JP2013058405A - Lithium ion oxygen cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン酸素電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion oxygen battery.
従来、活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を含む正極と、活物質としてグラファイトを含む負極と、該正極と負極とに挟持されリチウムイオンを伝導可能な電解質層とを備えるリチウムイオン二次電池が知られている。前記リチウムイオン二次電池では、前記正極又は負極において、充放電に伴ってリチウムイオンがリン酸鉄リチウム又はグラファイトに吸蔵又は放出(インターカレーション又はデインターカレーション)されることにより電池として作用する。 Conventionally, a lithium ion secondary comprising a positive electrode containing lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as an active material, a negative electrode containing graphite as an active material, and an electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting lithium ions. Batteries are known. In the lithium ion secondary battery, the lithium ion is occluded or released (intercalation or deintercalation) in lithium iron phosphate or graphite in accordance with charge / discharge in the positive electrode or the negative electrode, thereby acting as a battery. .
ところが、前記リン酸鉄リチウムは、放出(デインターカレーション)されるリチウム量が増大すると結晶構造を維持することができなくなるために、理論容量が150mAh/gであるのに対し、通常利用できる容量は120〜140mAh/gと考えられている。一方、前記グラファイトは、その理論容量が372mAh/gであり、前記リン酸鉄リチウムにおいて通常利用できると考えられている容量の約3倍の容量を備えている。 However, since the lithium iron phosphate cannot maintain the crystal structure when the amount of lithium released (deintercalated) increases, the theoretical capacity is 150 mAh / g. The capacity is considered to be 120-140 mAh / g. On the other hand, the graphite has a theoretical capacity of 372 mAh / g, and has a capacity of about three times the capacity normally considered to be available in the lithium iron phosphate.
そこで、前記リチウムイオン電池は、電池を構成する際に、負極活物質の質量に対して、正極活物質の質量を約3倍とする必要があり、質量当たりのエネルギー密度を十分に大きくすることができないという問題がある。 Therefore, when the lithium ion battery is configured, it is necessary to make the mass of the positive electrode active material about 3 times the mass of the negative electrode active material, and sufficiently increase the energy density per mass. There is a problem that can not be.
前記問題を解決するために、酸素を活物質とすると共に酸化リチウム又は過酸化リチウムを含む正極と、活物質としてグラファイトを含む負極と、該正極と負極とに挟持されリチウムイオンを伝導可能な電解質層とを備えるリチウムイオン酸素電池が提案されている(例えば特許文献1参照)。前記リチウムイオン酸素電池において、前記正極は、活性炭素繊維を備えると共に大気に開放されており、大気中の酸素を該活性炭素繊維により酸化する。 In order to solve the above problems, a positive electrode containing oxygen as an active material and containing lithium oxide or lithium peroxide, a negative electrode containing graphite as an active material, and an electrolyte sandwiched between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting lithium ions A lithium ion oxygen battery including a layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the lithium ion oxygen battery, the positive electrode includes activated carbon fibers and is open to the atmosphere, and oxygen in the atmosphere is oxidized by the activated carbon fibers.
前記リチウムイオン酸素電池では、放電時には、次の式に示すように前記負極においてグラファイトに吸蔵(インターカレーション)されている金属リチウムがイオン化してリチウムイオンと電子が生成する。そして、生成したリチウムイオンは前記グラファイトから放出(デインターカレーション)されて、前記電解質層を透過して正極に移動する。 In the lithium ion oxygen battery, at the time of discharging, as shown in the following formula, metallic lithium occluded (intercalated) in the negative electrode is ionized to generate lithium ions and electrons. And the produced | generated lithium ion is discharge | released from the said graphite (deintercalation), permeate | transmits the said electrolyte layer, and moves to a positive electrode.
一方、正極においては、大気中から取り込まれた酸素が電子を受け取って酸素イオンとなり、前記リチウムイオンと反応して酸化リチウム又は過酸化リチウムを生成する。そこで、前記負極と正極とを導線で接続することにより、電気エネルギーを取り出すことができる。 On the other hand, in the positive electrode, oxygen taken in from the atmosphere receives electrons and becomes oxygen ions, and reacts with the lithium ions to generate lithium oxide or lithium peroxide. Therefore, electrical energy can be taken out by connecting the negative electrode and the positive electrode with a conductive wire.
(負極) 4Li → 4Li+ +4e−
(正極) O2 + 4e− → 2O2−
4Li+ + 2O2− → 2Li2O
2Li+ + 2O2− → Li2O2
また、充電時には、次の式に示すように前記正極において酸化リチウムまたは過酸化リチウムからリチウムイオンと電子と酸素とが生成し、生成したリチウムイオンは前記電解質層を透過して負極に移動する。そして、負極では前記リチウムイオンが電子を受け取り、金属リチウムとして析出する。析出した金属リチウムは、前記グラファイトに吸蔵(インターカレーション)される。
(Negative electrode) 4Li → 4Li + + 4e −
(Positive electrode) O 2 + 4e − → 2O 2−
4Li + + 2O 2− → 2Li 2 O
2Li + + 2O 2− → Li 2 O 2
Moreover, at the time of charge, as shown in the following formula, lithium ions, electrons, and oxygen are generated from lithium oxide or lithium peroxide in the positive electrode, and the generated lithium ions pass through the electrolyte layer and move to the negative electrode. In the negative electrode, the lithium ions receive electrons and are deposited as metallic lithium. The deposited metallic lithium is occluded (intercalated) into the graphite.
(正極) 2Li2O → 4Li+ + O2 + 4e−
Li2O2 → 2Li+ + O2 + 4e−
(負極) 4Li+ +4e− → 4Li
前記リチウムイオン酸素電池によれば、前記正極は大気中の酸素を活物質とするので、正極活物質の質量に制約を受けることが無く、質量当たりのエネルギー密度を増大させることができる。
(Positive electrode) 2Li 2 O → 4Li + + O 2 + 4e −
Li 2 O 2 → 2Li + + O 2 + 4e −
(Negative electrode) 4Li + + 4e − → 4Li
According to the lithium ion oxygen battery, since the positive electrode uses oxygen in the atmosphere as an active material, the mass of the positive electrode active material is not restricted and the energy density per mass can be increased.
ところが、前記従来のリチウムイオン酸素電池では、正極が大気に開放されているために、大気中に含まれる水分や二酸化炭素が電池内に侵入して各構成要素が劣化され、性能が低下するという問題がある。 However, in the conventional lithium ion oxygen battery, since the positive electrode is open to the atmosphere, moisture and carbon dioxide contained in the atmosphere enter the battery, and each component deteriorates, resulting in reduced performance. There's a problem.
前記問題を解決するために、前記従来のリチウムイオン酸素電池において、正極、負極及び電解質層を筐体に密封して収容すると共に、該正極が酸素貯蔵材料と酸化リチウム又は過酸化リチウムとを含むようにすることが考えられる。このようにするときには、前記正極において所要の酸素が前記酸素貯蔵材料から供給され、前記リチウムイオン酸素電池の各構成要素が大気中に含まれる水分や二酸化炭素により劣化されることがないので、性能の低下を回避して容量の大きなリチウムイオン酸素電池を得ることができるものと期待される。 In order to solve the above problem, in the conventional lithium ion oxygen battery, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are sealed and accommodated in a casing, and the positive electrode includes an oxygen storage material and lithium oxide or lithium peroxide. It is possible to do so. When doing so, the required oxygen is supplied from the oxygen storage material in the positive electrode, and each component of the lithium ion oxygen battery is not deteriorated by moisture or carbon dioxide contained in the atmosphere. It is expected that a lithium-ion oxygen battery having a large capacity can be obtained by avoiding the decrease of the battery.
しかしながら、前記従来のリチウムイオン酸素電池において、前記負極をグラファイトとしたのでは前述のようにその理論容量が372mAh/gであるので電池容量の増大に限りがあり、さらに大きな電池容量を備えるリチウムイオン酸素電池が望まれる。 However, in the conventional lithium ion oxygen battery, if the negative electrode is made of graphite, the theoretical capacity is 372 mAh / g as described above, so that the battery capacity is limited, and lithium ions having a larger battery capacity are available. An oxygen battery is desired.
本発明は、かかる事情に鑑み、大きな電池容量を得ることができるリチウムイオン酸素電池を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a lithium ion oxygen battery capable of obtaining a large battery capacity.
かかる目的を達成するために、本発明のリチウムイオン酸素電池は、酸素を活物質とすると共にリチウム源を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料を含む負極と、該正極と該負極とに挟持されリチウムイオンを伝導可能な電解質層を備えるリチウムイオン酸素電池において、該正極、負極及び電解質層は筐体に密封されて収容されていると共に、該正極は酸素貯蔵材料と、該リチウム源としてのリチウム化合物とを含み、該負極はリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料としてのシリコンを含むことを特徴とする。 To achieve this object, a lithium ion oxygen battery of the present invention includes a positive electrode containing oxygen as an active material and a lithium source, a negative electrode containing a material capable of inserting or extracting lithium ions, and the positive electrode and the negative electrode. A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer are sealed and accommodated in a casing, and the positive electrode includes an oxygen storage material, the lithium A lithium compound as a source, and the negative electrode contains silicon as a material capable of inserting or extracting lithium ions.
本発明のリチウムイオン酸素電池は、前記正極、負極及び電解質層が筐体に密封されて収容されているので、各構成要素が大気中に含まれる水分や二酸化炭素により劣化されることがなく、容量の大きなリチウムイオン酸素電池を得ることができる。また、本発明のリチウムイオン酸素電池は、前記負極にリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料として、グラファイトよりも大きな4000mAh/g程度の理論容量を備えるシリコンを含むので、さらに大きな電池容量を得ることができる。 In the lithium ion oxygen battery of the present invention, since the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are sealed and accommodated in a casing, each component is not deteriorated by moisture or carbon dioxide contained in the atmosphere, A lithium ion oxygen battery having a large capacity can be obtained. The lithium ion oxygen battery of the present invention includes silicon having a theoretical capacity of about 4000 mAh / g, which is larger than that of graphite, as a material capable of inserting or extracting lithium ions into the negative electrode, so that a larger battery capacity can be obtained. Can do.
また、本発明のリチウムイオン酸素電池は、さらに、前記電解質層と前記負極との間に固体電解質界面層を備えることを特徴とする。前記固体電解質界面層を備える本発明のリチウムイオン酸素電池によれば、充電容量と放電容量との差としての不可逆容量を無くして安定にした充放電を維持することができ、優れたサイクル性能を得ることができる。 The lithium ion oxygen battery of the present invention further includes a solid electrolyte interface layer between the electrolyte layer and the negative electrode. According to the lithium ion oxygen battery of the present invention having the solid electrolyte interface layer, it is possible to maintain stable charge and discharge by eliminating irreversible capacity as a difference between charge capacity and discharge capacity, and excellent cycle performance. Can be obtained.
前記負極は、シリコンを含みリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料からなる正極と、金属リチウムからなる負極と、該正極と該金属リチウムからなる負極とに挟持されリチウムイオンを伝導可能な電解質層とを備える電池に電流を印加し、該シリコンを含みリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料に対するリチウムイオンの挿入と脱離とを繰り返すことにより、該シリコンを含みリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料の表面に該固体電解質界面層が形成されたものを用いることができる。 The negative electrode includes a positive electrode made of a material containing silicon and capable of occluding or releasing lithium ions, a negative electrode made of metallic lithium, and an electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode made of metallic lithium and capable of conducting lithium ions. Of a material containing silicon and capable of occluding or releasing lithium ions by repeatedly applying and removing lithium ions to and from the material containing silicon and capable of inserting or extracting lithium ions. Those having the solid electrolyte interface layer formed on the surface can be used.
このとき、前記シリコンを含みリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料に対するリチウムイオンの挿入と脱離との繰り返しは、不可逆容量が消失するまで行うことにより、前記固体電解質界面層を形成することができる。 At this time, the solid electrolyte interface layer can be formed by repeating the insertion and removal of lithium ions from the material containing silicon and capable of inserting or extracting lithium ions until the irreversible capacity disappears. .
本発明のリチウムイオン酸素電池において、前記酸素貯蔵材料は、イットリウムとマンガンとを含む複合金属酸化物からなることが好ましい。前記酸素貯蔵材料は、前記複合酸化物からなることにより、前記酸素を吸蔵又は放出する機能を備え、その表面に酸素を吸着、脱着させることができると共に、前記正極における化学反応の触媒として作用することができる。 In the lithium ion oxygen battery of the present invention, it is preferable that the oxygen storage material is made of a composite metal oxide containing yttrium and manganese. The oxygen storage material is composed of the composite oxide, and has a function of occluding or releasing the oxygen. The oxygen storage material can adsorb and desorb oxygen on the surface and act as a catalyst for a chemical reaction in the positive electrode. be able to.
従って、本発明のリチウムイオン酸素電池では、正極にイットリウムとマンガンとを含む複合金属酸化物からなる前記酸素貯蔵材料を用いることにより、負極に含まれる前記シリコンの理論容量を有効に利用することができ、さらに大きな電池容量を得ることができる。 Therefore, in the lithium ion oxygen battery of the present invention, by using the oxygen storage material made of a composite metal oxide containing yttrium and manganese for the positive electrode, the theoretical capacity of the silicon contained in the negative electrode can be effectively utilized. And a larger battery capacity can be obtained.
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
図1(a)に示すように、本実施形態のリチウムイオン酸素電池1は、正極2と、負極3と、正極2と負極3との間に配設される電解質層4とを備え、正極2、負極3及び電解質層4は、ケース5に密閉して収容されている。
As shown in FIG. 1 (a), a lithium ion oxygen battery 1 according to this embodiment includes a
ケース5は、カップ状のケース本体6と、ケース本体6を閉蓋する蓋体7とを備え、ケース本体6と蓋体7との間には絶縁樹脂8が介装されている。また、正極2は蓋体7の天面との間に正極集電体9を備えており、負極3はケース本体6の底面との間に負極集電体10を備えている。
The case 5 includes a cup-
リチウムイオン酸素電池1において、正極2は酸素貯蔵材料と、導電材料と、結着剤とからなり、リチウム化合物を含んでいる。前記酸素貯蔵材料は、酸素を吸蔵、放出する機能を備えると同時に、その表面に酸素を吸着、脱着させることができる。ここで、前記酸素貯蔵材料は、酸素を吸蔵、放出する場合には、酸素との化学結合の生成、解離を伴うが、その表面に酸素を吸着、脱着させる場合には単に分子間力のみが作用し、化学結合の生成、解離を伴わない。
In the lithium ion oxygen battery 1, the
従って、前記酸素貯蔵材料の表面に対する酸素の吸着、脱着は、該酸素貯蔵材料が酸素を吸蔵、放出する場合に比較して低エネルギーで行われることとなり、電池反応には該酸素貯蔵材料の表面に吸着されている酸素が優先的に用いられる。この結果、反応速度の低下及び過電圧の上昇を抑制することができる。 Therefore, the adsorption and desorption of oxygen to the surface of the oxygen storage material is performed with lower energy than when the oxygen storage material occludes and releases oxygen, and the cell reaction involves the surface of the oxygen storage material. Oxygen adsorbed on is preferentially used. As a result, a decrease in reaction rate and an increase in overvoltage can be suppressed.
前記酸素貯蔵材料は、酸素を吸蔵又は放出する機能を備え、その表面に酸素を吸着、脱着させることができると共に、正極2における化学反応の触媒としても作用することが好ましい。このような酸素貯蔵材料として、例えばYMnO3等のYとMnとを含む複合酸化物を挙げることができる。
It is preferable that the oxygen storage material has a function of occluding or releasing oxygen, can adsorb and desorb oxygen on the surface, and also functions as a catalyst for a chemical reaction in the
また、前記導電材料としては、例えば、ケッチェンブラック等の炭素質材料を挙げることができる。また、前記結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。 Examples of the conductive material include carbonaceous materials such as ketjen black. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE).
また、前記リチウム化合物としては、例えば過酸化リチウム(Li2O2)、酸化リチウム(Li2O)等のリチウム酸化物を挙げることができる。 Examples of the lithium compound include lithium oxides such as lithium peroxide (Li 2 O 2 ) and lithium oxide (Li 2 O).
次に、負極3は、リチウムイオンを吸蔵又は放出することができる材料としてシリコンを含む。ここで、シリコンは不導体であるので、負極3は、シリコンと共に導電材料と、結着剤とを含むことが好ましい。前記導電材料としては、例えば、ケッチェンブラック等の炭素質材料を挙げることができる。また、前記結着剤としては、ポリイミド等を挙げることができる。
Next, the
負極3は、前記シリコン、前記導電材料及び前記結着剤を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、純水等の分散剤に分散させ、得られた分散液を負極集電体10に塗布、乾燥させることにより形成することができる。
In the
次に、電解質層4は、例えば、非水系電解質溶液をセパレータに浸漬させたものであってもよく、溶融塩又は固体電解質であってもよい。
Next, the
前記非水系電解質溶液は、例えば、リチウム塩を非水系溶媒に溶解したものを用いることができる。前記リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等を挙げることができる。また、前記非水系溶媒としては、例えば、炭酸エステル系溶媒、エーテル系溶媒、イオン液体等を挙げることができる。 As the non-aqueous electrolyte solution, for example, a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent can be used. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). Examples of the non-aqueous solvent include a carbonate ester solvent, an ether solvent, and an ionic liquid.
前記炭酸エステル系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等を挙げることができる。前記炭酸エステル系溶媒は2種以上混合して用いることもできる。 Examples of the carbonate solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. Two or more of the carbonate ester solvents can be used in combination.
前記エーテル系溶媒としては、例えば、ジメトキシエタン、ジメチルトリグラム、ポリエチレングリコール等を挙げることができる。前記エーテル系溶媒は2種以上混合して用いることもできる。 Examples of the ether solvent include dimethoxyethane, dimethyl trigram, polyethylene glycol, and the like. Two or more of the ether solvents can be used in combination.
前記イオン液体としては、例えば、イミダゾリウム、アンモニウム、ピリジニウム、ペリジウム等のカチオンと、ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド(TTSI)、ビス(ペンタフルオロエチルスルフォニル)イミド(BETI)、テトラフルオロボレート、パークロレート、ハロゲンアニオン等のアニオンとの塩を挙げることができる。 Examples of the ionic liquid include cation such as imidazolium, ammonium, pyridinium, and peridium, bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (TTSI), bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide (BETI), tetrafluoroborate, park, and the like. Examples thereof include salts with anions such as lorate and halogen anions.
前記セパレータとしては、例えば、ガラス繊維、ガラス製ペーパー、ポリプロピレン製不織布、ポリイミド製不織布、ポリフェニレンスルフィド製不織布、ポリエチレン製多孔フィルム等を挙げることができる。 Examples of the separator include glass fiber, glass paper, polypropylene nonwoven fabric, polyimide nonwoven fabric, polyphenylene sulfide nonwoven fabric, and polyethylene porous film.
また、前記固体電解質としては、例えば、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等を挙げることができる。 Examples of the solid electrolyte include an oxide solid electrolyte and a sulfide solid electrolyte.
前記酸化物系固体電解質としては、例えば、リチウム、ランタン、ジルコニウムの複合酸化物であるLi7La3Zr2O12、リチウム、アルミニウム、ケイ素、チタン、ゲルマニウム、リンを主成分とするガラスセラミックス等を挙げることができる。前記Li7La3Zr2O12は、リチウム、ランタン、ジルコニウムの一部を、それぞれストロンチウム、バリウム、銀、イットリウム、ビスマス、鉛、スズ、アンチモン、ハフニウム、タンタル、ニオブ等の他の金属で置換されたものであってもよい。 Examples of the oxide solid electrolyte include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , which is a composite oxide of lithium, lanthanum, and zirconium, glass ceramics mainly composed of lithium, aluminum, silicon, titanium, germanium, and phosphorus. Can be mentioned. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 replaces part of lithium, lanthanum, and zirconium with other metals such as strontium, barium, silver, yttrium, bismuth, lead, tin, antimony, hafnium, tantalum, and niobium. It may be what was done.
次に、正極集電体9としては、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム等のメッシュからなるものを挙げることができる。また、負極集電体10としては、銅、チタン、ステンレス鋼等のリチウムが合金化することのない金属箔を挙げることができる。
Next, examples of the positive electrode
また、本実施形態のリチウムイオン酸素電池1は、図1(b)に示すように、負極3と電解質層4との間に固体電解質界面層11を備えていることが好ましい。固体電解質界面層11は、負極3に対してリチウムイオンが挿入と脱離とを繰り返すことにより、負極3の表面に形成されるものである。固体電解質界面層11は、図1(a)に示すリチウムイオン酸素電池1において充放電を繰り返すことにより自然に形成されたものであってもよいが、予め負極3に対してリチウムイオンの挿入と脱離とを繰り返す操作(エージング)を行うことにより形成されたものであってもよい。
Moreover, it is preferable that the lithium ion oxygen battery 1 of this embodiment is provided with the solid
固体電解質界面層11は、予め負極3に対して前記エージングを行うことにより形成されたものであることにより、不可逆容量を消失させることができる。
The solid
前記エージングは、例えば、図2に示すように、負極3を形成するシリコン含有材料3aを電池21に組み込んで、正極22として充放電を繰り返すことにより行うことができる。図2に示す電池21は、シリコン含有材料3aからなる正極22と、金属リチウムからなる負極23と、正極22と負極23との間に配設される電解質層24とを備え、正極22、負極23及び電解質層24は、ケース25に密閉して収容されている。ケース25は、図1(a)に示すケース5と同様の構成を備えており、カップ状のケース本体26と、ケース本体26を閉蓋する蓋体27とを備え、ケース本体26と蓋体27との間には絶縁樹脂28が介装されている。尚、正極22と、蓋体27の天面との間には、集電体29が配設されている。
For example, as shown in FIG. 2, the aging can be performed by incorporating the silicon-containing
負極3を形成するシリコン含有材料3aは、電池21に組み込まれて、不可逆容量が消失するまで充放電を繰り返すことにより、その表面に固体電解質界面層11を形成することができる。固体電解質界面層11が形成されたシリコン含有材料3aは電池21から取出され、図1(b)に示すリチウムイオン酸素電池1の負極3として用いられる。
The silicon-containing
本実施形態のリチウムイオン酸素電池1では、充電時には、正極2において、次の式に示すように、前記リチウム化合物としての過酸化リチウム又は酸化リチウムからリチウムイオンと酸素イオンとが生成する。ここで、前記リチウムイオンは電解質層4を透過して負極3に移動し、前記酸素イオンは前記酸素貯蔵材料に化学結合を生成して吸蔵され、或いはその表面に吸着されることにより、貯蔵される。
In the lithium ion oxygen battery 1 of the present embodiment, at the time of charging, lithium ions and oxygen ions are generated from the lithium peroxide or lithium oxide as the lithium compound at the
一方、負極3においては、正極2から移動して来た前記リチウムイオンが、電子を受け取ってリチウム−シリコン合金を形成することにより前記シリコンに吸蔵される。
On the other hand, in the
(正極) Li2O → 2Li+ + O2−
Li2O2 → 2Li+ + 2O−
(負極) Si + 4.4Li+ + 4.4e− → Li4.4Si
また、放電時には、次の式に示すように、負極3においてリチウム−シリコン合金が分解され、リチウムイオンと電子とが生成する。生成したリチウムイオンは、前記シリコンから放出され、電解質層4を介して正極2に移動する。一方、正極2においては、前記酸素貯蔵材料から化学結合の解離により放出され、或いはその表面から脱着されることにより取出された酸素が、負極3から移動して来た前記リチウムイオンと共に電子を受け取って、過酸化リチウム又は酸化リチウムを生成する。
(Positive electrode) Li 2 O → 2Li + + O 2−
Li 2 O 2 → 2Li + + 2O −
(Negative electrode) Si + 4.4Li + + 4.4e − → Li 4.4 Si
Further, at the time of discharging, as shown in the following formula, the lithium-silicon alloy is decomposed in the
(負極) Li4.4Si → Si + 4.4Li+ + 4.4e−
(正極) 4Li+ + O2 + 4e− → 2Li2O
2Li+ + O2 + 2e− → Li2O2
そこで、負極3と正極2とを導線(図示せず)で接続することにより、電気エネルギーを取り出すことができる。
(Negative electrode) Li 4.4 Si → Si + 4.4 Li + + 4.4e −
(Positive electrode) 4Li + + O 2 + 4e − → 2Li 2 O
2Li + + O 2 + 2e − → Li 2 O 2
Therefore, electrical energy can be taken out by connecting the
このとき、正極2には、前記充電時に過酸化リチウム又は酸化リチウムがイオン化することにより空孔が形成されているので、前記放電時に形成された過酸化リチウム又は酸化リチウムは該空孔内に析出することができる。この結果、前記正極2における体積増を抑制することができる。
At this time, since the voids are formed in the
また、リチウムイオン酸素電池1は、図1(b)に示すように、負極3と電解質層4との間に固体電解質界面層11を備えていることにより、電解質が負極3に接触することを防止できるので、該電解質が負極3の表面における反応により分解することが無くなる。従って、固体電解質界面層11を備えるリチウムイオン酸素電池1によれば、不可逆容量を無くして安定にした充放電を維持することができ、優れたサイクル性能を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 1B, the lithium ion oxygen battery 1 includes the solid
次に、実施例及び比較例を示す。 Next, examples and comparative examples are shown.
〔実施例1〕
本実施例では、まず、硝酸イットリウム5水和物と、硝酸マンガン6水和物と、リンゴ酸とを、1:1:6のモル比となるようにして、粉砕混合し、複合金属酸化物材料の混合物を得た。次に、得られた複合金属酸化物材料の混合物を250℃の温度で30分間反応させた後、さらに、300℃の温度で30分間、350℃の温度で1時間反応させた。次に、反応生成物の混合物を粉砕混合した後、1000℃の温度で1時間焼成して、化学式YMnO3で表される複合金属酸化物を得た。
[Example 1]
In this example, first, yttrium nitrate pentahydrate, manganese nitrate hexahydrate, and malic acid were pulverized and mixed in a molar ratio of 1: 1: 6 to obtain a composite metal oxide. A mixture of materials was obtained. Next, the resulting mixture of composite metal oxide materials was reacted at a temperature of 250 ° C. for 30 minutes, and further reacted at a temperature of 300 ° C. for 30 minutes and at a temperature of 350 ° C. for 1 hour. Next, the mixture of reaction products was pulverized and mixed, and then fired at a temperature of 1000 ° C. for 1 hour to obtain a composite metal oxide represented by the chemical formula YMnO 3 .
次に、得られたYMnO340質量部と、導電材料としてケッチェンブラック(株式会社ライオン製)50質量部と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業株式会社製)10質量部と、さらにリチウム化合物としての過酸化リチウムとを加え混合した。前記過酸化リチウムは、負極3に用いられるシリコンの2倍の質量とした。そして、得られた混合物を、Alメッシュからなる正極集電体9に5MPaの圧力で圧着し、直径15mm、厚さ1mmの正極2を形成した。
Next, 40 parts by mass of the obtained YMnO 3, 50 parts by mass of ketjen black (manufactured by Lion Corporation) as a conductive material, and 10 parts by mass of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) as a binder, Further, lithium peroxide as a lithium compound was added and mixed. The lithium peroxide had a mass twice that of silicon used for the
次に、シリコン(株式会社高純度化学研究所製)90質量部と、導電材料としてケッチェンブラック(株式会社ライオン製)5質量部と、結着剤としてのポリイミド5質量部とを、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて混合した。そして、得られた分散液を、アプリケータで厚さ12.5μmの銅箔上に塗布し、乾燥させた後、プレスにより打ち抜いて、直径14mm、厚さ100μmのシリコン含有材料3aを形成した。
Next, 90 parts by mass of silicon (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), 5 parts by mass of Ketjen Black (manufactured by Lion Corporation) as a conductive material, and 5 parts by mass of polyimide as a binder are N- Disperse in methyl-2-pyrrolidone and mix. Then, the obtained dispersion was applied on a copper foil having a thickness of 12.5 μm with an applicator, dried, and then punched by a press to form a silicon-containing
次に、シリコン含有材料3aを図2に示す電池21に組み込み、正極22としてエージングを行った。電池21の作成は、まず、内径17mmの有底円筒状のSUS製ケース本体26の内部に、直径14mmの金属リチウムからなる負極23を配置し、負極23上に同径のガラス繊維セパレータ(日本板硝子株式会社製)を重ね合わせた。次に、前記セパレータ上に、前記のようにして得られたシリコン含有材料3aをセパレータに接するように重ね合わせ、正極22とした。正極22(シリコン含有材料3a)は、前記セパレータと反対側の面に前記銅箔を集電体29として備えている。次に、前記セパレータに非水系電解質溶液を注入し、電解質層24を形成した。
Next, the silicon-containing
前記非水系電解質溶液としては、エチレンカーボネート30質量部と、ジエチルカーボネート70質量部とを混合した混合溶液に、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解した溶液(キシダ化学株式会社製)を用いた。 As the non-aqueous electrolyte solution, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved as a supporting salt at a concentration of 1 mol / liter in a mixed solution in which 30 parts by mass of ethylene carbonate and 70 parts by mass of diethyl carbonate were mixed. The solution (made by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used.
次に、ケース本体26に収容された負極23、電解質層24、正極22、集電体29からなる積層体を、内径17mmの有底円筒状のSUS製蓋体27により密封した。このとき、ケース本体26と蓋体27との間に、外径70mm、内径40mm、厚さ0.3mmのポリテトラフルオロエチレンからなるリング状の絶縁樹脂28を配設することにより、図2に示す電池21を得た。
Next, the laminate including the
次に、電池1を電気化学測定装置(東方技研株式会社製)に装着し、正極22と負極23との間に、負極23の1cm2当たりに対し0.5mAの電流を印加し、カットオフ電位を0Vと2.0Vとして充放電を3サイクル繰り返した。これにより、正極22(シリコン含有材料3a)に対してリチウムイオンの挿入と脱離とを繰り返す操作(エージング)を行った。
Next, the battery 1 is mounted on an electrochemical measuring apparatus (manufactured by Toho Giken Co., Ltd.), and a current of 0.5 mA is applied between the
前記1サイクル目の充放電曲線を図3に、2サイクル目と3サイクル目との充放電曲線を図4に示す。図3に示す1サイクル目の充放電では放電容量(正極22に対するリチウムイオンの挿入)と、充電容量(正極22からのリチウムイオンの脱離)との間に差があり、不可逆容量が発生している。一方、図4に示す2サイクル目の充放電では放電容量と充電容量との差が無く、不可逆容量が消失していることが明らかである。前記不可逆容量の消失は、正極22(シリコン含有材料3a)の表面に固体電解質界面層11が形成されたことを示している。
The charge / discharge curve of the first cycle is shown in FIG. 3, and the charge / discharge curves of the second and third cycles are shown in FIG. In charge / discharge of the first cycle shown in FIG. 3, there is a difference between the discharge capacity (insertion of lithium ions with respect to the positive electrode 22) and the charge capacity (desorption of lithium ions from the positive electrode 22), and irreversible capacity is generated. ing. On the other hand, in the charge / discharge of the second cycle shown in FIG. 4, there is no difference between the discharge capacity and the charge capacity, and it is clear that the irreversible capacity disappears. The disappearance of the irreversible capacity indicates that the solid
また、図4に示す3サイクル目の充放電では、2サイクル目の充放電時と同等の充放電容量が維持されており、固体電解質界面層11が形成された正極22(シリコン含有材料3a)を用いることにより、優れたサイクル性能を得ることができることが明らかである。
Further, in the charge / discharge at the third cycle shown in FIG. 4, the charge / discharge capacity equivalent to that at the charge / discharge at the second cycle is maintained, and the positive electrode 22 (silicon-containing
次に、電池21を分解して、前記エージングが施されたシリコン含有材料3aを集電体29と共に取り出し、内径17mmの有底円筒状のSUS製ケース本体6の内部に、集電体29がケース本体6の底面に当接するように配置し、負極3とした。このとき、集電体29は負極集電体10となる。
Next, the
次に、負極3上に、直径17mmのガラス繊維セパレータ(日本板硝子株式会社製)を重ね合わせた。次に、前記セパレータ上に、前記のようにして得られた正極2及び正極集電体9を、正極2が該セパレータに接するように重ね合わせた。次に、前記セパレータに非水系電解質溶液を注入し、電解質層4を形成した。
Next, a glass fiber separator (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) having a diameter of 17 mm was overlaid on the
前記非水系電解質溶液としては、エチレンカーボネート50質量部と、ジエチルカーボネート50質量部とを混合した混合溶液に、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解した溶液(キシダ化学株式会社製)を用いた。 As the non-aqueous electrolyte solution, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a supporting salt was dissolved at a concentration of 1 mol / liter in a mixed solution in which 50 parts by mass of ethylene carbonate and 50 parts by mass of diethyl carbonate were mixed. The solution (made by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used.
次に、ケース本体6に収容された負極集電体10、負極3、電解質層4、正極2、正極集電体9からなる積層体を、内径17mmの有底円筒状のSUS製蓋体7で閉蓋した。このとき、ケース本体6と蓋体7との間に、外径70mm、内径40mm、厚さ0.3mmのポリテトラフルオロエチレンからなるリング状の絶縁樹脂8を配設することにより、図1(b)に示すリチウムイオン酸素電池1を得た。
Next, a laminated body composed of the negative electrode
次に、本実施例で得られたリチウムイオン酸素電池1を電気化学測定装置(東方技研株式会社製)に装着し、負極3と正極2との間に、負極3の1cm2当たりに対し0.1mAの電流を印加し、カットオフ電位を2.0Vと4.0Vとするか、又は充放電容量が2500mAh/gとなるようにして、充放電を5サイクル繰り返した。5サイクル目のセル電圧と充電容量との関係を図5(a)に、セル電圧と放電容量との関係を図5(b)にそれぞれ示す。
Next, the lithium ion oxygen battery 1 obtained in this example was mounted on an electrochemical measurement device (manufactured by Toho Giken Co., Ltd.), and between the
〔比較例〕
本比較例では、まず、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)40質量部と、導電材料としてケッチェンブラック(株式会社ライオン製)50質量部と、結着剤としてのカルボキシメチルセルロース10質量部とを、水に分散させて混合した。そして、得られた分散液を、アプリケータで厚さ12.5μmのAl箔上に塗布し、乾燥させた後、プレスにより打ち抜いて、直径15mm、厚さ100μmの正極を形成した。正極は、前記Al箔を正極集電体として備えている。
[Comparative Example]
In this comparative example, first, 40 parts by mass of lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), 50 parts by mass of Ketjen Black (manufactured by Lion Corporation) as a conductive material, and 10 parts by mass of carboxymethyl cellulose as a binder, Dispersed in water and mixed. Then, the obtained dispersion was applied on an Al foil having a thickness of 12.5 μm with an applicator, dried, and then punched out by a press to form a positive electrode having a diameter of 15 mm and a thickness of 100 μm. The positive electrode includes the Al foil as a positive electrode current collector.
本比較例では、前記正極を用いると共に、負極3にエージングを施さなかったことを除いて、図1(a)に示す構成と同一の構成を備えるリチウムイオン酸素電池を得た。尚、本比較例のリチウムイオン酸素電池では、前記非水系電解質溶液として、エチレンカーボネート30質量部と、ジエチルカーボネート70質量部とを混合した混合溶液に、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解した溶液(キシダ化学株式会社製)を用いた。
In this comparative example, a lithium ion oxygen battery having the same configuration as that shown in FIG. 1A was obtained except that the positive electrode was used and the
次に、本比較例で得られたリチウムイオン酸素電池を用いた以外は、前記実施例と全く同一にして充放電を5サイクル繰り返した。5サイクル目のセル電圧と充電容量との関係を図5(a)に、セル電圧と放電容量との関係を図5(b)にそれぞれ示す。 Next, except for using the lithium ion oxygen battery obtained in the present comparative example, charging / discharging was repeated 5 cycles in exactly the same manner as in the above example. FIG. 5 (a) shows the relationship between the cell voltage and the charge capacity in the fifth cycle, and FIG. 5 (b) shows the relationship between the cell voltage and the discharge capacity.
図5から、YMnO3からなる酸素貯蔵材料を備える正極2とシリコンを含む負極3とを備えるリチウムイオン酸素電池1(実施例)によれば、リン酸鉄リチウムを含む正極とシリコンを含む負極3とを備えるリチウムイオン酸素電池(比較例)に比較して、格段に大きな充放電容量(電池容量)を得ることができることが明らかである。
From FIG. 5, according to the lithium ion oxygen battery 1 (Example) including the
1…リチウムイオン酸素電池、 2…正極、 3…負極、 4…電解質層、 5…ケース、 11…固体電解質界面層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lithium ion oxygen battery, 2 ... Positive electrode, 3 ... Negative electrode, 4 ... Electrolyte layer, 5 ... Case, 11 ... Solid electrolyte interface layer
Claims (5)
該正極、負極及び電解質層は筐体に密封されて収容されていると共に、該正極は酸素貯蔵材料と、該リチウム源としてのリチウム化合物とを含み、該負極はリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料としてのシリコンを含むことを特徴とするリチウムイオン酸素電池。 Lithium ion oxygen comprising a positive electrode including oxygen as an active material and a lithium source, a negative electrode including a material capable of inserting or extracting lithium ions, and an electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting lithium ions In batteries,
The positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are sealed and accommodated in a casing, the positive electrode includes an oxygen storage material and a lithium compound as the lithium source, and the negative electrode can occlude or release lithium ions. A lithium ion oxygen battery comprising silicon as a material.
該正極、負極及び電解質層は筐体に密封されて収容されていると共に、該正極は酸素貯蔵材料と、該リチウム源としてのリチウム化合物とを含み、該負極はリチウムイオンを吸蔵又は放出可能な材料としてのシリコンを含み、該電解質層と該負極との間に固体電解質界面層を備えることを特徴とするリチウムイオン酸素電池。 Lithium ion oxygen comprising a positive electrode including oxygen as an active material and a lithium source, a negative electrode including a material capable of inserting or extracting lithium ions, and an electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting lithium ions In batteries,
The positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are sealed and accommodated in a casing, the positive electrode includes an oxygen storage material and a lithium compound as the lithium source, and the negative electrode can occlude or release lithium ions. A lithium ion oxygen battery comprising silicon as a material and having a solid electrolyte interface layer between the electrolyte layer and the negative electrode.
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