgerion wie z. B. Lithium legiert wird, ausgebildet. Beispielsweise kann Edelstahl, Eisen, Kupfer, Nickel oder Titan verwendet werden. Zudem kann der Negativelektrodenstromkollektor 108 nach Bedarf die Form einer Folie, die Form einer Platte (die Form eines Blattes), die Form eines Netzes, die Form von gestanztem Metall, die Form von Streckmetall oder dergleichen aufweisen. Der Negativelektrodenstromkollektor 108 weist vorzugsweise eine Dicke von größer als oder gleich 10 μm und kleiner als oder gleich 30 μm auf.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich eines Materials der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109, solange das Material Ladungsträgerionen einlagern und auslagern kann. Beispielsweise kann ein Lithiummetall, ein Kohlenstoff-basiertes Material, Silizium, eine Siliziumlegierung oder Zinn verwendet werden. Als Kohlenstoff-basiertes Material, das Lithiumionen einlagern und auslagern kann, kann ein amorphes oder kristallines Kohlenstoffmaterial, wie z. B. ein Graphitpulver oder eine Graphitfaser, verwendet werden.
  • Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 wird anhand von 3B beschrieben. Ein Querschnitt eines Teils der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 ist in 3B gezeigt. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 enthält ein partikelförmiges Negativelektrodenaktivmaterial 163, ein Leitfähigkeitsadditiv 164 und ein Bindemittel (nicht abgebildet). Partikel des partikelförmigen Negativelektrodenaktivmaterials 163 haben einen anorganischen Verbindungsfilm auf einem Teil ihrer Oberflächen.
  • Das Leitfähigkeitsadditiv 164 erhöht die Leitfähigkeit zwischen Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163 oder zwischen dem Negativelektrodenaktivmaterial 163 und dem Negativelektrodenstromkollektor 108 und ist vorzugsweise zu der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 zugesetzt. Ein Material mit einer großen spezifischen Oberfläche wird wünschenswert als das Leitfähigkeitsadditiv 164 verwendet, und Acetylen-Ruß (acetylene black: AB) oder dergleichen wird vorzugsweise verwendet. Alternativ kann ein Kohlenstoffmaterial, wie z. B. eine Kohlenstoffnanoröhre, Fulleren, Graphen oder Schichten von Graphen, verwendet werden. Es sei angemerkt, dass der Fall der Verwendung von Graphen als Beispiel später beschrieben wird.
  • Als Bindemittel wird ein Material verwendet, das mindestens das Negativelektrodenaktivmaterial, das Leitfähigkeitsadditiv und den Stromkollektor bindet. Beispiele für das Bindemittel umfassen Harzmaterialien wie z. B. Polyvinylidenfluorid, ein Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, ein Vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen-Copolymer, Styrol-Butadien-Copolymer-Kautschuk, Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid und Polyimid.
  • Die Negativelektrode 107 wird auf die folgende Weise ausgebildet. Zuerst wird das partikelförmige Negativelektrodenaktivmaterial, das unter Verwendung eines der vorstehenden Materialien ausgebildet wird, in ein Lösungsmittel wie z. B. NMP (N-Methylpyrrolidon) gemischt, in dem ein Vinylidenfluorid-basiertes Polymer wie z. B. Polyvinylidenfluorid oder dergleichen aufgelöst ist, um einen Schlamm auszubilden.
  • Dann wird der Schlamm auf den Negativelektrodenstromkollektor 108 aufgebracht und getrocknet, so dass die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 ausgebildet wird. Danach wird ein Walzen mit einem Walzen-Press-Gerät (roller press machine) durchgeführt, wodurch die Negativelektrode 107 ausgebildet wird.
  • Als Nächstes wird ein Beispiel, in dem Graphen als Leitfähigkeitsadditiv verwendet wird, das zu der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 zugesetzt ist, anhand von 3C und 3D beschrieben.
  • 3C ist eine Draufsicht auf einen Teil der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109, die unter Verwendung von Graphen ausgebildet ist. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 enthält die Partikel des Negativelektrodenaktivmaterials 163 mit dem anorganischen Verbindungsfilm auf einem Teil ihrer Oberflächen und Graphene 165, die eine Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163 bedecken und eine Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163 umgeben. Zudem enthält die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 die Partikel des Negativelektrodenaktivmaterials mit dem anorganischen Verbindungsfilm auf einem Teil ihrer Oberflächen und den Film (nicht abgebildet), der in Kontakt mit einem freigelegten Bereich des Negativelektrodenaktivmaterials, dem anorganischen Verbindungsfilm und dem Graphen steht. Das Bindemittel, das nicht abgebildet ist, kann zugesetzt werden. Jedoch wird das Bindemittel nicht notwendigerweise in dem Fall zugesetzt, in dem die Graphene 165 derart enthalten sind, dass sie aneinander gebunden sind und als Bindemittel völlig funktionell sind. Die Mehrzahl von Graphenen 165 bedeckt Oberflächen der Mehrzahl von Partikeln der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 in der Draufsicht. Das Negativelektrodenaktivmaterial 163 kann teilweise freigelegt sein.
  • 3D ist eine Querschnittsansicht eines Teils der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 in 3C. In 3D sind das Negativelektrodenaktivmaterial 163 und die Graphene 165 gezeigt, die die Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163 in der Draufsicht der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 bedecken. Von den Graphenen 165 wird beobachtet, dass sie in der Querschnittsansicht Linienformen haben. Ein Graphen oder eine Mehrzahl von Graphenen überlappt mit einer Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163, oder die Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163 befindet sich zwischen Teilen eines Graphens oder zwischen mehreren Graphenen. Es sei angemerkt, dass in einigen Fällen die Graphene 165 die Form einer Tasche aufweisen und sich die Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials in dem taschenförmigen Bereich befindet. Die Graphene 165 haben in einigen Fällen teilweise Öffnungen, in denen die Partikel des Negativelektrodenaktivmaterials 163 freigelegt sind.
  • Die gewünschte Dicke der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 109 wird bestimmt, um im Bereich von 20 μm bis 150 μm zu liegen.
  • Es sei angemerkt, dass die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 mit Lithium vordotiert sein kann. Die Vordotierung mit Lithium kann derart durchgeführt werden, dass eine Lithiumschicht auf einer Oberfläche der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird. Alternativ kann eine Lithiumfolie auf der Oberfläche der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 bereitgestellt werden, wodurch die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 mit Lithium vordotiert werden kann.
  • Als Beispiel für das Negativelektrodenaktivmaterial 163 gibt es ein Material, dessen Volumen durch Einlagerung von Ladungsträgern ausgedehnt wird. Deshalb wird die Negativelektrodenaktivmaterialschicht, die ein solches Material enthält, zerbrechlich und durch Laden/Entladen teilweise zerbrochen, was die Zuverlässigkeit (z. B. zyklische Leistung) der Energiespeichervorrichtung verringert. Auch wenn sich das Volumen des Negativelektrodenaktivmaterials durch Laden/Entladen ausdehnt, können jedoch die Graphene die Dispersion der Partikel des Negativelektrodenaktivmaterials und den Bruch der Negativelektrodenaktivmaterialschicht verhindern, weil die Graphene die Peripherie des Negativelektrodenaktivmaterials bedecken. Das heißt, dass die Graphene eine Funktion zum Behalten der Bindung zwischen den Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials aufweisen, auch wenn das Volumen des Negativelektrodenaktivmaterials durch Laden/Entladen schwankt.
  • Das heißt: ein Bindemittel muss nicht beim Ausbilden der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 verwendet werden. Daher kann der Anteil an dem Negativelektrodenaktivmaterial in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 mit einem bestimmten Gewicht (einem bestimmten Volumen) vergrößert werden, was die Lade-/Entladekapazität pro Gewichtseinheit (pro Volumeneinheit) der Elektrode erhöht.
  • Die Graphene 165 haben Leitfähigkeit und stehen in Kontakt mit einer Mehrzahl von Partikeln des Negativelektrodenaktivmaterials 163; deshalb dienen sie auch als Leitfähigkeitsadditiv. Das heißt: ein Leitfähigkeitsadditiv muss nicht beim Ausbilden der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 verwendet werden. Daher kann der Anteil an dem Negativelektrodenaktivmaterial in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 mit einem bestimmten Gewicht (einem bestimmten Volumen) vergrößert werden, was die Lade-/Entladekapazität pro Gewichtseinheit (pro Volumeneinheit) der Elektrode erhöht.
  • Darüber hinaus bildet das Graphen 165 auf effiziente Weise eine ausreichende Elektronenleitung (conductive path of electrons) in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109, was die Leitfähigkeit der Negativelektrode für eine Energiespeichervorrichtung erhöht.
  • Es sei angemerkt, dass die Graphene 165 auch als Negativelektrodenaktivmaterial dienen, das Ladungsträgerionen einlagern und auslagern kann, was zur Erhöhung der Entladekapazität der Negativelektrode für eine Energiespeichervorrichtung, die später beschrieben wird, führt.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 in 3C und 3D beschrieben.
  • Zuerst werden die Partikel des Negativelektrodenaktivmaterials 163 und eine Dispersionsflüssigkeit, die Graphenoxid enthält, gemischt, um den Schlamm auszubilden.
  • Dann wird der Schlamm auf den Negativelektrodenstromkollektor 108 aufgebracht. Dann wird ein Trocknen im Vakuum über einen gewissen Zeitraum durchgeführt, um ein Lösungsmittel von dem Schlamm, der auf den Negativelektrodenstromkollektor 108 aufgebracht worden ist, zu entfernen. Danach wird ein Walzen mit einem Walzen-Press-Gerät durchgeführt.
  • Dann wird das Graphenoxid elektrochemisch mit elektrischer Energie oder thermisch durch eine Wärmebehandlung reduziert, um die Graphene 165 zu bilden. Wenn eine elektrochemische Reduktionsbehandlung durchgeführt wird, ist besonders der Anteil an ausgebildeten C(π)-C(π)-Doppelbindungen in Graphen höher als derjenige in Graphen, das durch eine Wärmebehandlung ausgebildet wird. Deshalb können die Graphene 165 eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Durch den vorstehenden Prozess kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109, die Graphene als Leitfähigkeitsadditiv enthält, über dem Negativelektrodenstromkollektor 108 ausgebildet werden, wodurch die Negativelektrode 107 ausgebildet werden kann.
  • Durch die vorstehenden Schritte kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109, in der die Graphene als Leitfähigkeitsadditiv verwendet werden, über dem Negativelektrodenstromkollektor 108 ausgebildet werden, und die Negativelektrode 107 kann somit ausgebildet werden.
  • Die Positivelektrode 104, die Negativelektrode 107 und der Separator 110 werden in eine ionische Flüssigkeit, die eine Elektrolytlösung ist, eingetaucht. Wie in 1B gezeigt, werden die Positivelektrode 104, der Separator 110, die Negativelektrode 107 und die Negativelektrodendose 102 in dieser Reihenfolge derart gestapelt, dass die Positivelektrodendose 101, die mit dem Schutzbestandteil 111 bedeckt ist, am unteren Ende liegt. Dann werden die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 einer Druckverbindung unterzogen, wobei die Dichtung 103 dazwischen liegt. Alternativ werden in dem Fall, in dem das Schutzbestandteil 111 und die Positivelektrodendose 101 voneinander getrennt sind, das Schutzbestandteil 111, die Positivelektrode 104, der Separator 110, die Negativelektrode 107 und die Negativelektrodendose 102 in dieser Reihenfolge derart gestapelt, dass die Positivelektrodendose 101 am unteren Ende liegt. Dann werden die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 einer Druckverbindung unterzogen, wobei die Dichtung 103 dazwischen liegt. Auf diese Weise kann die Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung 100 mit einem hohen Grad der Sicherheit und verbesserter Zyklenlebensdauer, in der eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors 105 in der ionischen Flüssigkeit verhindert werden kann, hergestellt werden.
  • (Ausführungsform 2)
  • Eine Struktur einer Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Ein Beispiel, in dem die Energiespeichervorrichtung eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist, wird nachstehend beschrieben.
  • Ein Beispiel für eine zylindrische Energiespeichervorrichtung wird anhand von 4A und 4B beschrieben. Wie in 4A gezeigt, beinhaltet eine zylindrische Energiespeichervorrichtung 300 eine Positivelektrodenkappe (auch als Batteriedeckel bezeichnet) 301, die ein Teil eines Außenteils ist, an der nach oben weisenden Oberfläche und eine Batteriedose 302, die ein Teil des Außenteils ist, an der seitlichen Oberfläche und der nach unten weisenden Oberfläche. Die Positivelektrodenkappe 301 und die Batteriedose 302 sind durch eine Dichtung (auch als Isolierdichtung bezeichnet) 310 voneinander isoliert.
  • 4B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt der zylindrischen Energiespeichervorrichtung schematisch zeigt. Innerhalb der Batteriedose 302 mit einer hohlen zylindrischen Form ist ein Batterieelement angeordnet, in dem eine streifenförmige Positivelektrode 304 und eine streifenförmige Negativelektrode 306 aufgewickelt sind, wobei ein streifenförmiger Separator 305 dazwischen liegt. Obwohl es nicht abgebildet ist, ist das Batterieelement um einen zentralen Stift aufgewickelt. Ein Ende der Batteriedose 302 ist geschlossen und das andere Ende ist offen. Für die Batteriedose 302 kann ein Metall mit einer Korrosionswiderstandeigenschaft gegen eine Flüssigkeit wie z. B. eine Elektrolytlösung beim Laden/Entladen einer Sekundärbatterie, wie z. B. Nickel, Aluminium oder Titan; eine Legierung eines beliebigen der Metalle; eine Legierung, die eines beliebige der Metalle und ein weiteres Metall enthält (z. B. Edelstahl); ein Stapel eines beliebigen der Metalle; ein Stapel, der eines beliebige der Metalle und eine beliebige der Legierungen enthält (z. B. ein Stapel von Edelstahl und Aluminium); oder ein Stapel, der eines beliebige der Metalle und ein weiteres Metall enthält (z. B. ein Stapel von Nickel, Eisen und Nickel), verwendet werden. Innerhalb der Batteriedose 302 liegt das Batterieelement, in dem die Positivelektrode, die Negativelektrode und der Separator aufgewickelt sind, zwischen einem Paar von Isolierplatten 308 und 309, die einander gegenüberstehen. Ferner ist eine Elektrolytlösung (nicht abgebildet) in einen Innenteil der Batteriedose 302 eingespritzt, die mit dem Batterieelement versehen ist. Wenn die Energiespeichervorrichtung umgekehrt platziert ist oder wenn die Elektrolytlösung eingespritzt wird, kann ein Positivelektrodenanschluss 303 oder ein Sicherheitsventilmechanismus 312 in die Elektrolytlösung eingetaucht werden. Als Elektrolytlösung kann eine Elektrolytlösung, die denjenigen der vorstehenden Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung ähnlich ist, verwendet werden.
  • Obwohl die Positivelektrode 304 und die Negativelektrode 306 auf eine Weise, die derjenigen der Positivelektrode und der Negativelektrode der vorstehenden Knopfzellen-Energiespeichervorrichtung ähnlich ist, ausgebildet werden können, liegt der Unterschied darin, dass, da die Positivelektrode und die Negativelektrode der zylindrischen Energiespeichervorrichtung aufgewickelt sind, Aktivmaterialien an beiden Seiten der Stromkollektoren ausgebildet sind. Ein Positivelektrodenanschluss 303, der ein Teil eines Positivelektrodenstromkollektors ist und auch als Positivelektroden-Stromsammelleitung bezeichnet wird, ist mit der Positivelektrode 304 verbunden, und ein Negativelektrodenanschluss 307, der ein Teil eines Negativelektrodenstromkollektors ist und auch als Negativelektroden-Stromsammelleitung bezeichnet wird, ist mit der Negativelektrode 306 verbunden. Sowohl der Positivelektrodenanschluss 303 als auch der Negativelektrodenanschluss 307 können unter Verwendung eines Metallmaterials, wie z. B. Aluminium, ausgebildet sein. Der Positivelektrodenanschluss 303 und der Negativelektrodenanschluss 307 sind an einem Sicherheitsventilmechanismus 312 bzw. am Boden der Batteriedose 302 Widerstands-geschweißt. Die Positivelektrodenkappe 301 und der Sicherheitsventilmechanismus 312 können beide unter Verwendung von Edelstahl ausgebildet sein. Ein plattenförmiges Schutzbestandteil 311 ist zwischen dem Sicherheitsventilmechanismus 312 und dem Positivelektrodenanschluss 303 bereitgestellt. Der Sicherheitsventilmechanismus 312 ist über ein positives Temperaturkoeffizienten-(positive temperature coefficient: PTC-)Element 313 elektrisch mit der Positivelektrodenkappe 301 verbunden. Der Sicherheitsventilmechanismus 312 trennt die elektrische Verbindung zwischen der Positivelektrodenkappe 301 und der Positivelektrode 304, wenn der Innendruck der Batterie einen vorbestimmten Schwellenwert übertrifft. Ferner beschränkt das PTC-Element 313, das als wärmeempfindlicher Widerstand dient, dessen Widerstand sich mit einem Temperaturanstieg erhöht, die Menge an Strom, wenn der Widerstand erhöht wird, um abnormale Wärmeerzeugung zu verhindern. Es sei angemerkt, dass Bariumtitanat-(BaTiO3-)basierte Halbleiterkeramik oder dergleichen für das PTC-Element verwendet werden kann.
  • Es sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform die zylindrische Energiespeichervorrichtung als Beispiel für die Energiespeichervorrichtung angeführt wird; jedoch kann eine beliebige der Energiespeichervorrichtungen mit verschiedenen Formen, wie z. B. eine verschlossene Energiespeichervorrichtung und eine quadratische Energiespeichervorrichtung, verwendet werden. Außerdem kann eine Struktur zum Einsatz kommen, bei der eine Mehrzahl von Positivelektroden, eine Mehrzahl von Negativelektroden und eine Mehrzahl von Separatoren gestapelt oder aufgewickelt sind.
  • Eine ionische Flüssigkeit wird als Elektrolytlösung in der Energiespeichervorrichtung 300, die bei dieser Ausführungsform beschrieben wird, verwendet. Das Schutzbestandteil ist zwischen dem Positivelektrodenanschluss und dem Sicherheitsventilmechanismus bereitgestellt, der elektrisch mit der Positivelektrodenkappe, die als Teil eines Außenteils dient, verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Elution der Positivelektrode in der ionischen Flüssigkeit verhindert werden, und eine Energiespeichervorrichtung mit einem hohen Grad der Sicherheit und verbesserter Zyklenlebensdauer kann hergestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine hochleistungsfähige Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden kann.
  • (Ausführungsform 3)
  • Bei dieser Ausführungsform wird eine Energiespeichervorrichtung mit einer Struktur beschrieben, die von denjenigen der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Energiespeichervorrichtungen unterschiedlich ist. Insbesondere werden Beschreibungen von einem Lithium-Ionen-Kondensator und einem elektrischen Doppelschichtkondensator (electric double layer capacitor: EDLC) als Beispiele gegeben.
  • Ein Lithium-Ionen-Kondensator ist ein Hybrid-Kondensator, der eine Kombination von einer Positivelektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators und einer Negativelektrode einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie aus einem Kohlenstoffmaterial aufweist, und ist auch ein asymmetrischer Kondensator, in dem sich Energiespeicherprinzipien der Positivelektrode und der Negativelektrode voneinander unterscheiden. Die Positivelektrode bildet eine elektrische Doppelschicht und ermöglicht Laden/Entladen durch eine physikalische Aktion, während die Negativelektrode Laden/Entladen durch eine chemische Aktion von Lithium ermöglicht. Bei einem Lithium-Ionen-Kondensator wird eine Negativelektrode verwendet, in der Lithium in einem Negativelektrodenaktivmaterial wie z. B. einem Kohlenstoffmaterial eingelagert worden ist, wodurch Energiedichte viel höher ist als diejenige eines herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensators, dessen Negativelektrode unter Verwendung von Aktivkohle ausgebildet ist.
  • Bei einem Lithium-Ionen-Kondensator wird ein Material, das umkehrbar Lithiumionen und/oder Anionen aufweisen kann, anstelle der Positivelektrodenaktivmaterialschicht in der Energiespeichervorrichtung, die bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben worden ist, verwendet. Beispiele für ein solches Material sind Aktivkohle, ein leitfähiges Polymer und ein Polyazen-Halbleiter (polyacenic semiconductor: PAS).
  • Der Lithium-Ionen-Kondensator weist eine hohe Lade-/Endladeeffizienz auf, was schnelles Laden/Entladen ermöglicht, und weist eine lange Lebensdauer auf, auch wenn er widerholt verwendet wird.
  • Die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolytlösung bei dem Lithium-Ionen-Kondensator ermöglicht, dass der Lithium-Ionen-Kondensator im weiten Bereich von Temperaturen einschließlich niedriger Temperaturen arbeitet. Außerdem wird bei dem Lithium-Ionen-Kondensator eine Verschlechterung von Batterieeigenschaften bei niedrigen Temperaturen minimiert.
  • Es sei angemerkt, dass im Falle eines elektrischen Doppelschichtkondensators Aktivkohle, ein leitfähiges Polymer, ein organischer Polyazen-Halbleiter (PAS) oder dergleichen als Positivelektrodenaktivmaterialschicht und Negativelektrodenaktivmaterialschicht verwendet werden kann. Eine Elektrolytlösung in dem elektrischen Doppelschichtkondensator kann nur aus einer ionischen Flüssigkeit ausgebildet sein, ohne Salz zu verwenden, in welchem Falle der elektrische Doppelschichtkondensator im weiten Bereich von Temperaturen einschließlich niedriger Temperaturen arbeiten kann. Außerdem wird bei dem elektrischen Doppelschichtkondensator eine Verschlechterung von Batterieeigenschaften bei niedrigen Temperaturen minimiert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine hochleistungsfähige Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform nach Bedarf in Kombination mit einer der Strukturen der anderen Ausführungsformen implementiert werden kann.
  • (Ausführungsform 4)
  • Die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als Energiequellen verschiedener elektrischer Geräte, die durch Energie arbeiten können, verwendet werden.
  • Konkrete Beispiele für elektrische Geräte, die jeweils die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten, sind wie folgt: Anzeigevorrichtungen, Beleuchtungsvorrichtungen, Schreibtischcomputer und Laptops, Bildwiedergabevorrichtungen, die Standbilder und bewegte Bilder wiedergeben, welche auf Aufzeichnungsmedien wie z. B. Blu-ray Disc gespeichert sind, Mobiltelefone, Smartphones, tragbare Informationsendgeräte, tragbare Spielkonsolen, E-Buch-Lesegeräte, Videokameras, digitale Fotokameras, Hochfrequenzheizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, elektrische Reiskocher, elektrische Waschmaschinen, Klimatisierungssysteme, wie z. B. Klimaanlagen, elektrische Kühlschränke, elektrische Gefrierschränke, elektrische Gefrier-Kühlschränke, Gefrierschränke zum Bewahren von DNS und Dialysegeräte. Auch bewegte Objekte, die von Elektromotoren unter Verwendung von Energie aus Energiespeichervorrichtungen betrieben werden, sind in der Kategorie der elektrischen Geräte eingeschlossen. Beispiele für die bewegten Objekte umfassen Elektrofahrzeugen, Hybrid-Fahrzeugen, die sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch einen elektrischen Motor aufweisen, und motorisierte Fahrräder einschließlich motorgestützter Fahrräder.
  • Bei den elektrischen Geräten kann die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Energiespeichervorrichtung zum Zuführen genügender Energie für den fast ganzen Energieverbrauch (als Hauptenergiequelle bezeichnet) verwendet werden. Alternativ kann bei den elektrischen Geräten die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Energiespeichervorrichtung verwendet werden, die den elektrischen Geräten Energie zuführen kann, wenn das Zuführen der Energie aus der Hauptenergiequelle oder einer gewerblichen Energiequelle aufhört (eine solche Energiespeichervorrichtung wird als unterbrechungsfreie Energiequelle bezeichnet). Als weitere Alternative kann bei den elektrischen Geräten die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Energiespeichervorrichtung zum Zuführen der Energie zu den elektrischen Geräten gleichzeitig mit der Energiezuführung aus der Hauptenergiequelle oder einer gewerblichen Energiequelle verwendet werden (eine solche Energiespeichervorrichtung wird als Hilfsenergiequelle bezeichnet).
  • 5 zeigt konkrete Strukturen der elektrischen Geräte. In 5 ist eine Anzeigevorrichtung 5000 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 5004 beinhaltet. Insbesondere entspricht die Anzeigevorrichtung 5000 einer Anzeigevorrichtung zum Empfangen einer Fernsehübertragung und beinhaltet ein Gehäuse 5001, einen Anzeigeabschnitt 5002, Lautsprecherabschnitte 5003 und die Energiespeichervorrichtung 5004. Die Energiespeichervorrichtung 5004 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in dem Gehäuse 5001 bereitgestellt. Die Anzeigevorrichtung 5000 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen. Alternativ kann die Anzeigevorrichtung 5000 elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 5004 gespeichert ist, verwenden. Somit kann die Anzeigevorrichtung 5000 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 5004 als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
  • Eine Halbleiteranzeigevorrichtung, wie z. B. eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, in der ein Licht emittierendes Element wie z. B. ein organisches EL-Element in jedem Pixel bereitgestellt ist, eine Elektrophoreseanzeigevorrichtung, eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device: DMD), ein Plasmabildschirm (plasma display panel: PDP) oder ein Feldemissionsbildschirm (field emission display: FED), kann für den Anzeigeabschnitt 5002 verwendet werden.
  • Es sei angemerkt, dass die Kategorie der Anzeigevorrichtung alle Informationsanzeigevorrichtungen für Personal-Computer, Werbeanzeigen und dergleichen zusätzlich zu Vorrichtungen zum Empfangen einer Fernsehübertragung umfasst.
  • In 5 ist eine eingebaute Beleuchtungsvorrichtung 5100 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 5103 beinhaltet. Insbesondere beinhaltet die Beleuchtungsvorrichtung 5100 ein Gehäuse 5101, eine Lichtquelle 5102 und eine Energiespeichervorrichtung 5103. Obwohl 5 den Fall zeigt, in dem die Energiespeichervorrichtung 5103 in einer Decke 5104, in der das Gehäuse 5101 und die Lichtquelle 5102 eingebaut sind, bereitgestellt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 5103 in dem Gehäuse 5101 bereitgestellt sein. Die Beleuchtungsvorrichtung 5100 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen. Alternativ kann die Beleuchtungsvorrichtung 5100 elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 5103 gespeichert ist, verwenden. Somit kann die Beleuchtungsvorrichtung 5100 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 5103 als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
  • Es sei angemerkt, dass zwar die eingebaute Beleuchtungsvorrichtung 5100 in der Decke 5104 als Beispiel in 5 dargestellt ist, aber die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer eingebauten Beleuchtungsvorrichtung beispielsweise in einer Wand 5105, einem Fußboden 5106, einem Fenster 5107 oder dergleichen zusätzlich zu der Decke 5104 verwendet werden kann. Alternativ kann die Energiespeichervorrichtung in einer Tischlampe oder dergleichen verwendet werden.
  • Als die Lichtquelle 5102 kann eine künstliche Lichtquelle, die mittels elektrischer Energie künstlich Licht emittiert, verwendet werden. Insbesondere werden eine Glühlampe, eine Entladungslampe, wie z. B. eine Fluoreszenzlampe, und Licht emittierende Elemente, wie z. B. eine LED und ein organisches EL-Element, als Beispiele für die künstliche Lichtquelle angegeben.
  • In 5 ist eine Klimaanlage, die eine Inneneinheit 5200 und eine Außeneinheit 5204 beinhaltet, ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 5203 beinhaltet. Insbesondere beinhaltet die Inneneinheit 5200 ein Gehäuse 5201, einen Luftauslass 5202 und eine Energiespeichervorrichtung 5203. Obwohl 5 den Fall zeigt, in dem die Energiespeichervorrichtung 5203 in der Inneneinheit 5200 bereitgestellt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 5203 in der Außeneinheit 5204 bereitgestellt sein. Alternativ können die Energiespeichervorrichtungen 5203 sowohl in der Inneneinheit 5200 als auch in der Außeneinheit 5204 bereitgestellt sein. Die Klimaanlage kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen. Alternativ kann die Klimaanlage elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 5203 gespeichert ist, verwenden. Besonders in dem Fall, in dem die Energiespeichervorrichtungen 5203 sowohl in der Inneneinheit 5200 als auch in der Außeneinheit 5204 bereitgestellt sind, kann die Klimaanlage unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 5203 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
  • Es sei angemerkt, dass zwar die in Teile aufgetrennte Klimaanlage, die die Inneneinheit und die Außeneinheit beinhaltet, als Beispiel in 5 dargestellt ist, aber die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Klimaanlage, bei der die Funktionen einer Inneneinheit und einer Außeneinheit in einem Gehäuse integriert sind, verwendet werden kann.
  • In 5 ist ein elektrischer Gefrier-Kühlschrank 5300 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 5304 beinhaltet. Insbesondere beinhaltet der elektrische Gefrier-Kühlschrank 5300 ein Gehäuse 5301, eine Tür für einen Kühlschrank 5302, eine Tür für einen Gefrierschrank 5303 und die Energiespeichervorrichtung 5304. Die Energiespeichervorrichtung 5304 ist in dem Gehäuse 5301 in 5 bereitgestellt. Der elektrische Gefrier-Kühlschrank 5300 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen. Alternativ kann der elektrische Gefrier-Kühlschrank 5300 elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 5304 gespeichert ist, verwenden. Somit kann der elektrische Gefrier-Kühlschrank 5300 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 5304 als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
  • Es sei angemerkt, dass unter den oben beschriebenen elektrischen Geräten ein Hochfrequenzheizgerät wie z. B. ein Mikrowellenofen und ein elektrisches Gerät wie z. B. ein elektrischer Reiskocher hohe Energie in einer kurzen Zeit benötigen. Der Überschuss an elektrischer Energie über eine vorbestimme elektrische Menge einer gewerblichen Energiequelle kann beim Verwenden eines elektrischen Geräts verhindert werden, indem die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Hilfsenergiequelle zum Zuführen der elektrischen Energie, die aus der gewerblichen Energiequelle nicht genügend zugeführt werden kann, verwendet wird.
  • Zusätzlich kann in einer Zeitperiode, in der elektrische Geräte nicht verwendet werden, insbesondere in der der Anteil der Menge an elektrischer Energie, die tatsächlich verbraucht wird, zur Summe der elektrischen Energie, die aus einer gewerblichen Energiequelle zugeführt werden kann (wobei ein solcher Anteil als Energieverbrauchsrate bezeichnet wird), niedrig ist, elektrische Energie in der Energiespeichervorrichtung gespeichert werden, wodurch die Energieverbrauchsrate in einer Zeitperiode, in der die elektrischen Geräte verwendet werden, verringert werden kann. Zum Beispiel kann im Falle des elektrischen Gefrier-Kühlschranks 5300 elektrische Energie in der Energiespeichervorrichtung 5304 nachtsüber gespeichert werden, wobei die Temperatur niedrig ist und die Tür für einen Kühlschrank 5302 und die Tür für einen Gefrierschrank 5303 nicht oft auf- oder zugemacht werden. Andererseits wird die Energiespeichervorrichtung 5304 tagsüber als Hilfsenergiequelle verwendet, wobei die Temperatur hoch ist und die Tür für einen Kühlschrank 5302 und die Tür für einen Gefrierschrank 5303 häufig auf- und zugemacht werden; daher kann die Energieverbrauchsrate in der Tageszeit verringert werden.
  • Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform nach Bedarf in Kombination mit einer der Strukturen der anderen Ausführungsformen implementiert werden kann.
  • (Ausführungsform 5)
  • Als Nächstes wird ein tragbares Informationsendgerät, das ein Beispiel für elektrische Geräte ist und die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, beschrieben.
  • 6A ist ein schematisches Diagramm der Vorderseite eines tragbaren Informationsendgeräts 650. 6B ist ein schematisches Diagramm der Rückseite des tragbaren Informationsendgeräts 650. Das tragbare Informationsendgerät 650 beinhaltet ein Gehäuse 651, Anzeigeabschnitte 652 (einschließlich eines Anzeigeabschnitts 652a und eines Anzeigeabschnitts 652b), einen Netzschalter 653, einen optischen Sensor 654, eine Kameralinse 655, einen Lautsprecher 656, ein Mikrofon 657 und eine Energiequelle 658.
  • Der Anzeigeabschnitt 652a und der Anzeigeabschnitt 652b sind Touchscreens. Bei dem Anzeigeabschnitt 652a und dem Anzeigeabschnitt 652b können nach Bedarf Tastaturknöpfe zum Eingeben von Text angezeigt werden. Wenn der Tastaturknopf mit einem Finger, einem Stift oder dergleichen berührt wird, kann ein Text eingegeben werden. Alternativ kann, indem ein Text oder eine Zeichnung direkt in dem Anzeigeabschnitt 652a mit einem Finger, einem Stift oder dergleichen geschrieben/gezeichnet wird, ohne die Tastaturknöpfe anzuzeigen, der Text oder die Zeichnung angezeigt werden.
  • Bei dem Anzeigeabschnitt 652b werden Funktionen, die durch das tragbare Informationsendgerät 650 durchgeführt werden können, angezeigt. Wenn eine Markierung, die eine gewünschte Funktion darstellt, mit einem Finger, einem Stift oder dergleichen berührt wird, führt das tragbare Informationsendgerät 650 die Funktion durch. Beispielsweise kann dann, wenn eine Markierung 659 berührt wird, das tragbare Informationsendgerät 650 als Telefon dienen; daher ist ein Telefongespräch mittels des Lautsprechers 656 und des Mikrofons 657 möglich.
  • Das tragbare Informationsendgerät 650 umfasst eine Detektorvorrichtung zum Bestimmen der Neigung, wie z. B. ein Kreiselinstrument oder einen Beschleunigungssensor (nicht abgebildet). Deshalb kann dann, wenn das Gehäuse 651 horizontal oder vertikal platziert ist, Umschalten zwischen Anzeigerichtungen, z. B. Umschalten zwischen einem Hochformat und einem Querformat, bei dem Anzeigeabschnitt 652a und dem Anzeigeabschnitt 652b durchgeführt werden.
  • Außerdem ist das tragbare Informationsendgerät 650 mit dem optischen Sensor 654 versehen; deshalb kann bei dem tragbaren Informationsendgerät 650 die Helligkeit des Anzeigeabschnitts 652a und des Anzeigeabschnitts 652b entsprechend der Menge an Außenlicht, das mit dem optischen Sensor 654 detektiert wird, optimal gesteuert werden.
  • Das tragbare Informationsendgerät 650 ist mit der Energiequelle 658 versehen, die eine Solarzelle 660 und eine Lade-/Entladesteuerschaltung 670 beinhaltet. 6C zeigt ein Beispiel, in dem die Lade-/Entladesteuerschaltung 670 eine Batterie 671, einen Gleichspannungswandler 672 und einen Wandler 673 beinhaltet. Die Energiespeichervorrichtung, die bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, wird als die Batterie 671 verwendet.
  • Das tragbare Informationsendgerät 650 kann auch eine Funktion zum Anzeigen verschiedener Arten von Daten (z. B. eines Standbildes, eines bewegten Bildes und eines Textbildes), eine Funktion zum Anzeigen eines Kalenders, eines Datums, der Zeit oder dergleichen auf dem Anzeigeabschnitt, eine berührungsempfindliche Eingabefunktion zum Bedienen oder Bearbeiten der auf dem Anzeigeabschnitt angezeigten Daten durch Berührungseingabe, eine Funktion zum Steuern der Verarbeitung mittels verschiedener Arten von Software (Programmen) und dergleichen aufweisen.
  • Die Solarzelle 660, die an das tragbare Informationsendgerät 650 angebaut ist, kann elektrische Energie zu einem Anzeigeabschnitt, einem Bildsignalprozessor und dergleichen zuführen. Es sei angemerkt, dass die Solarzelle 660 an einer oder beiden Oberflächen des Gehäuses 651 bereitgestellt sein kann und dass die Batterie 671 daher auf effiziente Weise aufgeladen werden kann. Die Verwendung der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als die Batterie 671 bringt Vorteile, wie z. B. eine Verringerung der Größe.
  • Die Struktur und die Bedienung der Lade-/Entladesteuerschaltung 670, die in 6B gezeigt ist, werden unter Benutzung eines Blockdiagramms in 6C beschrieben. 6C zeigt die Solarzelle 660, die Batterie 671, den Gleichspannungswandler 672, einen Wandler 673, Schalter SW1 bis SW3 und den Anzeigeabschnitt 652. Die Batterie 671, der Gleichspannungswandler 672, der Wandler 673 und die Schalter SW1 bis SW3 entsprechen der Lade-/Entladesteuerschaltung 670 in 6B.
  • Zuerst wird ein Beispiel für die Bedienung in dem Fall, in dem elektrische Energie von der Solarzelle 660 unter Verwendung von Außenlicht erzeugt wird, beschrieben. Die Spannung der von der Solarzelle 660 erzeugten elektrischen Energie wird durch den Gleichspannungswandler 672 erhöht oder verringert, so dass die elektrische Energie eine Spannung zum Aufladen der Batterie 671 aufweist. Wenn der Anzeigeabschnitt 652 mit der elektrischen Energie aus der Solarzelle 660 bedient wird, wird der Schalter SW1 eingeschaltet, und die Spannung der elektrischen Energie wird durch den Wandler 673 auf eine Spannung, die für die Bedienung des Anzeigeabschnitts 652 erforderlich ist, erhöht oder verringert. Wenn zudem keine Anzeige auf dem Anzeigeabschnitt 652 erfolgt, wird der Schalter SW1 ausgeschaltet und der Schalter SW2 wird eingeschaltet, so dass die Batterie 671 aufgeladen werden kann.
  • Zwar ist die Solarzelle 660 als Beispiel für ein Energieerzeugungsmittel dargestellt, es gibt aber keine besondere Beschränkung bezüglich des Energieerzeugungsmittels, und die Batterie 671 kann unter Verwendung eines anderen Mittels wie z. B. eines piezoelektrischen Elements oder eines thermoelektrischen Wandlerelements (Peltier-Elements) aufgeladen werden. Die Batterie 671 kann beispielsweise mittels eines kontaktfreien Energieübertragungsmoduls, das durch drahtloses (kontaktloses) Übertragen und Empfangen der elektrischen Energie die Batterie aufladen kann, oder mittels eines beliebigen der anderen Lademittel in Kombination aufgeladen werden.
  • Es ist unnötig zu erwähnen, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das tragbare Informationsendgerät in 6A bis 6C beschränkt ist, solange die Energiespeichervorrichtung bei einer der vorstehenden Ausführungsformen ausstattet ist. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform nach Bedarf in Kombination mit einer der Strukturen der anderen Ausführungsformen implementiert werden kann.
  • (Ausführungsform 6)
  • Ferner wird ein Beispiel für das bewegte Objekt, das ein Beispiel für das elektrische Gerät ist, anhand von 7 beschrieben.
  • Eine der Energiespeichervorrichtungen, die bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben worden sind, kann als Steuerbatterie verwendet werden. Die Steuerbatterie kann durch elektrische Energieversorgung von außen unter Verwendung einer Technik zum Einstecken oder einer kontaktlosen Energiezuführung aufgeladen werden. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem das bewegte Objekt ein elektrisches Bahnfahrzeug ist, das elektrische Bahnfahrzeug durch elektrische Energieversorgung aus einem Überkopfkabel oder einer Leitschiene aufgeladen werden kann.
  • 7 zeigt ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug. Ein Elektrofahrzeug 680 ist mit einer Batterie 681 ausgestattet. Die Ausgabe der Energie aus der Batterie 681 wird durch eine Steuerschaltung 682 gesteuert, und die Energie wird einer Antriebsvorrichtung 683 zugeführt. Die Steuerschaltung 682 wird durch eine Verarbeitungseinheit 684 gesteuert, die ein ROM, ein RAM, eine CPU oder dergleichen, das/die nicht abgebildet ist, beinhaltet.
  • Die Antriebsvorrichtung 683 beinhaltet einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor allein oder zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verarbeitungseinheit 684 gibt ein Steuersignal an die Steuerschaltung 682 aufgrund von Eingabedaten, wie z. B. Daten über eine Bedienung (z. B. Beschleunigung, Abbremsung oder Halt) von einem Fahrer des Elektrofahrzeugs 680 oder Daten beim Fahren des Elektrofahrzeugs 680 (z. B. Daten über einen Anstieg oder einen Abfall oder Daten über eine Belastung eines Antriebrades), aus. Die Steuerschaltung 682 reguliert die elektrische Energie aus der Batterie 681 gemäß dem Steuersignal der Verarbeitungseinheit 684, um die Ausgabe der Antriebsvorrichtung 683 zu steuern. In dem Fall, in dem der Wechselstrommotor montiert ist, der jedoch nicht abgebildet ist, ist auch ein Wechselrichter eingebaut, der einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
  • Die Batterie 681 kann durch elektrische Energieversorgung von außen mittels einer Technik zum Einstecken aufgeladen werden. Die Batterie 681 wird beispielsweise mittels einer gewerblichen Energiequelle über einen Netzstecker aufgeladen. Die Batterie 681 kann aufgeladen werden, indem Energie von außen durch einen Wandler, wie z. B. einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler, in eine konstante Gleichspannung mit einem vorbestimmten Spannungspegel umgewandelt wird. Wenn die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als die Batterie 681 vorgesehen ist, kann sich die Kapazität der Batterie 681 erhöhen und verbesserte Bequemlichkeit kann verwirklicht werden. Wenn die Batterie 681 selbst als Ergebnis der verbesserten Eigenschaften der Batterie 681 kompakter und leichter werden kann, kann das Fahrzeug leicht werden, was zur Erhöhung der Kraftstoffeffizienz führt.
  • Es ist unnötig zu erwähnen, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das Elektrofahrzeug in 7 beschränkt ist, solange die Energiespeichervorrichtung bei einer der vorstehenden Ausführungsformen ausstattet ist. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform nach Bedarf in Kombination mit einer der Strukturen der anderen Ausführungsformen implementiert werden kann.
  • [Beispiel 1]
  • In dem Beispiel 1 werden Vergleichsergebnisse der Endladeeigenschaften einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, in der ein Schutzbestandteil zwischen und in Kontakt mit einer Positivelektrodendose, die als Teil eines Außenteils dient, und einem Positivelektrodenstromkollektor bereitgestellt ist, und einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, in der eine Positivelektrodendose in direktem Kontakt mit einem Positivelektrodenstromkollektor steht, beschrieben.
  • Zuerst werden die Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, die in dem Beispiel 1 hergestellt wurden, anhand von 1A und 1B beschrieben.
  • Die Positivelektrode 104 hat eine laminierte Struktur aus Aluminiumfolie, die als der Positivelektrodenstromkollektor 105 dient, und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 mit einer Dicke von ungefähr 50 μm. Als die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 106 wurde ein Gemisch, in dem Lithiumeisen(II)phosphat (LiFePO4), Acetylen-Ruß, der als Leitfähigkeitsadditiv dient, und Polyvinylidenfluorid, das als Bindemittel dient, bei einem Gewichtsverhältnis von 85:8:7 gemischt waren, auf einer Seite der Aluminiumfolie ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Menge an LiFePO4 in der Positivelektrode 104 ungefähr 6,0 mg/cm2 betrug und die theoretische Kapazität der einzigen Elektrode ungefähr 1,0 mAh/cm2 betrug.
  • Die Negativelektrode 107 hat eine laminierte Struktur aus Kupferfolie, die als der Negativelektrodenstromkollektor 108 dient, und der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 mit einer Dicke von ungefähr 100 μm. Als die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 109 wurde ein Gemisch, in dem meso-Kohlenstoff-Mikrokügelchen-(meso-carbon microbeads: MCMB-)Pulver mit einem Durchmesser von 9 μm, Acetylen-Ruß, der als Leitfähigkeitsadditiv dient, und Polyvinylidenfluorid, das als Bindemittel dient, bei einem Gewichtsverhältnis von 93:2:5 gemischt waren, auf einer Seite der Kupferfolie ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Menge an MCMB in der Negativelektrode 107 ungefähr 9,3 mg/cm2 betrug und die theoretische Kapazität der einzigen Elektrode ungefähr 3,5 mAh/cm2 betrug.
  • Als das Schutzbestandteil 111 wurde ein Aluminiumfilm mit einer Dicke, mit der die Positivelektrodendose ausreichend bedeckt werden kann, verwendet.
  • Bei einer Elektrolytlösung wurde P13-FSA, welches durch die folgende Strukturformel dargestellt wurde, als nichtwässriges Lösungsmittel verwendet, und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)amid (nachstehend LiTFSA abgekürzt) wurde als Lithiumsalz verwendet. Eine Lösung, die durch Auflösung von 1 M LiTFSA in P13-FSA ausgebildet wurde, wurde verwendet.
  • [Chemische Formel 26]
    Figure DE112013004909T5_0027
  • Als der Separator 110 wurde ein Polyvinylidenfluoridfilm mit einer Dicke von ungefähr 125 μm, der einer Hydrophilierungsbehandlung unterzogen worden war, verwendet. Der Separator 110 wurde mit der vorstehenden Elektrolytlösung imprägniert.
  • Die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 wurden aus Edelstahl (stainless steel: SUS) ausgebildet. Als die Dichtung 103 wurde ein Abstandhalter oder eine Unterlegscheibe verwendet.
  • Wie in 1A und 1B gezeigt, wurden die Positivelektrodendose 101, die mit dem Schutzbestandteil 111 bedeckt war, die Positivelektrode 104, der Separator 110, die Negativelektrode 107, die Dichtung 103 und die Negativelektrodendose 102 gestapelt, und die Positivelektrodendose 101 und die Negativelektrodendose 102 wurden mit einem „Knopfzellencrimper (coin cell crimper)” zusammengepresst. Auf diese Weise wurde die Knopfzellen-Lithium-Ionen-Sekundärbatterie hergestellt. Die hergestellte Knopfzellen-Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist die Probe 1.
  • Des Weiteren ist eine Knopfzellen-Lithium-Ionen-Sekundärbatterie der Probe 1, von der das Schutzbestandteil 111 entfernt ist, so dass die Positivelektrodendose 101 in direktem Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 105 steht, das Vergleichsbeispiel 1. Es sei angemerkt, dass die anderen Strukturen, wie z. B. die Konzentration des Lithiumsalzes in dem Vergleichsbeispiel 1, gleich denjenigen der Probe 1 sind und auf die gleiche Weise wie bei der Probe 1 hergestellt wurden.
  • Die Lade-/Entladeeigenschaften der Probe 1 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden gemessen. Die Messung wurde mit einem Lade-/Entlademessgerät (von TOYO SYSTEM Co., LTD. hergestellt) durchgeführt, wobei die Probe 1 und das Vergleichsbeispiel 1 erwärmt und bei 60°C gehalten wurden. Des Weiteren wurde Laden/Entladen bei der Messung mit einer Rate von ungefähr 0,2 C im Spannungsbereich von 2,0 V bis 4,0 V durchgeführt (Laden/Entladen mit konstantem Strom).
  • 8 zeigt zyklische Leistung der Probe 1 und des Vergleichsbeispiels 1. Die vertikale Achse stellt die Endladekapazität der Sekundärbatterie (mAh/g) dar, und die horizontale Achse stellt die Anzahl der Zyklen (Mal) dar. Die dicke Linie stellt die Ergebnisse der Probe 1 dar, und die dünne Linie stellt das Vergleichsbeispiel 1 dar.
  • Die Messergebnisse des Vergleichsbeispiels 1 zeigen, dass sich nach 250 Zyklen die Entladekapazität bemerkenswert verringert und die Verschlechterung bedeutend ist.
  • Im Gegenteil dazu zeigt die Entladekapazität der Sekundärbatterie der Probe 1 eine Tendenz zu sinken aber sinkt nicht bemerkenswert im Vergleich zu der Sekundärbatterie des Vergleichsbeispiels 1, das kein Schutzbestandteil beinhaltet. Bei der Probe 1 wird die Verschlechterung genügend unterdrückt. Die Verschlechterung wurde besonders bei einer Umgebungstemperatur von 60°C unterdrückt. Folglich konnte die zyklische Leistung verbessert werden.
  • Mit den vorstehenden Messergebnissen ist nachzuweisen, dass, indem ein Schutzbestandteil zwischen und in Kontakt mit einer Positivelektrodendose und einem Positivelektrodenstromkollektor bereitgestellt wird, eine Elution des Positivelektrodenstromkollektors wegen Kontakts zwischen unterschiedlichen Arten von Metallen unterdrückt werden kann und folglich die zyklische Leistung der Lithium-Ionen-Batterie verbessert werden kann.
  • Erläuterung der Bezugszeichen
    • 100: Energiespeichervorrichtung, 101: Positivelektrodendose, 102: Negativelektrodendose, 103: Dichtung, 104: Positivelektrode, 105: Positivelektrodenstromkollektor, 106: Positivelektrodenaktivmaterialschicht, 107: Negativelektrode, 108: Negativelektrodenstromkollektor, 109: Negativelektrodenaktivmaterialschicht, 110: Separator, 111: Schutzbestandteil, 153: Positivelektrodenaktivmaterial, 154: Graphen, 163: Negativelektrodenaktivmaterial, 164: Leitfähigkeitsadditiv, 165: Graphen, 300: Energiespeichervorrichtung, 301: Positivelektrodenkappe, 302: Batteriedose, 303: Positivelektrodenanschluss, 304: Positivelektrode, 305: Separator, 306: Negativelektrode, 307: Negativelektrodenanschluss, 308: Isolierplatte, 309: Isolierplatte, 310: Dichtung, 311: Schutzbestandteil, 312: Sicherheitsventilmechanismus, 313: TPC-Element, 650: tragbares Informationsendgerät, 651: Gehäuse, 652: Anzeigeabschnitt, 652a: Anzeigeabschnitt, 652b: Anzeigeabschnitt, 653: Netzschalter, 654: optischer Sensor, 655: Kameralinse, 656: Lautsprecher, 657: Mikrofon, 658: Energiequelle, 659: Markierung, 660: Solarzelle, 670: Lade-/Entladesteuerschaltung, 671: Batterie, 672: Gleichspannungswandler, 673: Wandler, 680: Elektrofahrzeug, 681: Batterie, 682: Steuerschaltung, 683: Antriebsvorrichtung, 684: Verarbeitungseinheit, 5000: Anzeigevorrichtung, 5001: Gehäuse, 5002: Anzeigeabschnitt, 5003: Lautsprecherabschnitt, 5004: Energiespeichervorrichtung, 5100: Beleuchtungsvorrichtung, 5101: Gehäuse, 5102: Lichtquelle, 5103: Energiespeichervorrichtung, 5104: Decke, 5105: Wand, 5106: Fußboden, 5107: Fenster, 5200: Inneneinheit, 5201: Gehäuse, 5202: Luftauslass, 5203: Energiespeichervorrichtung, 5204: Außeneinheit, 5300: elektrischer Gefrier-Kühlschrank, 5301: Gehäuse, 5302: Tür für einen Kühlschrank, 5303: Tür für einen Gefrierschrank, 5304: Energiespeichervorrichtung.
  • Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2012-223622 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 5. Oktober 2012, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.

Claims (19)

  1. Energiespeichervorrichtung, die umfasst: eine Positivelektrode und eine Negativelektrode, die in einem Außenteil einander zugewandt sind; eine Elektrolytlösung zwischen der Positivelektrode und der Negativelektrode; und ein Schutzbestandteil mit Leitfähigkeit zwischen dem Außenteil und der Positivelektrode, wobei die Elektrolytlösung eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel enthält.
  2. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schutzbestandteil Aluminium enthält.
  3. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Außenteil Eisen oder Nickel enthält.
  4. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positivelektrode einen Stromkollektor beinhaltet, und wobei das Schutzbestandteil in Kontakt mit dem Stromkollektor und dem Außenteil steht.
  5. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Stromkollektor Aluminium enthält.
  6. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem heterocyclischen Kation, einem aromatischen Kation, einem quaternären Ammoniumkation, einem quaternären Sulfoniumkation, einem quaternären Phosphoniumkation, einem tertiären Sulfoniumkation, einem acyclischen quaternären Ammoniumkation und einem acyclischen quaternären Phosphoniumkation enthält.
  7. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem einwertigen Amid-Anion, einem einwertigen Methid-Anion, einem Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), einem Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BF4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –) und Perfluoralkylphosphat enthält.
  8. Energiespeichervorrichtung, die umfasst: eine Positivelektrode und eine Negativelektrode, die in einem Außenteil einander zugewandt sind, wobei die Positivelektrode einen Stromkollektor beinhaltet; eine Elektrolytlösung zwischen der Positivelektrode und der Negativelektrode; und ein Schutzbestandteil mit Leitfähigkeit zwischen dem Außenteil und dem Stromkollektor, wobei ein Teil des Außenteils als Positivelektrodenanschluss dient, wobei der Teil des Außenteils elektrisch mit dem Stromkollektor über das Schutzbestandteil verbunden ist, und wobei die Elektrolytlösung eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel enthält.
  9. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Schutzbestandteil Aluminium enthält.
  10. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Außenteil Eisen oder Nickel enthält.
  11. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Stromkollektor Aluminium enthält.
  12. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem heterocyclischen Kation, einem aromatischen Kation, einem quaternären Ammoniumkation, einem quaternären Sulfoniumkation, einem quaternären Phosphoniumkation, einem tertiären Sulfoniumkation, einem acyclischen quaternären Ammoniumkation und einem acyclischen quaternären Phosphoniumkation enthält.
  13. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem einwertigen Amid-Anion, einem einwertigen Methid-Anion, einem Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), einem Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BFH4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –) und Perfluoralkylphosphat enthält.
  14. Energiespeichervorrichtung, die umfasst: eine Positivelektrode und eine Negativelektrode, die in einem Außenteil einander zugewandt sind, wobei die Positivelektrode einen Stromkollektor beinhaltet; eine Elektrolytlösung zwischen der Positivelektrode und der Negativelektrode; einen Positivelektrodenanschluss, der mit dem Stromkollektor verbunden ist; und ein Schutzbestandteil mit Leitfähigkeit zwischen dem Außenteil und dem Positivelektrodenanschluss, wobei die Elektrolytlösung eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel enthält.
  15. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Schutzbestandteil Aluminium enthält.
  16. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Außenteil Eisen oder Nickel enthält.
  17. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Stromkollektor Aluminium enthält.
  18. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem heterocyclischen Kation, einem aromatischen Kation, einem quaternären Ammoniumkation, einem quaternären Sulfoniumkation, einem quaternären Phosphoniumkation, einem tertiären Sulfoniumkation, einem acyclischen quaternären Ammoniumkation und einem acyclischen quaternären Phosphoniumkation enthält.
  19. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die ionische Flüssigkeit eines von einem einwertigen Amid-Anion, einem einwertigen Methid-Anion, einem Fluorsulfonsäure-Anion (SO3F–), einem Perfluoralkylsulfonsäure-Anion, Tetrafluorborat (BFH4 –), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF6 –) und Perfluoralkylphosphat enthält.
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