JP2011198494A - Gallium battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gallium battery that easily achieves improvement in battery cycle characteristics compared with a conventional one.SOLUTION: The gallium battery includes a positive-electrode layer, a negative-electrode layer that contains a gallium metal and/or a gallium alloy as a negative-electrode active material, an electrolyte layer arranged between the positive-electrode layer and the negative-electrode layer, and a pressing means for pressing the negative-electrode layer.

Description

本発明は、負極にガリウム金属及び／又はガリウム合金を含むガリウム電池に関する。   The present invention relates to a gallium battery including a gallium metal and / or a gallium alloy in a negative electrode.

リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。   A lithium ion secondary battery has the characteristics that it has a higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large motive power such as for electric vehicles and hybrid vehicles.

このようなリチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献１には、正極と負極と非水電解質とを備え、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を含み、負極活物質としてガリウム金属又は融点が６０℃以下のガリウム合金を含むリチウム二次電池を充放電する方法であって、放電後、充放電を停止した状態で負極をガリウム金属又はガリウム合金の融点以上の温度に保つことにより、ガリウム金属又はガリウム合金を液化させて電池のサイクル特性を回復することを特徴とするリチウム二次電池の充放電方法が開示されている。   As a technique related to such a lithium ion secondary battery, for example, Patent Document 1 includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, includes a lithium-containing transition metal oxide as a positive electrode active material, and gallium metal or a negative electrode active material. A method for charging and discharging a lithium secondary battery containing a gallium alloy having a melting point of 60 ° C. or lower, and maintaining the negative electrode at a temperature equal to or higher than the melting point of gallium metal or gallium alloy after discharging, A method for charging and discharging a lithium secondary battery is disclosed in which gallium metal or a gallium alloy is liquefied to restore the cycle characteristics of the battery.

特開２００１−２５０５４３号公報JP 2001-250543 A

特許文献１に開示されている技術によれば、負極活物質としてガリウム金属又は融点が６０℃以下のガリウム合金を含んでいるので、負極活物質を液化させることにより、負極の微粉化による劣化を抑制することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、負極活物質としてガリウム金属又は融点が６０℃以下のガリウム合金を含む電池（以下において、「ガリウム電池」という。）のサイクル特性を回復させるために、負極をガリウム金属又はガリウム合金の融点以上の温度にするための加温手段及び該加温手段のための電源等が必要になる。そのため、特許文献１に開示されている技術では、サイクル特性を回復させるための処理が煩雑化しやすいという問題があった。   According to the technique disclosed in Patent Document 1, since the gallium metal or the gallium alloy having a melting point of 60 ° C. or lower is included as the negative electrode active material, the negative electrode active material is liquefied, thereby causing deterioration due to pulverization of the negative electrode. It will be possible to suppress it. However, in the technique disclosed in Patent Document 1, in order to recover the cycle characteristics of a battery including gallium metal or a gallium alloy having a melting point of 60 ° C. or lower as a negative electrode active material (hereinafter referred to as “gallium battery”). In addition, a heating means for setting the negative electrode to a temperature higher than the melting point of gallium metal or gallium alloy, a power source for the heating means, and the like are required. Therefore, the technique disclosed in Patent Document 1 has a problem that the process for recovering the cycle characteristics is likely to be complicated.

そこで本発明は、電池のサイクル特性を従来よりも容易に向上させることが可能なガリウム電池を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a gallium battery capable of improving the cycle characteristics of the battery more easily than in the past.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、正極層、ガリウム金属及び／又はガリウム合金を負極活物質として含む負極層、正極層と負極層との間に配設された電解質層、並びに、負極層を押圧する押圧手段、を備えることを特徴とする、ガリウム電池である。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention includes a positive electrode layer, a negative electrode layer containing gallium metal and / or a gallium alloy as a negative electrode active material, an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a pressing means for pressing the negative electrode layer. It is a gallium battery characterized by comprising.

ここに、「正極層」とは、負極層との間を移動する金属イオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む層をいう。本発明において、正極層と負極層との間を移動する金属イオンとしては、リチウムイオンのほか、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アルミニウムイオン等を例示することができる。また、「ガリウム合金」とは、ガリウムと他の元素（例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等）との合金をいう。また、「電解質層」とは、正極層と負極層との間を移動する金属イオンを伝導する電解質を含む層をいう。電解質が液体の電解液である場合、電解質層は、多孔体であるセパレータに電解液（例えば、非水電解液）を含浸させることによって構成した層、とすることができる。このほか、電解質が固体電解質の場合、電解質層はセパレータが備えられない形態とすることも可能である。   Here, the “positive electrode layer” refers to a layer containing a positive electrode active material capable of occluding and releasing metal ions moving between the negative electrode layers. In the present invention, examples of the metal ions that move between the positive electrode layer and the negative electrode layer include sodium ions, magnesium ions, calcium ions, aluminum ions and the like in addition to lithium ions. The “gallium alloy” refers to an alloy of gallium and another element (eg, Al, Zn, Sn, In, etc.). The “electrolyte layer” refers to a layer containing an electrolyte that conducts metal ions moving between the positive electrode layer and the negative electrode layer. When the electrolyte is a liquid electrolyte, the electrolyte layer can be a layer configured by impregnating a porous separator with an electrolyte (for example, a nonaqueous electrolyte). In addition, when the electrolyte is a solid electrolyte, the electrolyte layer can be configured not to include a separator.

また、上記本発明において、押圧手段によって、負極層が該負極層の厚さ方向へと押圧されることが好ましい。   In the present invention, the negative electrode layer is preferably pressed in the thickness direction of the negative electrode layer by the pressing means.

また、上記本発明において、電解質層と負極層との間に配設された、電解質層よりも質量が大きい多孔体が、押圧手段に含まれ、負極層が、上記多孔体よりも鉛直方向下側に配設されていても良い。   In the present invention, a porous body having a mass larger than that of the electrolyte layer, which is disposed between the electrolyte layer and the negative electrode layer, is included in the pressing unit, and the negative electrode layer is lower in the vertical direction than the porous body. It may be arranged on the side.

ここに、「電解質層よりも質量が大きい多孔体」とは、電解質層の鉛直方向下側に多孔体を配置した場合、多孔体よりも鉛直方向下側（多孔体と負極層との間）に電解質層が配置されない形態であることをいう。本発明における「多孔体」は、電解質層の厚さ方向に電解質を保持する空隙を有し、且つ、電解質層よりも単位体積当たりの質量が大きい多孔体であって、本発明のガリウム電池の使用時の環境に耐え得る物質であれば良い。押圧手段に含まれる多孔体としては、例えば、ブロック状のポリエチレン（ＰＥ）、ブロック状のポリプロピレン（ＰＰ）、及び、ブロック状の多孔質セラミックス等の絶縁性の多孔体のほか、金属メッシュや発泡金属等の電子伝導性を有する多孔体等を用いることができる。   Here, “a porous body having a mass larger than that of the electrolyte layer” means that when the porous body is arranged below the electrolyte layer in the vertical direction, it is vertically below the porous body (between the porous body and the negative electrode layer). In other words, the electrolyte layer is not disposed. The “porous body” in the present invention is a porous body having voids for holding the electrolyte in the thickness direction of the electrolyte layer and having a mass per unit volume larger than that of the electrolyte layer. Any substance that can withstand the environment during use may be used. Examples of the porous body included in the pressing means include an insulating porous body such as block-like polyethylene (PE), block-like polypropylene (PP), and block-like porous ceramics, as well as a metal mesh or foam. A porous body having electronic conductivity such as metal can be used.

また、上記本発明において、正極層、負極層、及び、電解質層を収容する筺体の内側に配設された弾性体が、押圧手段に含まれていても良い。   Moreover, in the said invention, the elastic body arrange | positioned inside the housing which accommodates a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer may be contained in the press means.

ここに、「弾性体」とは、ゴムやバネ、形状記憶合金等に代表される、公知の弾性体であって、本発明のガリウム電池の使用環境に耐え得る物質をいう。   Here, the “elastic body” is a known elastic body typified by rubber, spring, shape memory alloy and the like and can withstand the usage environment of the gallium battery of the present invention.

また、上記本発明において、正極層に、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が含まれることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that the positive electrode active material which can occlude-release lithium ion is contained in the positive electrode layer.

本発明のガリウム電池は、負極層を押圧する押圧手段を有している。そのため、本発明によれば、放電時に微粉化された負極活物質を含む負極層を押圧することによって、負極活物質間の電子伝導性を確保することが容易になる。したがって、本発明によれば、電池のサイクル特性を従来よりも容易に向上させることが可能な、ガリウム電池を提供することができる。   The gallium battery of the present invention has a pressing means for pressing the negative electrode layer. Therefore, according to this invention, it becomes easy to ensure the electronic conductivity between negative electrode active materials by pressing the negative electrode layer containing the finely divided negative electrode active material at the time of discharge. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a gallium battery capable of improving the cycle characteristics of the battery more easily than in the past.

また、上記本発明において、押圧手段によって、負極層が該負極層の厚さ方向へと押圧されることにより、上記効果に加えて、本発明のガリウム電池を容易に製造することが可能になる。   In the present invention, the negative electrode layer is pressed in the thickness direction of the negative electrode layer by the pressing means, and in addition to the above effects, the gallium battery of the present invention can be easily manufactured. .

また、上記本発明において、多孔体が押圧手段に含まれ、多孔体よりも鉛直方向下側に負極層が配設されていることにより、負極活物質を負極層の厚さ方向へ押圧することができるので、電池のサイクル特性を容易に向上させることが可能になる。   In the present invention, the porous body is included in the pressing means, and the negative electrode layer is disposed below the porous body in the vertical direction, whereby the negative electrode active material is pressed in the thickness direction of the negative electrode layer. Therefore, it becomes possible to easily improve the cycle characteristics of the battery.

また、上記本発明において、正極層、負極層、及び、電解質層を収容する筺体の内側に配設された弾性体が、押圧手段に含まれていても、負極層を押圧することができるので、電池のサイクル特性を容易に向上させることが可能になる。   Moreover, in the said invention, even if the elastic body arrange | positioned inside the housing which accommodates a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer is contained in a press means, since a negative electrode layer can be pressed, The cycle characteristics of the battery can be easily improved.

また、上記本発明において、正極層に、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が含まれることにより、上記効果に加えて、出力密度及びエネルギー密度を高めたガリウム電池を提供することができる。   Moreover, in the said invention, the positive electrode layer contains the positive electrode active material which can occlude / release lithium ion, In addition to the said effect, the gallium battery which raised the output density and energy density can be provided.

本発明のガリウム電池１０の断面図である。It is sectional drawing of the gallium battery 10 of this invention. 本発明のガリウム電池２０の断面図である。It is sectional drawing of the gallium battery 20 of this invention. 本発明のガリウム電池３０を説明する図である。It is a figure explaining the gallium battery 30 of this invention.

サイクル特性を改善したリチウムイオン二次電池として、これまでに、負極層にガリウム金属やガリウム合金を含むガリウム電池が提案されている。しかしながら、充電時にガリウムとリチウムとが結合し固体状態になって負極が膨張する一方、放電時に固体からリチウムが離脱し収縮して負極活物質が微粉化するガリウム電池では、充放電を繰り返すと、微粉化した負極活物質間の電子伝導性を確保することが困難になる虞がある。微粉化した負極活物質間の電子伝導性は、負極活物質間の距離を縮めることによって改善することが可能になると考えられる。そのため、負極を圧縮する手段を備えた形態のガリウム電池とすることで、微粉化した負極活物質間の電子伝導性を確保することが容易になり、その結果、サイクル特性を向上させることが可能になると考えられる。   As lithium ion secondary batteries with improved cycle characteristics, gallium batteries containing gallium metal or gallium alloy in the negative electrode layer have been proposed so far. However, while charging, gallium and lithium combine to become a solid state and the negative electrode expands, while in the gallium battery in which lithium is released from the solid and shrinks and the negative electrode active material is pulverized, when charging and discharging are repeated, It may be difficult to ensure electronic conductivity between the finely divided negative electrode active materials. It is considered that the electronic conductivity between the finely divided negative electrode active materials can be improved by reducing the distance between the negative electrode active materials. Therefore, by using a gallium battery with a means for compressing the negative electrode, it becomes easy to ensure electronic conductivity between the finely divided negative electrode active materials, and as a result, cycle characteristics can be improved. It is thought that it becomes.

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、電池のサイクル特性を従来よりも容易に向上させることが可能なガリウム電池を提供することを、主な要旨とする。   The present invention has been made based on such knowledge. The main gist of the present invention is to provide a gallium battery in which the cycle characteristics of the battery can be improved more easily than before.

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。特に断らない限り、以下に示す図面では、図面の上下方向が鉛直方向である。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。   The present invention will be described below with reference to the drawings. Unless otherwise specified, in the drawings shown below, the vertical direction of the drawings is the vertical direction. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.

図１は、第１実施形態にかかる本発明のガリウム電池１０を簡略化して示す断面図である。図１に示すように、ガリウム電池１０は、図１の紙面下側から順に、負極層１と、負極層１に接触している多孔体２と、多孔体２に接触している電解質層３と、電解質層３に接触している正極層４とを備え、さらに、これらを収容する筐体５を備えている。負極層１の負極活物質にはガリウム金属が含まれており、正極層４にはリチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が含まれている。負極層１及び正極層４は、それぞれ、集電体（不図示）と接触している。ガリウム電池１０における押圧手段として機能する多孔体２は、電解質を充填可能な複数の空隙を有しており、これらの空隙には、リチウムイオン伝導性を有する電解液が保持されている。電解質層３は多孔体によって構成されるセパレータを有し、当該セパレータに電解液が保持されている。ガリウム電池１０において、多孔体２は、電解質層３よりも密度が高く、図１の紙面上下方向に移動可能に構成されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a gallium battery 10 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the gallium battery 10 includes a negative electrode layer 1, a porous body 2 in contact with the negative electrode layer 1, and an electrolyte layer 3 in contact with the porous body 2 in order from the lower side of FIG. And a positive electrode layer 4 that is in contact with the electrolyte layer 3, and further a housing 5 that accommodates them. The negative electrode active material of the negative electrode layer 1 contains gallium metal, and the positive electrode layer 4 contains a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions. Each of the negative electrode layer 1 and the positive electrode layer 4 is in contact with a current collector (not shown). The porous body 2 that functions as a pressing means in the gallium battery 10 has a plurality of voids that can be filled with an electrolyte, and an electrolyte solution having lithium ion conductivity is held in these voids. The electrolyte layer 3 has a separator composed of a porous body, and an electrolytic solution is held in the separator. In the gallium battery 10, the porous body 2 has a higher density than the electrolyte layer 3 and is configured to be movable in the vertical direction on the paper surface of FIG. 1.

ガリウム電池１０のようなガリウム電池では、充電時に、負極層に含有されているガリウム金属とリチウムとが反応することにより、ガリウム及びリチウムを含有するガリウム−リチウム合金が生成される。こうして合金が生成されると、負極層は膨張する。これに対し、ガリウム電池の放電時にガリウム−リチウム合金からリチウムイオンが引き抜かれると、負極活物質が微粉化しやすく、負極層は収縮しやすい。したがって、ガリウム電池の充放電が繰り返されると、負極層の膨張収縮が繰り返されるため、負極層に含有されている負極活物質間の電子の伝導経路（電子伝導パス）を確保し難くなり、その結果、サイクル特性の維持が困難になる。   In a gallium battery such as the gallium battery 10, a gallium-lithium alloy containing gallium and lithium is generated by the reaction between gallium metal and lithium contained in the negative electrode layer during charging. When the alloy is thus produced, the negative electrode layer expands. On the other hand, when lithium ions are extracted from the gallium-lithium alloy during discharge of the gallium battery, the negative electrode active material is easily pulverized and the negative electrode layer is easily contracted. Therefore, when charging / discharging of the gallium battery is repeated, expansion and contraction of the negative electrode layer are repeated, so that it becomes difficult to secure an electron conduction path (electron conduction path) between the negative electrode active materials contained in the negative electrode layer. As a result, it becomes difficult to maintain cycle characteristics.

かかる問題を解決するため、ガリウム電池１０は、多孔体２が備えられる形態としている。多孔体２が備えられることにより、リチウムが引き抜かれて負極層１が収縮しても、多孔体２によって負極層１を厚さ方向（図１の紙面上下方向）へ圧縮することができる。こうして負極層１を圧縮すると、微粉化した負極活物質間の距離を短くすることができるので、電子伝導パスを確保することが容易になり、その結果、サイクル特性を向上させることが可能になる。このように、ガリウム電池１０によれば、筺体５に収容されている多孔体２を用いてサイクル特性を向上させるので、サイクル特性を向上させるための加温手段や電源等を必要としない。したがって、本発明によれば、電池のサイクル特性を従来よりも容易に向上させることが可能なガリウム電池１０を提供することができる。   In order to solve such a problem, the gallium battery 10 is configured to include the porous body 2. By providing the porous body 2, even if lithium is extracted and the negative electrode layer 1 contracts, the negative electrode layer 1 can be compressed in the thickness direction (up and down direction in FIG. 1) by the porous body 2. When the negative electrode layer 1 is compressed in this way, the distance between the finely divided negative electrode active materials can be shortened, so that it is easy to secure an electron conduction path, and as a result, cycle characteristics can be improved. . Thus, according to the gallium battery 10, the cycle characteristics are improved using the porous body 2 accommodated in the casing 5, so that a heating means and a power source for improving the cycle characteristics are not required. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide the gallium battery 10 capable of improving the cycle characteristics of the battery more easily than in the past.

ガリウム電池１０において、負極層１は、負極活物質として機能するガリウム金属を含有していれば良く、ガリウム金属に加えて、リチウムイオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質、リチウムイオン伝導性を有する公知の固体電解質、電子伝導パスを形成しやすくする公知の導電助剤、及び、これらの物質を結着させる公知の結着剤等が含有されていても良い。これらの物質によって構成される負極層１は、公知の方法によって作製することができる。   In the gallium battery 10, the negative electrode layer 1 only needs to contain a gallium metal that functions as a negative electrode active material. In addition to the gallium metal, a known negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions, a lithium ion conductivity. It may contain a known solid electrolyte, a known conductive aid that facilitates the formation of an electron conduction path, a known binder that binds these substances, and the like. The negative electrode layer 1 composed of these substances can be produced by a known method.

また、多孔体２は、負極層１と正極層４との間でリチウムイオンが移動可能な形態で電解液を保持する複数の空隙を有し、且つ、電解質層３に備えられるセパレータよりも単位体積当たりの質量が重い（密度が大きい）、ガリウム電池１０の作動時の環境に耐え得る多孔体によって構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。多孔体２としては、ブロック状の多孔質ポリエチレンや多孔質ポリプロピレンのほか、ブロック状の多孔質セラミックス等の絶縁性物質を用いることができる。   In addition, the porous body 2 has a plurality of voids that hold the electrolytic solution in a form in which lithium ions can move between the negative electrode layer 1 and the positive electrode layer 4, and is more unit than the separator provided in the electrolyte layer 3. The configuration is not particularly limited as long as the mass per volume is heavy (the density is high) and the porous body can withstand the environment during operation of the gallium battery 10. As the porous body 2, in addition to block-like porous polyethylene and porous polypropylene, insulating materials such as block-like porous ceramics can be used.

また、ガリウム電池１０において、電解質層３に備えられるセパレータの形態は特に限定されるものではなく、例えば、リチウムイオン二次電池で使用可能な公知のセパレータを適宜用いることができる。さらに、ガリウム電池１０において、多孔体２及びセパレータに保持される電解液も特に限定されるものではなく、ガリウム電池で使用可能な公知の電解液を適宜用いることができる。   Moreover, in the gallium battery 10, the form of the separator provided in the electrolyte layer 3 is not particularly limited, and for example, a known separator that can be used in a lithium ion secondary battery can be appropriately used. Furthermore, in the gallium battery 10, the electrolyte solution held in the porous body 2 and the separator is not particularly limited, and a known electrolyte solution that can be used in the gallium battery can be appropriately used.

また、正極層４は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含有していれば良く、正極活物質に加えて、リチウムイオン伝導性を有する公知の固体電解質、電子伝導パスを形成しやすくする公知の導電助剤、及び、これらの物質を結着させる公知の結着剤等が含有されていても良い。ガリウム電池１０において、正極活物質は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４やＬｉＦｅＰＯ４等に代表される公知の正極活物質を適宜用いることができ、これらの物質によって構成される正極層４は、公知の方法によって作製することができる。 Moreover, the positive electrode layer 4 should just contain the positive electrode active material which can occlude / release lithium ion, and in addition to a positive electrode active material, it is easy to form the well-known solid electrolyte which has lithium ion conductivity, and an electronic conduction path | pass. And a known binder that binds these substances may be contained. In the gallium battery 10, known positive electrode active materials represented by LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4, and the like can be appropriately used as the positive electrode active material, and the positive electrode layer 4 composed of these materials is known. It can produce by this method.

また、ガリウム電池１０において、筺体５の形態は特に限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池で使用可能な公知の筺体を適宜用いることができる。   In the gallium battery 10, the form of the casing 5 is not particularly limited, and a known casing that can be used in a lithium ion secondary battery can be appropriately used.

ガリウム電池１０に関する上記説明では、ガリウム金属を含む負極層１が備えられる形態について言及したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではない。本発明のガリウム電池を構成する負極層は、ガリウムと他の元素（例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等）とを含有するガリウム合金が負極活物質として含まれる形態とすることも可能である。   In the above description regarding the gallium battery 10, the form in which the negative electrode layer 1 containing gallium metal is provided has been described, but the gallium battery of the present invention is not limited to this form. The negative electrode layer constituting the gallium battery of the present invention may be configured such that a gallium alloy containing gallium and another element (for example, Al, Zn, Sn, In, etc.) is included as the negative electrode active material. .

また、ガリウム電池１０に関する上記説明では、多孔質の絶縁性物質によって構成される多孔体２について言及したが、本発明のガリウム電池における押圧手段として機能する多孔体は、絶縁性物質によって構成される形態に限定されるものではない。本発明において、多孔体は、導電性物質によって構成することも可能である。そこで、導電性物質によって構成される多孔体が備えられる本発明のガリウム電池を、以下に説明する。   In the above description regarding the gallium battery 10, the porous body 2 made of a porous insulating material has been described. However, the porous body functioning as a pressing means in the gallium battery of the present invention is made of an insulating material. The form is not limited. In the present invention, the porous body can be composed of a conductive material. Then, the gallium battery of this invention provided with the porous body comprised with an electroconductive substance is demonstrated below.

図２は、第２実施形態にかかる本発明のガリウム電池２０を簡略化して示す断面図である。図２において、ガリウム電池１０と同様に構成されるものには、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。   FIG. 2 is a simplified cross-sectional view of the gallium battery 20 of the present invention according to the second embodiment. In FIG. 2, components similar to those of the gallium battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and description thereof is omitted as appropriate.

図２に示すように、ガリウム電池２０は、図２の紙面下側から順に、負極層１と、負極層１に接触している多孔体２１と、多孔体２１に接触している電解質層３と、電解質層３に接触している正極層４とを備え、さらに、これらを収容する筐体５を備えている。ガリウム電池２０における押圧手段として機能する多孔体２１は、網目状のステンレス鋼によって構成されており、多孔体２１に備えられている複数の隙間には、電解液が保持されている。   As shown in FIG. 2, the gallium battery 20 includes a negative electrode layer 1, a porous body 21 in contact with the negative electrode layer 1, and an electrolyte layer 3 in contact with the porous body 21 in order from the lower side of FIG. And a positive electrode layer 4 that is in contact with the electrolyte layer 3, and further a housing 5 that accommodates them. The porous body 21 functioning as a pressing means in the gallium battery 20 is made of mesh-like stainless steel, and an electrolytic solution is held in a plurality of gaps provided in the porous body 21.

導電性物質によって構成される多孔体２１が備えられていても、絶縁性物質によって構成される多孔体２を有するガリウム電池１０と同様に、負極層１を厚さ方向（図２の紙面上下方向）へ圧縮することができる。そのため、ガリウム電池２０によっても、電池のサイクル特性を容易に向上させることができる。   Even if the porous body 21 made of a conductive material is provided, the negative electrode layer 1 is formed in the thickness direction (vertical direction in FIG. 2) as in the gallium battery 10 having the porous body 2 made of an insulating material. ). Therefore, even with the gallium battery 20, the cycle characteristics of the battery can be easily improved.

上述のように、ガリウム電池２０では、多孔体２１と負極層１とが接触しており、多孔体２１は導電性物質によって構成されている。そのため、ガリウム電池２０では、多孔体２１に集電体としての機能を担わせることも可能である。多孔体２１に集電体としての機能を担わせる場合には、ガリウム電池１０の負極層１に接触させていた集電体（不図示）を省略することができる。   As described above, in the gallium battery 20, the porous body 21 and the negative electrode layer 1 are in contact with each other, and the porous body 21 is made of a conductive material. Therefore, in the gallium battery 20, the porous body 21 can also function as a current collector. When the porous body 21 has a function as a current collector, the current collector (not shown) in contact with the negative electrode layer 1 of the gallium battery 10 can be omitted.

ガリウム電池２０に関する上記説明では、網目状のステンレス鋼によって構成した多孔体２１について言及したが、本発明のガリウム電池に、導電性材料によって構成される多孔体が押圧手段として備えられる場合、当該押圧手段の形態は、網目状のステンレス鋼に限定されるものではない。導電性材料によって構成される多孔体は、ガリウム電池の使用環境に耐え得る導電性材料によって構成されていれば良く、負極層と正極層との間でリチウムイオンが移動可能な形態で電解質を保持する空間を有していれば良い。このような多孔体は、公知の金属によって構成した金属メッシュや発泡金属等、公知の金属多孔体によって構成することができる。   In the above description of the gallium battery 20, the porous body 21 made of mesh-like stainless steel has been mentioned. However, when the gallium battery of the present invention is provided with a porous body made of a conductive material as the pressing means, the pressing The form of the means is not limited to the mesh-like stainless steel. The porous body made of a conductive material only needs to be made of a conductive material that can withstand the usage environment of the gallium battery, and holds the electrolyte in a form in which lithium ions can move between the negative electrode layer and the positive electrode layer. What is necessary is just to have the space to do. Such a porous body can be formed of a known metal porous body such as a metal mesh or a foam metal made of a known metal.

本発明のガリウム電池１０、２０に関する上記説明では、電解質層と負極層との間に、押圧手段として機能する多孔体２、２１が備えられる形態について言及したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではない。そこで、多孔体以外の押圧手段が備えられる形態について、以下に説明する。   In the above description regarding the gallium batteries 10 and 20 of the present invention, the form in which the porous bodies 2 and 21 functioning as the pressing means are provided between the electrolyte layer and the negative electrode layer. It is not limited to. Then, the form with which press means other than a porous body is provided is demonstrated below.

図３は、第３実施形態にかかる本発明のガリウム電池３０を簡略化して示す図である。図３において、ガリウム電池１０と同様に構成されるものには、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。   FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a gallium battery 30 according to the third embodiment of the present invention. 3, components similar to those of the gallium battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and description thereof is omitted as appropriate.

図３に示すように、ガリウム電池３０は、図３の紙面下側から順に、バネ３１、３１、３１（以下において、単に「バネ３１」という。）と、バネ３１に接触している負極層１と、負極層１に接触している電解質層３と、電解質層３に接触している正極層４とを備え、さらに、これらを収容する筺体５を備えている。ガリウム電池３０において、バネ３１は押圧手段として機能する。   As shown in FIG. 3, a gallium battery 30 includes springs 31, 31, 31 (hereinafter simply referred to as “spring 31”) and a negative electrode layer in contact with the spring 31 in order from the lower side of FIG. 1, an electrolyte layer 3 that is in contact with the negative electrode layer 1, and a positive electrode layer 4 that is in contact with the electrolyte layer 3, and a casing 5 that houses them. In the gallium battery 30, the spring 31 functions as a pressing means.

負極層１の下側にバネ３１が備えられていても、負極層１を厚さ方向（図３の紙面上下方向）へ圧縮することができる。そのため、ガリウム電池３０によっても、電池のサイクル特性を容易に向上させることができる。   Even if the spring 31 is provided on the lower side of the negative electrode layer 1, the negative electrode layer 1 can be compressed in the thickness direction (up and down direction in FIG. 3). Therefore, even with the gallium battery 30, the cycle characteristics of the battery can be easily improved.

ガリウム電池３０において、バネ３１は、ガリウム電池３０の使用環境に耐え得る材料によって、負極層１へ圧力を付与可能に構成されていれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知のバネを適宜用いることができる。また、本発明のガリウム電池に、押圧手段として機能する弾性体が備えられる場合、弾性体の形態はバネに限定されるものではなく、公知のゴムや形状記憶合金等、他の形態とすることも可能である。   In the gallium battery 30, the shape of the spring 31 is not particularly limited as long as the spring 31 is configured to be able to apply pressure to the negative electrode layer 1 by a material that can withstand the usage environment of the gallium battery 30. Can be used as appropriate. In addition, when the gallium battery of the present invention is provided with an elastic body that functions as a pressing means, the form of the elastic body is not limited to a spring, and other forms such as a known rubber or a shape memory alloy are used. Is also possible.

また、本発明に関する上記説明では、押圧手段によって負極層がその厚さ方向へと押圧される形態を例示したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではない。本発明のガリウム電池は、負極層をその厚さ方向と交差する方向に圧縮可能な押圧手段が備えられる形態とすることも可能である。このような押圧手段が備えられていても、微粉化した負極活物質間の距離を短くすることができるので、電池のサイクル特性を容易に向上させることができる。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the form by which a negative electrode layer is pressed to the thickness direction by the press means was illustrated, the gallium battery of this invention is not limited to the said form. The gallium battery of the present invention can be configured to include a pressing means capable of compressing the negative electrode layer in a direction crossing the thickness direction. Even if such a pressing means is provided, the distance between the finely divided negative electrode active materials can be shortened, so that the cycle characteristics of the battery can be easily improved.

また、本発明に関する上記説明では、押圧手段として、絶縁性物質によって構成された多孔体２、導電性物質によって構成された多孔体２１、及び、弾性体（バネ３１）を例示したが、本発明における押圧手段は、これらの形態に限定されるものではない。本発明では、例えば、ガリウム電池３０でバネ３１が配設されている空間へ、バネ３１とともに、又は、バネ３１に代えて、圧縮された流体（例えば高圧ガス等）を充填し、当該圧縮された流体を本発明における押圧手段として機能させることにより、負極層１へ圧力を付与する形態とすることも可能である。   In the above description regarding the present invention, the porous body 2 made of an insulating material, the porous body 21 made of a conductive material, and the elastic body (spring 31) are exemplified as the pressing means. The pressing means is not limited to these forms. In the present invention, for example, a space in which the spring 31 is disposed in the gallium battery 30 is filled with a compressed fluid (for example, high-pressure gas) together with the spring 31 or instead of the spring 31, and the space is compressed. It is also possible to apply a pressure to the negative electrode layer 1 by causing the fluid to function as the pressing means in the present invention.

また、本発明に関する上記説明では、負極層１が正極層４よりも鉛直方向下側に配設されている形態を例示したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではなく、正極層よりも鉛直方向上側に負極層を配設した形態とすることも可能である。   In the above description of the present invention, the negative electrode layer 1 is illustrated as being disposed vertically below the positive electrode layer 4, but the gallium battery of the present invention is not limited to this form. It is also possible to adopt a form in which the negative electrode layer is disposed above the positive electrode layer in the vertical direction.

また、本発明に関する上記説明では、負極層１と正極層４との間に電解液が充填される形態を例示したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではない。本発明のガリウム電池は、負極層と正極層との間に配設された公知の固体電解質やゲル状電解質によって、負極層と正極層との間のイオン伝導が確保される形態とすることも可能である。負極層と正極層との間に固体電解質が配設される場合、電解質層はセパレータを有しない形態とすることも可能である。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the form with which electrolyte solution was filled between the negative electrode layer 1 and the positive electrode layer 4 was illustrated, the gallium battery of this invention is not limited to the said form. The gallium battery of the present invention may be configured such that ionic conduction between the negative electrode layer and the positive electrode layer is ensured by a known solid electrolyte or gel electrolyte disposed between the negative electrode layer and the positive electrode layer. Is possible. In the case where a solid electrolyte is disposed between the negative electrode layer and the positive electrode layer, the electrolyte layer may have a configuration without a separator.

また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が正極層１に含有されている形態を例示したが、本発明のガリウム電池は当該形態に限定されるものではない。本発明は、ガリウム金属及び／又はガリウム合金を含む負極活物質が、充電時に膨張し、放電時に収縮して微粉化する形態の電池に適用可能であり、そのような電池の正極層と負極層との間を移動する金属イオンとしては、リチウムイオンのほか、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アルミニウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外の金属イオンが負極層と正極層との間を移動する場合、負極活物質は、当該金属イオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができ、正極活物質は、当該金属イオンを吸蔵放出可能な公知の正極活物質を適宜用いることができる。ただし、出力密度及びエネルギー密度を高めたガリウム電池を提供しやすい形態にする等の観点からは、負極層と正極層との間をリチウムイオンが移動する形態とすることが好ましく、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が備えられる形態とすることが好ましい。   Moreover, in the said description regarding this invention, although the positive electrode active material which can occlude / release lithium ion was illustrated in the positive electrode layer 1, the gallium battery of this invention is not limited to the said form. The present invention can be applied to a battery in which a negative electrode active material containing gallium metal and / or a gallium alloy expands at the time of charging and contracts and pulverizes at the time of discharging. The positive electrode layer and the negative electrode layer of such a battery Examples of metal ions that move between and include sodium ions, magnesium ions, calcium ions, and aluminum ions in addition to lithium ions. When metal ions other than lithium ions move between the negative electrode layer and the positive electrode layer, as the negative electrode active material, a known negative electrode active material capable of occluding and releasing the metal ion can be appropriately used. A known positive electrode active material capable of occluding and releasing the metal ion can be appropriately used. However, from the viewpoint of easily providing a gallium battery with increased output density and energy density, it is preferable that lithium ions move between the negative electrode layer and the positive electrode layer, and occlude lithium ions. It is preferable that the positive electrode active material that can be released is provided.

本発明のガリウム電池は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用することができる。   The gallium battery of the present invention can be used for electric vehicles and hybrid vehicles.

１…負極層
２…多孔体（押圧手段）
３…電解質層
４…正極層
５…筺体
１０…ガリウム電池
２０…ガリウム電池
２１…多孔体（押圧手段）
３０…ガリウム電池
３１…バネ（弾性体、押圧手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode layer 2 ... Porous body (pressing means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Electrolyte layer 4 ... Positive electrode layer 5 ... Housing 10 ... Gallium battery 20 ... Gallium battery 21 ... Porous body (pressing means)
30 ... Gallium battery 31 ... Spring (elastic body, pressing means)

Claims (5)

正極層、ガリウム金属及び／又はガリウム合金を負極活物質として含む負極層、前記正極層と前記負極層との間に配設された電解質層、並びに、前記負極層を押圧する押圧手段、を備えることを特徴とする、ガリウム電池。 A positive electrode layer, a negative electrode layer containing gallium metal and / or gallium alloy as a negative electrode active material, an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a pressing means for pressing the negative electrode layer. A gallium battery. 前記押圧手段によって、前記負極層が、該負極層の厚さ方向へと押圧されることを特徴とする、請求項１に記載のガリウム電池。 The gallium battery according to claim 1, wherein the negative electrode layer is pressed in the thickness direction of the negative electrode layer by the pressing means. 前記電解質層と前記負極層との間に配設された、前記電解質層よりも質量が大きい多孔体が、前記押圧手段に含まれ、前記負極層が、前記多孔体よりも鉛直方向下側に配設されていることを特徴とする、請求項２に記載のガリウム電池。 A porous body that is disposed between the electrolyte layer and the negative electrode layer and has a mass larger than that of the electrolyte layer is included in the pressing unit, and the negative electrode layer is located vertically below the porous body. The gallium battery according to claim 2, wherein the gallium battery is arranged. 前記正極層、前記負極層、及び、前記電解質層を収容する筺体の内側に配設された弾性体が、前記押圧手段に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガリウム電池。 4. The elastic member disposed inside a housing that accommodates the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the electrolyte layer is included in the pressing unit. 5. The gallium battery described in 1. 前記正極層に、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質が含まれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガリウム電池。 The gallium battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode layer contains a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions.
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