JP2011198495A - ガリウム電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の容量低下を抑制することが可能なガリウム電池を提供する。
【解決手段】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、並びに、正極層と負極層との間に配設された電解質層を備え、該電解質層は、電解質と該電解質を保持する高分子セパレータとを有し、電解質層と負極層との間に金属多孔体が配設されていることを特徴とする、ガリウム電池とする。
【選択図】図１

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。

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。

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。

特開２００１−２５０５４３号公報

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、液体金属であるガリウム又はガリウム合金を用いているため、非水電解質を含浸したセパレータと液体金属とが接触すると、セパレータに液体金属が付着しやすい。こうしてセパレータに液体金属が付着すると、負極層に含有されていた負極活物質の量が減少するため、電池の容量が低下しやすい。すなわち、特許文献１に開示されている技術には、電池の容量が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、電池の容量低下を抑制す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。

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、並びに、正極層と負極層との間に配設された電解質層を備え、該電解質層は、電解質と該電解質を保持する高分子セパレータとを有し、電解質層と負極層との間に金属多孔体が配設されていることを特徴とする、ガリウム電池である。

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、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、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。本発明において、「電解質」は、液体の電解液のほか、固体電解質やゲル状電解質を用いることができる。また、「高分子セパレータ」とは、少なくとも負極層と接触する部位が高分子によって構成されているセパレータをいう。

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。

本発明のガリウム電池は、高分子セパレータと負極層との間に金属多孔体が配設されている。そのため、本発明によれば、液状のガリウム金属及び／又はガリウム合金が高分子セパレータに付着する事態を抑制することができる。また、高分子セパレータと比較して、金属多孔体は液状のガリウム金属やガリウム合金を弾きやすいので、金属多孔体の表面に残存する液状のガリウム金属やガリウム合金の量を低減することができる。こうして、金属多孔体の表面に残存する液状のガリウム金属やガリウム合金の量を低減すると、負極層に含有されているガリウム金属及び／又はガリウム合金の量の減少を抑制することが可能になるので、電池容量の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、電池の容量低下を抑制することが可能な、ガリウム電池を提供することができる。

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。

本発明のガリウム電池１０の断面図である。 従来のガリウム電池９０の断面図である。

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（以下において、これらをまとめて「液体金属」ということがある。）を含み、且つ、電解質を保持させた高分子セパレータを正極層と負極層との間に配設したガリウム電池が提案されている。しかしながら、負極層と正極層との間に配設される電解質層を、高分子セパレータに電解質を保持させた形態にすると、液体金属が高分子セパレータに付着しやすく、負極層に含有されるべき負極活物質の量が減少する結果、電池の容量が低下しやすい。このような事態は、負極層以外の層を構成する物質への液体金属の付着を抑制す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。本発明者は、負極層と高分子セパレータを備える電解質層との間に金属多孔体を配設することにより、負極層以外の層を構成する物質への液体金属の付着を抑制することが可能になることを知見し、本発明を完成させた。

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、電池の容量低下を抑制す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。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。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。

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に接触している金属多孔体２と、金属多孔体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。金属多孔体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高分子セパレータを有し、当該高分子セパレータに電解液が保持されている。

図２は、従来のガリウム電池９０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。図２に示すように、ガリウム電池９０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。このように構成されるガリウム電池９０では、負極層１に含有されている液体金属が電解質層３側へと移動すると、電解質層３を構成する高分子セパレータに付着しやすいため、負極層１における負極活物質の量が減少しやすい。負極活物質の量が減少すると、電池の容量が低下するため、従来のガリウム電池９０は電池の容量が低下しやすかった。

これに対し、ガリウム電池１０では、負極層１と電解質層３との間に金属多孔体２が配設されているので、負極層１に含有されている液体金属が電解質層３の高分子セパレータに付着する事態を抑制することができる。さらに、金属多孔体２は高分子セパレータよりも液体金属が表面に付着し難い。そのため、負極層１に含有されている液体金属が金属多孔体２側へと移動しても、液体金属の多くは当該金属多孔体２の表面で弾かれるので、金属多孔体２へと付着する液体金属の量を、高分子セパレータに付着していた液体金属の量よりも低減することができる。このように、ガリウム電池１０によれば、負極活物質の減少量を低減することが可能になるので、本発明によれば、電池の容量低下を抑制することが可能な、ガリウム電池１０を提供することができる。

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、他のリチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質、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。

また、金属多孔体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、ガリウム電池１０の作動時の環境に耐え得る金属の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。金属多孔体２の構成材料としては、ステンレス鋼等に代表される高耐食性金属を例示することができる。金属多孔体２は、例えば、発泡金属や網目状金属（金属メッシュ）等の公知の形態とすることができる。

また、ガリウム電池１０において、電解質層３を構成する高分子セパレータは、例えば、多孔質ポリエチレンや多孔質ポリプロピレン等、リチウムイオン二次電池で使用可能な公知の高分子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、金属多孔体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。

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、ＬｉＣｏＯ_２やＬｉＭｎ_２Ｏ_４やＬｉＦｅＰＯ_４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。

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。

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。

また、本発明に関する上記説明では、正極層４の下側に負極層１が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、正極層の上側に負極層を配設した形態とすることも可能である。

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。

また、本発明に関する上記説明では、金属多孔体２と接触している負極層１が集電体にも接触し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。本発明のガリウム電池は、金属多孔体２を集電体として機能させることも可能であり、この場合、金属多孔体２以外の負極層１に接触する集電体が備えられない形態とすることも可能である。

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、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、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。

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。

１…負極層
２…金属多孔体
３…電解質層
４…正極層
５…筺体
１０、９０…ガリウム電池

Claims (2)

1. 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、並びに、前記正極層と前記負極層との間に配設された電解質層を備え、該電解質層は、電解質と該電解質を保持する高分子セパレータとを有し、前記電解質層と前記負極層との間に金属多孔体が配設されていることを特徴とする、ガリウム電池。
2. 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に記載のガリウム電池。

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