JP2009516325A - 区画された電解質を有するリチウム２次電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、リチウム金属電池を提供する。リチウム金属電池の電解質は、アノードとカソードとの間で、互いに接触しないように多数の領域に分割され、それによりリチウムイオンの移動経路を制限する。このように、該リチウム金属電池はデンドライトの成長を抑制し、そしてエネルギー密度を向上させる。また、隔壁構造を有するリチウム金属電池は、液体電解液を用いる場合に、漏れを減少させ、電池に加えられる圧力にも能動的に対処する。

Description

本発明はリチウム金属電池に関し、特にリチウム金属電池の電極間に形成される電解質を多数の領域に分割するように構成することにより、エネルギー密度を高めデンドライトの成長による安定性の低下を防止し、サイクル特性を改善させたリチウム金属電池に関するものである。

最近、エネルギー貯蔵技術に対する関心が益々高くなっている。エネルギー貯蔵技術では、携帯用電子機器だけでなく、電気自動車用バッテリにその適用分野が拡大されるにつれ、エネルギー貯蔵技術に対する研究および開発の努力が具体化されてきた。

電気化学素子はこの分野で最も注目されてきており、充放電可能な２次電池の開発が関心の焦点になってきた。より小型で且つより軽量な電子機器の開発により、電源に用いられるより小型で且つより軽量な電池が大きく求められてきた。その結果、電池の容量密度およびエネルギーを向上させるために、新しい電極と電池の設計が最近研究され開発されてきた。

図１は、従来のリチウム金属電池の構造を具体的に示す図である。

従来のリチウム金属電池は、リチウムイオンの移動を可能にするポリマー電解質３でアノード１とカソード２を分離して、電極１、２の短絡を防止する。また、従来のリチウム金属電池では、発電反応を円滑に行なうために、アノード１とカソード２との間に分離膜４を含む。

上記に記載した従来のリチウム金属電池は、そのエネルギー密度が約３８００ｍＡｈ／ｇである。しかし、図１のリチウム金属電池では充電が繰り返されるにつれて、図２に示すようにデンドライト６が生成され、そしてデンドライト６と電解質との間の反応性により安定性が低下する。例えば、過充電でカソード２の結晶構造の空き空間にリチウムが充填される間中、リチウムイオンがアノードからカソードに絶えず移動する場合には、図２に示すようにデンドライト６がカソード２の表面から成長する。デンドライト６が引き続き成長する場合、デンドライトが分離膜４に穴を開けそしてアノード１と接触する場合がある。このような場合、電池は一度に多量のエネルギーを爆発的に放出し、火災を引き起こす。さらに、この現象はリチウム金属電池のエネルギー密度の増加に伴い重大な問題となる。

上記の問題を克服するために、金属リチウムおよびその合金の代わりに、リチウムイオンの吸着−放出過程を利用した炭素材料および導電性ポリマーを含むマトリックス材料がカソード２の材料として最近開発された。

しかし、カソードに炭素材料を使用するリチウム金属電池は、リチウム金属をカソードとして使用しないため、活性リチウムと電解液との間で反応が起こらない。該リチウム金属電池はデンドライトによる電極１、２間の短絡を防止するが、しかし炭素の量に対応するグラム当りの容量が減少するように、炭素層間にリチウムイオンがドープされる。すなわち、カソードとして炭素物質を使用する場合、安定性は向上できるが、リチウム金属を用いる場合に比較して、理論的なエネルギー密度は約３７０ｍＡｈ／ｇまで著しく低下する。

最近、電解質として有機電解質液を用いてきた。しかし、液体電解質液が部品の外に漏れる場合がある。電解質の漏れを防止するために、固体電解質を用いるリチウムポリマー電池が開発されてきたが、このポリマー電池は、エネルギー密度を増加させる一方で、デンドライトの問題を解決しない。

本発明の種々の態様は、デンドライトの生成を効果的に防止しそして充放電容量を増加させる改良されたリチウム金属電池の構造を提供することを対象にする。

本発明の一つの態様によれば、リチウム金属電池は、電池の電解質が多数の領域に独立して分割されるように構成される。

添付の図を参照して本発明を詳細に記載する。

図３は、本発明の態様によるリチウム金属電池の第１の例を具体的に示す斜視図であり、そして図４は図３でＡ−Ａ'に沿って切断した断面を具体的に示す断面図である。説明の便宜のため、図１および図２の同一または類似の部分を示すために、図において同一の参照番号を使用する。

図３のリチウム金属電池は、アノード１とカソード２との間で独立して複数の領域で並列に分割された電解質３を含む。すなわち、図３のリチウム金属電池の電解質３は、複数の隔壁１０によりマトリックス型に分割され区画される。

隔壁１０はポリマー、セラミックおよび酸化物等でできているが、リチウムイオンの通過を防ぐ任意の材料を隔壁１０として使用できる。

複数の隔壁１０の間隔は、リチウム金属電池の電極１、２間の間隔により決定される。すなわち、複数の隔壁１０の間隔は小さいほど有利であるが、アノード１とカソード２との間の間隔の５分の１より小さいことが好ましい。例えば、一般的なリチウムポリマー電池のアノード１とカソード２との間隙は１ｍｍであり、複数の隔壁１０の間隔は好ましくは０.２ｍｍ未満である。しかし、該間隔は、電極１、２間の間隔と同一である１ｍｍであることができる。もちろん、複数の隔壁１０の間隔を、電極１、２の間の間隔より広く形成できる。

これらの複数の隔壁１０を製造するために、ＣＶＤまたはエッチングを含む半導体製造工程を適用できる。そのほか、写真印刷法を予め決められた部分で行うことができ、隔壁が該部分の物理的特性を変化させるように形成され、それによって隔壁１０を形成する。

本発明の態様による上記に記載したリチウム金属電池では、隔壁１０により電解質３が互いにつながらずいくつかの領域に独立に分離され、実際には図３で点線内に示されるような長方形柱を有する個々の複数の電池が並列に電気的に接続される。区画された電解質３はアノード１およびカソード２を共有する。もちろん、区画された電解質３の形は、図３に示されたように長方形柱に限定されない。

デンドライトは種々の要因により生成されるが、デンドライトは、一般的にリチウムイオンが垂直に移動しないので生成される。したがって、リチウムイオンの移動幅が制限される場合、デンドライトの生成を低減できる。すなわち、図３に示したように、電解質３が複数の隔壁１０により独立に分割される場合、リチウムイオンは複数の隔壁１０を通過できず、リチウムイオンの移動経路は個々の区画された電解質の領域内に制限される。その結果、リチウムイオンの移動経路は最初の出発位置から変動せず、それによりデンドライトの成長を抑制する。

図４に示すように、個々のリチウム電池セルのカソード２でデンドライト６が成長するが、デンドライト６の成長が阻害されるので、デンドライト６の成長によるアノード１とカソード２との間の短絡を防止できる。

このように、本発明の一つの態様によりリチウム金属電池において電解質３は複数の領域に分割されるので、カソード２は、先行技術におけるような炭素材料でできていなくてもよい。結果として、炭素でできたカソード材料の使用によって生じるエネルギー密度の減少を防げる。

本発明の態様における電解質では、有機電解液またはポリマー電解質のいずれかを用いることができる。液体電解液が電解質３として用いられる場合でも、電解質３は微細な複数の隔壁で分割されるので、毛細管現象と表面張力により電解質３が複数の隔壁１０に付着し、それによって漏れを減少させる。

さらに、図４では複数の隔壁１０が電解質だけを区画するよう形成されているが、図７におけるように複数の隔壁１０は電解質を区画するだけでなく、電極１、２の予め決められた深さまで進入するよう延長される。結果として、電解質をより正確に区画することができる。

図５は、本発明の一つの態様によるリチウム金属電池の第２の例を具体的に示す拡大斜視図である。

図５の態様では、非電解質３０で被覆された複数の微細電解質のパイプ２０が、アノード１とカソード２との間で束型で形成される。すなわち、図３において複数の隔壁１０は電解質を区画するために形成されたが、複数のパイプ型電解質が用意され、そして電解質のパイプ２０は、図５の態様中のアノード１とカソード２との間で束になるように結ばれる。電解質のパイプ２０が互いに直接接触できないように、電解質のパイプ２０は非電解質材料で被覆されるか、または電解質のパイプ２０の間の溝は、非電解質材料で充填される。

上記の態様において、本発明の態様によるリチウム金属電池は、電解質３が複数の領域に分割されるが、アノード１、カソード２および分離膜４は、１つの単一電極または膜でできており、分割された電解質がこれを共有するようになっている。しかし、必要に応じて電極１、２および分離膜４は、分割された電解質の形に対応するよう分割されてもよい。

例えば、図３の点線の円内に示すように、該分割された部分の個々が独立した小さいサイズのリチウム金属電池（リチウム電池セル）になるように、電極１、２および分離膜４は、個々の分割された電解質の形（大きさ）に応じて分割される。次に、これらリチウム電池セルを並列に結合させて１つの大きなリチウム金属電池を形成させる。個々のリチウム電池セルの電解質３は複数の隔壁１０の材料で囲まれるが、電極１、２は該複数の隔壁１０で囲まれない。言い換えると、リチウム電池セルが並列に結合される場合、電解質３は個々のリチウム電池セルの側面に取り付けられた複数の隔壁の材料により互いに直接的に接触しないが、リチウム電池セルの電極１、２は、隣接するリチウム電池セルの電極１、２と電気的に接触する。隔壁材料は、電解質３および電解質と接触する電極１、２の他の表面を含む部分的な領域の両者を囲むように形成されてもよい。

このように、金属電池がリチウム電池セルで形成される場合、リチウム電池セルは、独立に形成され、次にリチウム金属電池の大きさおよび形を柔軟に調節することができるように、所望の数のセルが所望の形に並列で結合される。

図６は、本発明の一つの態様によるリチウム金属電池の第３の例を具体的に示す拡大斜視図である。

図６の態様では、アノード１とカソード２との間に多孔質膜３０が形成され、そして電解質３が多孔質膜３０の個々の孔に吸収されて、電解質を複数の領域に分割する。すなわち、電解質３を分割するために、個々の電解質３が多孔質膜で独立に分割されるように、電解質３は図６の態様中の多孔質膜３０の個々の孔に吸収される。

上記に記載した態様では、電解質３を分割するために、電解質３が電極１、２と接触する断面積を全体として減少できるように、複数の隔壁１０、非電解質材料および多孔質膜３０が使用される。しかし、炭素が、本発明の態様による構造によりカソード材料で使用されないので、炭素が使用される場合に比較して、エネルギー密度が著しく（約１０倍以上）増加する。結果として、充電容量は却って増加することになる。

本願発明の基本的な概念は、微細セグメント構造を有するアノード１およびカソード２の間に形成される電解質を並列に区画することであり、区画法は上記に記載した態様による以外の種々の態様に改変可能である。

産業上の利用可能性
上記のように、本発明の態様によるリチウム金属電池は電解質を微細セグメントに分割することにより、デンドライトの成長を大きく抑制し、そしてエネルギー密度を著しく向上させる。また、リチウム金属電池は、種々の選択の機会を提供するために、固体電解質の代わりに液体電解液を用いる場合、漏れを減少させる。電池に圧縮が加えられる場合、区画された電解質構造を有するリチウム金属電池は、安定性を改善させるために、力を分散させそして複数の隔壁によって支えられる。

図１は、従来のリチウム金属電池の構造を具体的に示す図である。 図２は、従来のリチウム金属電池に生成されたデンドライトを具体的に示す図である。 図３は、本発明の第１の態様によるリチウム金属電池の最初の例を具体的に示す斜視図である。 図４は、図のＡ−Ａ'の方向で切断された断面を具体的に示す断面図である。 図５は、本発明の態様によるリチウム金属電池の第２の例を具体的に示す拡大された斜視図である。 図６は、本発明の態様によるリチウム金属電池の第３の例を具体的に示す拡大された斜視図である。 図７は、本発明の態様により隔壁の長さが金属電極まで延びている状態を具体的に示す断面図である。

Claims (7)

1. アノードとカソードとの間で形成されている電解質を複数の領域に分割して、互いに接触しないようにしたリチウム金属電池。
2. 前記リチウム金属電池が、前記電解質をマトリックス型に区画するように構成された複数の隔壁を含む、請求項１に記載のリチウム金属電池。
3. 前記隔壁が、リチウムイオンが通過できない材料でできている、請求項２に記載のリチウム金属電池。
4. 前記複数の隔壁の間隔が、前記アノードと前記カソードとの間の間隔の５分の１より小さい、請求項２に記載のリチウム金属電池。
5. 前記リチウム金属電池が、前記アノードと前記カソードとの間に非電解質で被覆された複数の電解質のパイプを含む、請求項１に記載のリチウム金属電池。
6. 前記リチウム金属電池が、前記アノードと前記カソードとの間に多孔質膜を含み、そして前記電解質が、前記多孔質膜の孔に吸収される、請求項１に記載のリチウム金属電池。
7. 前記アノードと前記カソードが、前記分割された電解質に対応した大きさの個々の部分品に分割され、そして前記分割された部分品の個々が、相互に電気的に接触する、請求項１に記載のリチウム金属電池。

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