JP2011165639A

JP2011165639A - マグネシウムを有する陽極活物質及びこれを備えるマグネシウム二次電池

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Publication number: JP2011165639A
Application number: JP2010109836A
Authority: JP
Inventors: Dong Hyeok Choi; チェ・ドン・ヒョク; Hak Kwan Kim; キム・ハ・クワン; Hyun Chul Jung; ジョン・ヒュン・チョル
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-08-25
Also published as: KR20110090513A; US20110189543A1; KR101067115B1

Abstract

【課題】充放電効率及び充電容量を向上させるための、マグネシウムを有する陽極活物質、並びに、これを備えて前記マグネシウムを充放電媒介体として用いるマグネシウム二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の実施例によるマグネシウム二次電池は、陰極と、陽極と、充放電時に陰極と陽極との間にキャリアとして用いられるキャリアイオンが収容された電解物質とを備え、陰極及び陽極のうち少なくともいずれか一つの結晶構造は、マグネシウムイオン（Ｍｇ）を有するスピネル結晶構造からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、陽極活物質、及びこれを備える二次電池に関し、より詳しくは、充放電効率及び充電容量を向上させるための、マグネシウムを有する陽極活物質、並びに、これを備えて前記マグネシウムを充放電媒介体として用いるマグネシウム二次電池に関する。

最近、携帯電話、ノート型パソコン、ポータブル個人情報端末機（ＰＤＡ）及びＭＰ３などのようなモバイル電子装置や電気自動車等の電源における、充電及び放電から再使用が可能な二次電池に対する研究が活発に行われている。現在、二次電池は、最近の電子素子技術の急速な発展により製品が小型及び軽量化になりつつあり、これに対して、充電及び放電効率を向上させるための様々な努力が行われている。

現在、主に用いられているリチウム二次電池用の陽極活物質は、層状構造の化合物からなる。例えば、一般的な陽極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、及びＬｉＦｅＰＯ_４などのようなオキサイド系列の化合物が用いられる。前記のような陽極活物質の中で代表的な陽極活物質であるＬｉＣｏＯ_２の化合物構造は、下記の通りである。

図１は、従来のリチウム二次電池の陽極活物質として用いられるＬｉＣｏＯ_２化合物の結晶構造を示す図面であり、図２は、図１に示したＬｉＣｏＯ_２化合物の単位結晶構造を示す図面である。

図１及び図２を参照すると、一般的なＬｉＣｏＯ_２化合物構造１０は、六角柱状の単位結晶２０を有し得る。前記単位結晶２０は、Ｌｉ原子（Ｌｉ）、酸素原子（Ｏ）、及び転移金属原子であるコバルト原子（Ｃｏ）が、それぞれ殆ど層状構造を有する。これにより、前記単位結晶２０は、酸素原子層２２、転移金属原子層２４、及び前記酸素原子層２２と前記転移金属原子層２４との間に配置されたリチウム原子層２６からなる。

しかし、前記のような層状構造により、前述した陽極活物質を有するリチウム二次電池は、充放電効率及び充電容量が低い。より具体的に、前記のような層状構造からなる結晶構造２０は、前記リチウム二次電池の充放電時に、前記リチウム原子（Ｌｉ）が前記酸素原子層２２と前記転移金属原子層２４との間を介して移動する。この時、前記リチウム原子（Ｌｉ）は、前記酸素原子層２２及び前記転移金属原子層２４に殆ど水平方向Ｘにその移動が制限される。即ち、前記リチウム原子（Ｌｉ）は、前記酸素原子層２２及び前記転移金属原子層２４によりその充放電のための移動が制限され、これによって、前記結晶構造２０は、二次電池の充放電時に、反応媒介体である前記リチウム原子（Ｌｉ）の移動が不自由な構造を有する。

もし、充放電時に、前記リチウム原子（Ｌｉ）が前記酸素原子層２２と前記転移金属原子層２４との間の空間から殆ど抜け出した場合、前記酸素原子層２２と前記転移金属原子層２４とが互いに隣接し得る。この場合、隣接する酸素層間の反撥力によって、前記結晶構造２０が壊れる可能性が高い。または、前記リチウム原子（Ｌｉ）が前記酸素原子層２２と前記転移金属原子層２４との間の空間から殆ど抜け出さない場合でも、前記結晶構造２０内のリチウムイオンの量が減り、前記結晶構造２０は、六角柱結晶構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）から単斜結晶構造（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）へと徐々に変形される。このような前記結晶構造２０の変形は、２次電池の充電容量を減少させ、充放電時にリチウムイオンの使用率が理論的な使用率に比べて５０％以下に制限される原因となる。

例えば、Ｃ_６（ｇｒａｐｈｉｔｅ）からなる陰極と、前記ＬｉＣｏＯ_２からなる陽極とを備えて２次電池を構成する場合、前記２次電池の充放電反応式は、０．５ＬｉＣ_６＋ＬｉＣｏＯ_２＝０．５Ｃ_６＋ＬｉＣｏＯ_２と決められる。前記反応式から分かるように、前記ＬｉＣｏＯ_２に含まれているリチウムイオンのうち５０％のみが充放電時に用いられることが確認され、これは、前記のようなＬｉＣｏＯ_２の結晶構造が層状構造からなり、前記リチウムイオン（Ｌｉ）の移動性が制限されるためである。

本発明が解決しようとする課題は、二次電池の充電容量及び充放電効率を向上させるための陽極活物質を提供することである。

本発明が解決しようとする課題は、充電容量及び充放電効率を向上させたマグネシウム二次電池を提供することである。

本発明による陽極活物質は、マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンからなるスピネル結晶構造（ｓｐｉｎｅｌｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するマグネシウム金属酸化物を含む。

本発明の実施例によると、前記マグネシウムイオンは、複数の前記酸素イオンからなる正四面体の中央に位置することができる。

本発明の実施例によると、前記金属イオンは、複数の前記酸素イオンからなる正八面体の中央に位置することができる。

本発明の実施例によると、前記陽極活物質は、下記の化学式を満足させることができる。
［化学式］
Ｍｇ_{（１＋ｘ）}Ｍ_{（２−ｘ）}Ｏ_４、０≦Ｘ≦０．３３、Ｍ＝金属イオン、Ｏ＝酸素イオン

本発明の実施例によると、前記金属イオンは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ルビジウム（Ｒｄ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｒ）、及びホウ素（Ｂ）のいずれか一つを含むことができる。

本発明によるマグネシウム二次電池は、陰極と、前記陰極に対向するように配置され、マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンのスピネル結晶構造からなるマグネシウム金属酸化物を含む陽極活物質を有する陽極と、前記陰極及び前記陽極の間の反応媒介体である前記マグネシウムイオンを収容する電解物質とを含む。

本発明の実施例によると、前記スピネル結晶構造は、４個の前記酸素イオンからなる正四面体構造と、６個の前記酸素イオンからなる正八面体構造と、前記正四面体構造と前記正八面体構造との内部中央に配置される前記マグネシウムイオンとを含むことができる。

本発明の実施例によると、前記マグネシウム二次電池は、下記の充放電反応式を満足させることができる。
［反応式］
Ｍｇ＋Ｆｅ_２Ｏ_４ ⇔ ＭｇＦｅ_２Ｏ_４
（ここで、前記反応式の正反応は放電反応であり、逆反応は充電反応である。）

本発明の実施例によると、前記陽極の表面には炭素層が形成されることができる。

本発明の実施例によると、前記陰極は、マグネシウムイオンと金属イオンとの金属酸化物を含む陰極活物質を有することができる。

本発明の実施例によると、前記陰極活物質は、マグネシウムイオンと金属イオンとからなる金属酸化物を含むことができる。

本発明の実施例によると、前記陰極活物質は、前記スピネル結晶構造を有することができる。

本発明によるマグネシウム二次電池は、陰極と、陽極と、充放電時に前記陰極と前記陽極との間にキャリアとして用いられるキャリアイオンが収容された電解物質とを備え、前記陰極及び陽極のうち少なくともいずれか一つの結晶構造は、マグネシウムイオン（Ｍｇ）を有するスピネル結晶構造からなることができる。

本発明の実施例によると、前記スピネル結晶構造は、前記マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンからなり、前記マグネシウムイオンは、前記酸素イオンからなる正四面体構造の中央に位置し、前記金属イオンは、前記酸素イオンからなる正八面体構造の中央に位置することができる。

本発明の実施例によると、前記キャリアイオンは、前記マグネシウムイオンを含むことができる。

本発明による陽極活物質は、マグネシウムイオン、酸素イオン、及び金属イオンからなるスピネル結晶構造を有することができる。このようなスピネル結晶構造は、二次電池の充放電時に、キャリアの移動方向を水平方向に制限する層状結晶構造に比べて、前記マグネシウムイオンの移動方向に制限のない構造を有することができる。これにより、前記陽極活物質は、前記マグネシウムイオンの移動性及び使用率を増加させて、二次電池の充放電効率及び充電容量を向上させることができる。

本発明による陽極活物質は、マグネシウムイオン、酸素イオン、及び金属イオンからなるスピネル結晶構造を有するように提供され、充放電反応の媒介体である前記マグネシウムイオンの移動時にも全体結晶構造が壊れない。これにより、前記陽極活物質は、キャリアの移動時に結晶構造が壊れる層状構造の陽極活物質を有する二次電池に比べて、相対的に高い安定性、長寿命、かつ優れた熱特性を有することができる。

本発明の実施例によるマグネシウム二次電池は、陽極及び陰極活物質のうち少なくとも前記陽極活物質の結晶構造がマグネシウムを有するスピネル結晶構造として提供され、充放電反応の媒介体であるマグネシウムイオンの移動性を向上させることができる。これにより、前記マグネシウム二次電池は、前記マグネシウムイオンの移動方向を水平方向に制限する層状結晶構造の陽極活物質を有する二次電池に比べて、前記マグネシウムイオンの移動性及び使用率が向上した構造を有するため、二次電池の充放電効率及び充電容量を向上させることができる。これに加え、前記マグネシウム二次電池は、前記陰極活物質も前記のようなマグネシウムのスピネル結晶構造を有するように構成し、二次電池の充放電効率及び充電容量をさらに向上させることができる。

本発明の実施例によるマグネシウム二次電池は、陽極及び陰極活物質のうち少なくとも前記陽極活物質の結晶構造がマグネシウムを有するスピネル結晶構造として提供され、充放電反応の媒介体であるマグネシウムイオンの移動時にも全体結晶構造が壊れない。これにより、前記マグネシウム二次電池は、キャリアの移動時に結晶構造が壊れる層状構造の陽極活物質を有する二次電池に比べて、相対的に高い安定性、長寿命、かつ優れた熱特性を有することができる。

従来のリチウム二次電池の陽極活物質として用いられるＬｉＣｏＯ_２化合物の結晶構造を示す図面である。図１に示したＬｉＣｏＯ_２化合物の単位結晶構造を示す図面である。本発明の実施例によるマグネシウム二次電池を示す図面である。図３に示した陽極及び陰極活物質の単位結晶構造を示す図面である。

本発明の利点及び特徴、また、それらを達成する方法は、添付した図面と共に詳しく後述する実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は、以下に開示する実施例に限らず、互いに異なる様々な形態に具現してもよい。本実施例は、本発明の開示を完全にさせ、本発明が属する技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供してもよい。明細書全文にかけて同一の参照符号は同一の構成要素を指す。

本明細書で使われた用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数型は文章で特に言及しない限り複数型も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は言及された構成要素、ステップ、動作及び／または素子は一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。

以下に添付した図面を参照して、本発明の実施例による陽極活物質及びこれを備えるマグネシウム二次電池に対して詳しく説明する。

図３は、本発明の実施例によるマグネシウム二次電池を示す図面である。

図３を参照すると、本発明の実施例によるマグネシウム二次電池１００は、陽極１１０、陰極１２０、及び電解物質１３０を含み得る。前記陽極１１０、前記陰極１２０、及び前記電解物質１３０は、所定のハウジング（図示せず）の内部に配置され、外部環境から保護される。前記陽極１１０及び前記陰極１２０は、前記電解物質１３０を介在して互いに離隔配置され、前記陽極１１０と前記陰極１２０との間には分離膜（図示せず）が配置される。また、前記陽極１１０の表面には、炭素（Ｃ）を含む炭素コーティング層１１２が形成される。前記炭素コーティング層１１２は、前記陽極１１０の伝導度を増加させて、前記陽極１１０の充電及び放電特性を向上させることができる。

前記陽極１１０と前記陰極１２０とは、前記電解物質１３０を介して電気化学反応の媒介体であるキャリアを受け渡すことができる。前記キャリアとしては、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）が用いられてもよい。前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）は、２価イオンを有するキャリアイオンであってもよい。これにより、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）は、１価イオンを有するキャリアイオン（例えば、リチウムイオン（Ｌｉ^＋））に比べて、約２倍の容量と出力向上を期待することができる。前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）を前記キャリアとして用いるために、前記電解物質１３０は、イオン状態の前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）を含む電解液として提供してもよい。前記電解物質１３０は、塩化アンモニウムまたは水酸化ナトリウムなどをさらに含んでもよい。このような前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）は、前記陽極１１０と前記陰極１２０との間の充電及び放電反応の媒介体として用いられることができる。

一方、前記陽極１１０及び前記陰極１２０のうち少なくともいずれか一つは、マグネシウム（Ｍｇ）を有する活物質からなってもよい。例えば、前記陽極１１０は、マグネシウムイオン（Ｍｇ）、金属イオン（Ｍ）、及び酸素イオン（Ｏ）からなるマグネシウム金属酸化物を有する陽極活物質からなってもよい。その一例として、前記陽極活物質は、下記の化学式を満足させるように構成することができる。
［化学式］
Ｍｇ_{（１＋ｘ）}Ｍ_{（２−ｘ）}Ｏ_４、０≦Ｘ≦０．３３、Ｍ＝金属イオン、Ｏ＝酸素イオン

ここで、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量は、前記金属イオン（Ｍ）に比べて、相対的に約３０％程多いか少なくてもよい。実質的に前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量が増加するほど、前記陽極１１０の充放電効率を向上させることができる。しかし、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量を前記金属イオン（Ｍ）に比べて約３０％以上に増加させることは、技術的に限界があり得る。しかし、技術的限界が克服できれば、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量を３０％以上に調節することができるであろう。また、前記化学式によると、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量が増加するほど、相対的に前記金属イオン（Ｍ）の含有量が少なくなる。しかし、選択的に前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の含有量は、前記金属イオン（Ｍ）の含有量に関係なくその含有量を調節することができる。

前記金属イオン（Ｍ）は、様々な種類の金属イオンのいずれか一つであってもよい。例えば、前記金属イオン（Ｍ）は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ルビジウム（Ｒｄ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｒ）、及びホウ素（Ｂ）のうちいずれか一つである。より好ましくは、前記金属イオン（Ｍ）は、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちいずれか一つである。この場合、前記陽極活物質は、ＭｇＦｅ_２Ｏ_４、ＭｇＭｎ_２Ｏ_４、及びＭｇＮｉ_２Ｏ_４のいずれか一つであってもよい。

前記陰極１２０もマグネシウム（Ｍｇ）を有する陰極活物質からなることができる。例えば、前記陰極活物質は、少なくともマグネシウムイオン（Ｍｇ）及び金属イオン（Ｍ）からなる金属化合物であってもよい。または、その他の例として、前記陰極１２０は、充放電反応の媒介体元素を格納することができる他の物質で構成されてもよい。例えば、前記陰極１２０は、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）を含む物質からなってもよい。

前記のような構造のマグネシウム二次電池１００は、下記の充放電反応式を満足させることができる。
［反応式］
Ｍｇ＋Ｆｅ_２Ｏ_４ ⇔ ＭｇＦｅ_２Ｏ_４

ここで、前記反応式の正反応は放電反応であってもよく、逆反応は充電反応であってもよい。前記反応式のように、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）は、金属酸化物（Ｆｅ_２Ｏ_４）と１：１の反応をするため、前記陽極活物質をなすマグネシウムイオン（Ｍｇ）全体が反応に参加することができる。これにより、前記のような構造のマグネシウム二次電池１００は、充放電反応の媒介体であるマグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）の反応参加率を高めることにより、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）の移動性、使用率、及び反応率を増加させた構造を有することができる。

次いで、前記の本発明の実施例によるマグネシウム二次電池１００の陽極及び陰極活物質の結晶構造について詳しく説明する。ここで、前記のマグネシウム二次電池１００について重複される内容は、省略するか、または簡素化する。

図４は、図３に示した陽極活物質の単位結晶構造を示す図面である。図４を参照すると、本発明の実施例による陽極活物質は、スピネル結晶構造（Ｓｐｉｎｅｌｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：２００）を有し得る。スピネル結晶構造は、化学式ＡＢ_２Ｘ_４と表記する金属元素の複酸化物及び複硫化物の典型的な結晶構造の一つであり得る。このようなスピネル結晶構造は、空間群３である立方晶系（例えば、等軸晶系）の単位胞に面心立方格子を作る３２個の酸素原子を含み、正四面体型４配位位置の８箇所にマグネシウム原子、正八面体型６配位の位置の１６箇所にアルミニウム原子が満たされる構造を有することができる。

その一例として、前記陽極活物質がＭｇＦｅ_２Ｏ_４からなる場合、陽極活物質の単位結晶構造は前記のようなスピネル結晶構造２００を有し、前記スピネル結晶構造２００は正四面体構造２１０及び正八面体構造２２０を含んでもよい。前記正四面体構造２１０は、４個の酸素イオン（Ｏ）からなる構造であり、前記正八面体構造２２０は６個の前記酸素イオン（Ｏ）からなる構造であってもよい。ここで、前記正四面体構造２１０の中央には前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）が位置し、前記正八面体構造２２０の中央には金属イオン（Ｍ）である鉄イオン（Ｆｅ）が位置してもよい。即ち、前記正四面体構造２１０は、酸素イオン（Ｏ）からなる正四面体の中央にマグネシウムイオン（Ｍｇ）が位置した構成を有し、前記正八面体構造（２２０）は、６個の前記酸素イオン（Ｏ）からなる正八面体の中央に金属イオン（Ｍ）が位置した構成を有することができる。このような前記スピネル結晶構造２００は、前記陽極活物質がＭｇＭｎ_２Ｏ_４及びＭｇＮｉ_２Ｏ_４の金属化合物の場合でも同様に提供することができる。

前記のようなスピネル結晶構造２００は、前記マグネシウム二次電池１００の充放電時に、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の移動方向において、特定方向に限らず、前記スピネル結晶構造２００内で様々な方向に移動することができる。即ち、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）は、充電時に、前記正四面体２１０及び前記正八面体２２０の中央に様々な方向から移動して入ることができる。また、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）は、放電時に、前記正四面体２１０及び前記正八面体２２０の中央から様々な方向に移動していくことができる。これは、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の移動に制限を与える層状構造が、前記スピネル結晶構造２００にはないからということもあり得る。

前述したように、本発明の実施例によるマグネシウム二次電池１００の陽極１１０及び陰極１２０は、陽極活物質及び陰極活物質をそれぞれ備え、前記陽極及び前記陰極活物質のうち少なくとも前記陽極活物質の結晶構造は、マグネシウムを有するスピネル結晶構造２００からなることができる。ここで、前記スピネル結晶構造２００をなす前記酸素イオン（Ｏ）、前記金属イオン（Ｍ）及び前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）は、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）が移動自在な構造を有するように構成することができる。即ち、前記スピネル結晶構造２００には、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の移動方向を制限し得る構造（例えば、層状構造）がないため、前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）の移動性が高い構造を有することができる。これにより、前記マグネシウム二次電池１００は、移動自在な前記マグネシウムイオン（Ｍｇ）により、充放電効率及び充電容量を向上させることができる。また、このように、前記マグネシウム二次電池１００の充放電効率及び充電容量は、前記陰極１２０の陰極活物質をマグネシウムのスピネル結晶構造２００を有するように構成することによって、さらに高めることができる。

また、本発明の実施例によるマグネシウム二次電池１００は、少なくとも前記陽極活物質の結晶構造２００がマグネシウムを有するスピネル結晶構造からなり得る。この場合、前記充放電反応の媒介体であるキャリア、即ちマグネシウムイオン（Ｍｇ）の移動時にも全体結晶構造が壊れないため、キャリアの移動により全体結晶構造が壊れる層状構造に比べて、相対的に高い安定性を有することができる。これにより、前記マグネシウム二次電池１００は、層状構造の結晶構造を有する陽極活物質を有する二次電池に比べて、寿命が長く、かつ熱特性に優れた構造を有する。

以上の詳細な説明は、本発明を例示するものである。また、前述した内容は、本発明の好ましい実施形態を示して説明することに過ぎず、本発明は様々な他の組合、変更及び環境で使用することができる。即ち、本明細書に開示された発明の概念の範囲、記述した開示内容と均等な範囲及び／または当業界の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。前述した実施例は、本発明を実施するに当たって最善の状態を説明するためのものであり、本発明のような他の発明を利用するに当たって当業界に知られた他の状態への実施、また、発明の具体的な適用分野及び用途で要求される様々な変更も可能である。よって、以上の発明の詳細な説明は、開示された実施状態で本発明を制限しようとする意図ではない。また、添付した請求の範囲は、他の実施状態も含むものと解釈されるべきである。

１００マグネシウム二次電池
１１０陽極
１２０陰極
１３０電解物質

Claims

マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンからなるスピネル結晶構造を有するマグネシウム金属酸化物を含む陽極活物質。
前記マグネシウムイオンは、複数の前記酸素イオンからなる正四面体の中央に位置する請求項１に記載の陽極活物質。
前記金属イオンは、複数の前記酸素イオンからなる正八面体の中央に位置する請求項１に記載の陽極活物質。
前記陽極活物質は、下記の化学式を満足させる請求項１に記載の陽極活物質。
［化学式］
Ｍｇ_{（１＋ｘ）}Ｍ_{（２−ｘ）}Ｏ_４、０≦Ｘ≦０．３３、Ｍ＝金属イオン、Ｏ＝酸素イオン
前記金属イオンは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ルビジウム（Ｒｄ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｒ）、及びホウ素（Ｂ）のいずれか一つを含む請求項４に記載の陽極活物質。
陰極と、
前記陰極に対向するように配置され、マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンのスピネル結晶構造からなるマグネシウム金属酸化物を含む陽極活物質を有する陽極と、
前記陰極及び前記陽極の間の反応媒介体である前記マグネシウムイオンを収容する電解物質とを含むマグネシウム二次電池。
前記スピネル結晶構造は、
４個の前記酸素イオンからなる正四面体構造と、
６個の前記酸素イオンからなる正八面体構造と、
前記正四面体構造と前記正八面体構造との内部中央に配置される前記マグネシウムイオンとを含む請求項６に記載のマグネシウム二次電池。
前記マグネシウム二次電池は、下記の充放電反応式を満足させる請求項６に記載のマグネシウム二次電池。
［反応式］
Ｍｇ＋Ｆｅ_２Ｏ_４ ⇔ ＭｇＦｅ_２Ｏ_４
（ここで、前記反応式の正反応は放電反応であり、逆反応は充電反応である。）
前記陽極活物質は、下記の化学式を満足させる請求項６に記載のマグネシウム二次電池。
［化学式］
Ｍｇ_{（１＋ｘ）}Ｍ_{（２−ｘ）}Ｏ_４、０≦Ｘ≦０．３３、Ｍ＝金属イオン、Ｏ＝酸素イオン
前記金属イオンは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ルビジウム（Ｒｄ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｒ）、及びホウ素（Ｂ）のいずれか一つを含む請求項９に記載のマグネシウム二次電池。
前記陽極の表面には、炭素層が形成されている請求項６に記載のマグネシウム二次電池。
前記陰極は、マグネシウムイオンと金属イオンとの金属酸化物を含む陰極活物質を有する請求項６に記載のマグネシウム二次電池。
前記陰極活物質は、マグネシウムイオンと金属イオンとからなる金属酸化物を含む請求項１２に記載のマグネシウム二次電池。
前記陰極活物質は、前記スピネル結晶構造を有する請求項１３に記載のマグネシウム二次電池。
陰極と、陽極と、充放電時に前記陰極と前記陽極との間にキャリアとして用いられるキャリアイオンが収容された電解物質とを備え、前記陰極及び陽極のうち少なくともいずれか一つの結晶構造は、マグネシウムイオン（Ｍｇ）を有するスピネル結晶構造からなるマグネシウム二次電池。
前記スピネル結晶構造は、前記マグネシウムイオン、金属イオン及び酸素イオンからなり、
前記マグネシウムイオンは、前記酸素イオンからなる正四面体構造の中央に位置し、
前記金属イオンは、前記酸素イオンからなる正八面体構造の中央に位置する請求項１５に記載のマグネシウム二次電池。
前記キャリアイオンは、前記マグネシウムイオンを含む請求項１５に記載のマグネシウム二次電池。
前記マグネシウム二次電池は、下記の充放電反応式を満足させる請求項１５に記載のマグネシウム二次電池。
［反応式］
Ｍｇ＋Ｆｅ_２Ｏ_４ ⇔ ＭｇＦｅ_２Ｏ_４
（ここで、前記反応式の正反応は放電反応であり、逆反応は充電反応である。）