JP2013535075A - 特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ - Google Patents

特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ Download PDF

Info

Publication number
JP2013535075A
JP2013535075A JP2013514710A JP2013514710A JP2013535075A JP 2013535075 A JP2013535075 A JP 2013535075A JP 2013514710 A JP2013514710 A JP 2013514710A JP 2013514710 A JP2013514710 A JP 2013514710A JP 2013535075 A JP2013535075 A JP 2013535075A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
electrode
accumulator
cell
electrochemical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013514710A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5856611B2 (ja
Inventor
セリーヌ バルシャズ
マリアンヌ シャミ
セバスティアン マルティネ
セバスティアン パトゥ
Original Assignee
コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ filed Critical コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ
Publication of JP2013535075A publication Critical patent/JP2013535075A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5856611B2 publication Critical patent/JP5856611B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531Electrode connections inside a battery casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/136Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387Tin or alloys based on tin
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H01M4/5815Sulfides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • H01M4/661Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/534Electrode connections inside a battery casing characterised by the material of the leads or tabs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/029Bipolar electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

【解決手段】 本発明は、電流収集基板によって互いに分離された少なくとも1個の第1の電気化学セルと少なくとも1個の第2の電気化学セルを含む電気化学リチウム・アキュムレータであって、前記基板が、第1の面に、前記第1の電気化学セルの電極を支持し、前記第1の面と反対側の第2の面に、前記第2の電気化学セルの反対の極の電極を支持し、各セルが、電解質によって分離された正電極と負電極を含み、特に、前記電流収集基板が、銅又は銅合金であることを特徴とする電気化学リチウム・アキュムレータに関する。
【選択図】図1

Description

本発明は、2つの隣接セル間の電流収集基板として、広幅パネルの正電極材料と負電極材料を使用することができる独特の材料の基板を含む、いわゆる特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータに関する。
本発明の分野は、エネルギー蓄積装置の分野、詳細には電気化学アキュムレータの分野として定義される。
エネルギー蓄積装置は、従来、電解質によって分離された1対の電極(それぞれ陽極と陰極)内に電流を提供することができる電気化学セルがあるという原理で動作する電気化学アキュムレータである。電極は、酸化還元反応により反応できる特定の材料を含み、それにより、電流源で電子が生成され、電解質を介して一方の電極から他方の電極に循環するイオンが生成される。
この原理にしたがって現在最も使用されているアキュムレータは、次の通りである。
*電極材料として金属ハイドライドとオキシ水酸化ニッケルを使用するNi−MHアキュムレータ。
*電極材料としてカドミウムとオキシ水酸化ニッケルを使用するNi−Cdアキュムレータ。
*電極材料として鉛と酸化鉛PbO2を使用する鉛酸アキュムレータ。
*電極材料として全体又は部分的にリチウム化された材料を従来通り使用するリチウムイオン・アキュムレータ。
過去数年にわたって、リチウムイオン・アキュムレータは、エネルギー密度に関するリチウムイオン・アキュムレータの性能の継続的な改良により、前述の他のアキュムレータに広く置き換わった。実際に、リチウムイオン・アキュムレータは、Ni−MH及びNi−Cdアキュムレータ(50〜100Wh.kg-1の範囲のことがある)と鉛酸アキュムレータ(30〜35Wh.kg-1の範囲のことがある)より大きい質量密度と体積エネルギー密度(180Wh.kg-1を超えることがある)を得ることができる。更に、リチウムイオン・アキュムレータは、他のアキュムレータを越える定格のセル電圧を有することができる(例えば、電極材料としてLiCoO2/グラファイト対を利用するセルの定格電圧は約3.6V、それに対して前述の他のアキュムレータの定格電圧は約1.5V)。
したがって、リチウムイオン・アキュムレータは、その固有の性質のため、コンピュータ、映像、電話技術、電気自動車やハイブリッド車などの輸送、更には医学、宇宙、マイクロエレクトロニクス分野など、内蔵式が基本条件の分野にとって特に有利であることが分かっている。
機能点な点から見ると、リチウムイオン・アキュムレータは、アキュムレータの電気化学セルの構成電極内のリチウムのインターカレーション・デインターカレーションの原理で動作する。
より具体的には、電流の生成源での反応(即ち、アキュムレータが放電モードのとき)によって、リチウム・カチオンが、リチウム・イオンを通す電解質を介して、負電極から正電極のアクセプタ格子内に移動し挿入され、負電極での反応による電子が、正電極と負電極に接続された外部回路に流れる。
このタイプのアキュムレータの意図は、アキュムレータ全体の電圧を高めると同時にアキュムレータの質量と体積を制限するために、直列に取り付けられた複数の電気化学セルを含むアキュムレータを作成することであると思われる。
得られるアキュムレータの質量と体積に支障をきたすことなく電気化学セルを直列に配置するのに適した構造は、電流収集基板によって互いに分離されて積み重ねられた幾つかの電気化学セルからなる、いわゆるバイポーラ構造である。この基板の一方の面が、セルの電極によって占有され、この基板の他方の面が、隣接セルの反対の極の電極によって占有される。このタイプの構造は、外部コネクタによって接続された複数のセルからなる1つのアキュムレータよりも組立体の電気抵抗を小さくすることができる。
このバイポーラ構造は、不必要な質量と体積の制限も可能にする。
しかし、このタイプの構造は、正電極材料と負電極材料が、前述の電流収集基板の材料と共溶性がないこと、即ち、電極材料が、アキュムレータの動作中に電流収集基板の材料と合金を形成しないことを必要とする。
したがって、本発明者は、共溶性問題を呈することなく広幅パネルの正電極材料と負電極材料の使用を可能にする材料の、アキュムレータの隣接セルを分離する電流収集基板を含むバイポーラ構造を有するアキュムレータを提案することを目的とした。
本発明者は、驚くべきことに、前記電流収集基板を形成するために銅又は銅合金を使用することによって、広幅パネルの正電極材料と負電極材料を使用できることを発見した。
したがって、本発明は、電流収集基板によって互いに分離された少なくとも1個の第1の電気化学セルと少なくとも1個の第2の電気化学セルとを含むリチウム電気化学アキュムレータに関し、この基板は、第1の面に前記第1の電気化学セルの電極を支持し、前記第1の面の反対にある第2の面に前記第2の電気化学セルの電極を支持し、各セルが、電解質によって分離された正電極と負電極を含み、
−前記電流収集基板が、銅又は銅合金であり、負電極が、
*式Mxyの金属酸化物化合物であり、ここで、Mは、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W及びこれらの混合から選択された元素を表し、xとyは、カチオンの全電荷がアニオンの全電荷を打ち消し、その結果、化合物が電気的に中性になるように選択された正整数である金属酸化物化合物と、
*リチウム金属、又はリチウム金属を含む合金と、
*スズ金属と、
*これらの混合物とから選択された材料を含んでもよく、
−正電極は、
*単体硫黄と、
*硫化物化合物と、
これらの混合物とから選択された材料を含んでもよい。
本発明のより詳細な考察に入る前に、次の定義を行う。
正電極とは、従来、前述および後述においても、ジェネレータが電流を出力するとき(即ち、放電プロセスのとき)に陰極として働き、ジェネレータが充電プロセスにあるときに陽極として働く電極を意味する。
負電極とは、従来、前述および後述においても、ジェネレータが電流を出力するとき(即ち、放電プロセスとき)に陽極として働き、ジェネレータが充電プロセスのときに陰極として働く電極を意味する。
正電極は、
*できる限りリチウム化された遷移金属酸化物と、
*できる限りリチウム化された遷移金属のモリブデン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、ゲルマニウム酸塩及びニオブ酸塩と、
*遷移金属リン酸塩と、
*単体硫黄と、
*硫化物化合物と、
これらの混合物とから選択された材料を含んでもよい。
有利には、正電極は、単体硫黄と硫化物化合物から選択された材料を含んでもよい。
単体硫黄とは、1つ又は幾つかの化学元素と結合されない硫黄元素を意味するものとする。
できる限りリチウム化された遷移金属酸化物の例として、Li4Ti512などのチタン及びリチウム混合酸化物、LiV38などのバナジウム及びリチウム混合酸化物、又はV25などのバナジウム酸化物を挙げることができる。
できる限りリチウム化された遷移金属モリブデン酸塩の例として、Fe2(MoO43などのモリブデン酸鉄を挙げることができる。
できる限りリチウム化された遷移金属リン酸塩の例として、FePO4を挙げることができる。
硫化物化合物として、次のものを挙げることができる。
−一般式Li2nの多硫化リチウムであって、nが2〜8の範囲の整数である多硫化リチウムと、
−式R2nの有機多硫化物であって、例えば2〜6個の範囲の炭素原子を含むアルキル基などのRがアルキル基であるもの、又はnが2〜8の範囲の整数であるRがアリール基であるもの、
−式(CS2nのポリ(二硫化炭素)型の有機硫黄化合物であって、nが2〜8の範囲の整数である有機硫黄化合物。
本発明によれば、負電極は、
*式Mxyの金属酸化物化合物であって、ここで、Mは、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W及びこれらの混合物から選択された元素であり、xとyは、カチオンの全電荷がアニオンの全電荷を打ち消し、その結果、化合物が電気的に中性になるように選択された正整数である金属酸化物化合物と、
*炭素などの炭素材料と、
*リチウム金属、又はリチウム金属を含む合金と、
*スズ金属と、
*これらの混合物から選択された材料を含んでもよい。
リチウム金属とは、1つ又は幾つかの化学元素と結合していないリチウム元素を意味する。
リチウム金属を含む合金とは、Al、Si、Sn、Cなどの別の元素と結合したリチウム金属を含む混合物(例えば、LiC6)を意味する。
スズ金属は、1つ又は幾つかの化学元素と結合していないスズ元素を意味する。
式Mxyの化合物の例として、TiO、TiO2、Ti23、Ti35、CrO2、CrO3、Cr23、MnO、MnO2、Mn23、Mn34、FeO、Fe23、Fe34、CoO、Co34、NiO、Cu2O、CuO、MoO2、MoO3、Mo411、Mo926、WO2、WO3を挙げることができる。
負電極材料は、正電極材料と異ならなければならない。
本発明の特に好ましい実施形態によれば、正電極は、単体硫黄を含み、負電極は、リチウム金属、又はリチウム金属を含む合金を含む。
そのような1対の電極を電気化学セル内に含むアキュムレータは、以下の利点を有する。
−300Wh.kg-1を越えることもある極めて大きいエネルギー密度と、アキュムレータの構成電気化学セルの数に基づいて目的の用途に適合する全体アキュムレータ電圧と、を得ることができる。
−電極の構造により、過放電からの電気化学セルの固有の保護システムを有する。
第1の前述の利点に関しては、適切な数の電気化学セルを積み重ねることにより、全体アキュムレータ電圧(例えば、240V)と、極めて大きいエネルギー密度(例えば、約400Wh.kg-1)とを得ることができる。所定のエネルギー密度を得るために積み重ねられるセルの数は、LiFePO4/Li4Ti512電極対で動作するような先行技術のシステムより少ない(エネルギー密度は、限定的に60Wh.kg-1に近い)。これにより、アキュムレータの質量を低減することができる。したがって、本発明のアキュムレータは、特に電気自動車の分野などの応用分野の対象となる。
第2の前述の利点に関して、利点は、正電極の構成硫黄が、過放電現象に対する本質的な保護機構を保証できるという事実によるものである。その理由は、硫黄が、充電プロセス中にリチウム多硫化物型の化合物、特に式Li2n(nは、2〜8の範囲)に合致する化合物を生じさせることができるからである。
この化合物は、形成された後で、電解質内で、レドックスシャトルの役割をする。即ち、この化合物は、この化合物の酸化体を提供するためにこのセルの電極の一方で所定の電位で酸化され、この酸化体は、還元体を提供するために同じセルの反対の極の電極で還元され、次にこの還元体を逆極性の電極で酸化することができる。前述の所定電位で、平衡状態になり、その結果、一方の電極で化合物の消費が行われ、反対の極の電極でその再生が行われる(レドックスシャトルの名前はその由来による)。これらの反応は一定の電位で行われるので、このメカニズムが生じるとすぐに、この化合物の消費/再生の現象はセル電圧を安定化させる。
より具体的には、このレドックスシャトル・メカニズムは、2.4〜2.5V(この電位は、相対的に電位Li+/Liと表現される)の電位で行われる。即ち充填プロセス中のセル電圧は、経過した充電時期にかかわらずこの電位で安定化される。本発明のアキュムレータ内で働くこの1対の電極に関して、このセル電圧は、後者がセルの構成元素の整合性を損ねることなく完全に許容可能である。
実際には、リチウム多硫化物型の化合物の作用によるセル電圧は、前記セルが過充電状態にある電圧値より低い値で安定化される。このように充電時間に関係がないことは、充電動作中に、これらのセルが過充電状態になり、その過充電によってこのセル要素を劣化させる過充電状態状態で見つけるリスクをなくすことになる。
その結果、リチウム多硫化物型の化合物の作用によるセル電圧の安定化により、定格電圧が得られないセルの充電は維持され、これは、充電が完了したセルに影響を及ぼさない。したがって、この結果、充電の終わりに、アキュムレータは、各セルがサイクルの終わりで同じ充電状態を有し、これにより全体電圧が完全に規定される。
したがって、アキュムレータの様々な構成セルの充電を制御する電子システムを使用する必要がなくなり、過放電現象に対する保護は、外部システムにではなくセルの構造に固有のものである。この結果、制御システムを使用するアキュムレータと比較して、アキュムレータが軽量になり、更に、起こり得る制御システムの故障の心配がなくなる。
最後に、リチウム多硫化物型の化合物の作用は、アキュムレータの電気化学セルの少なくとも1個が、まわりのセルに悪影響を及ぼす電極の実際の充電なしにセル電圧の上昇によって起こる故障を特徴とするときに、効率的なこともある。本発明によるリチウム多硫化物型化合物によって、故障セルのセル電圧が、従来の2.4〜2.5V(添加物のレドックスシャトル・メカニズムで設定される電位に対応する)の範囲の値に安定化され、他の非故障セルは充電され続けることがある。
前述のように、電流集電基板は、第1の面に、前記第1の電気化学セルの電極を支持し、前記第1の面と反対側の第2の面に、前記第2の電気化学セルの反対の極の電極を支持し、即ち、電流収集基板は、第1の面に、前記第1の電気化学セルの正電極を支持し、前記第1の面と反対側の第2の面に、前記第2の電気化学セルの負電極を支持する。逆の組み合わせも同様である。
したがって、本発明のアキュムレータのシナリオでは、電流収集基板の構成材料は、正電極の組成物に入る単体硫黄と負電極の組成物に入るリチウム金属の両方に対して安定していなければならない。
銅又は銅合金を利用する本発明による電流収集基板は、前述の安定条件を満たす。
本発明のアキュムレータの電気化学セルの1対の構成電極によって、先行技術によるバイポーラ構造を有するアキュムレータのように複雑な構造の電流収集基板に頼る必要がなく、電極材料に対して安定しているという理由のために、電流収集基板は、各面が互いに異なる材料からなる2面構造を有する。
電解質は、好ましくはリチウム塩を含む液体電解質である。
したがって、例えば、液体電解質には、リチウム塩が溶かされた、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルなどの炭酸塩型の溶剤又は溶剤混合物、及び/又はジメトキシエタン、ジオキソラン、ジオキサン、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDMEの頭文字で知られる)及びこれらの混合物などのエーテル型の溶剤又は溶剤混合物が挙げられる。
例えば、リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO23、LiN(C25SO2)、リチウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド(LiTFSIの頭文字で知られる)LiN[SO2CF32、及びこれらの混合物によって構成された群から選択されてもよい。
液体電解質の使用により、充電率が高い場合でも、一方の電極から他方の電極へのリチウム多硫化物添加物の優れた拡散を保証し、これによりセル過放電に対して高効率の保護が実現され有利である。
前述の液体電解質は、本発明のアキュムレータの電気化学セルでは、電気化学セルの正電極と負電極との間に配置されるセパレータに含浸される鉛でよい。
このセパレータは、穿孔に液体電解質を収容することができる、高分子材料などの多孔質材料でよい。
例えば、高分子は、ポリ(アクリロニトリル)、ポリ(エチレンオキシド)、ポリ(フッ化ビニリデン)、ビニリデンフッ化ヘキサフルオロプロピレンの共重合体、又は液体電解質がある状態でゲル化することによりイオン導電性になる別の高分子を含む。リチウム塩は、前に提示したものと同じ定義に適合すればよい。
第1のセル及び/又は第2のセルが、アキュムレータの端に配置される(即ち、スタックの端に配置されたセルを構成する)とき、この第1及び/又は第2のセルは、電流収集基板の1つの面に付着された電極を有し、その反対面が隣接セルの反対の極の電極によって占有されており、更に、電流収集基板の第1の面に付着された反対の極の電極とを有し、前記第1の面と反対側の面が、隣接セルの電極によって占有されておらず、前記第1のセル及び/又は第2のセルが、スタックの最終セルを構成すると考えられる。電流収集基板は、その単一面が電極によって占有され、有利には銅又は銅合金でよいが、別の金属又は合金でもよい。
本発明によるアキュムレータは、特に大量のエネルギーを必要とする小さい一体構造を必要とする製品(搭載システム、スタンドアロンシステムなど)に適する。この種の必要性は、独立電源を必要とする製品の分野で生じ、その製品は、コンピュータ、ビデオ、電話技術、電気自動車やハイブリッド自動車などの輸送の分野、更には医療、宇宙、マイクロエレクトロニクスの分野に該当する。
本発明は、次に、添付図面を参照して以下に定義された特定の実施形態と関連して説明される。
特定の実施形態に係る本発明のアキュムレータを示す。
以下に示した例は、付録として図に示された本発明によるアキュムレータの作製を示し、このアキュムレータは、「バイポーラ」と言われる、銅の電流収集基板によって分離された第1の電気化学セルと第2の電気化学セルのスタックからなり、各セルはそれぞれ、電解質によって分離された単体硫黄を含む正電極とリチウム金属を含む負電極とを有する。
1)「周辺正電極」と呼ばれる正電極の作成
以下の組成:
*80質量%の単体硫黄
*10質量%のスーパーPカーボンブラック
*10重量%のポリビニリデンフルオライド(PVDF)
の正電極が以下の手順により調製される:
−単体硫黄とカーボンブラック粉末を別々に計量し、
−PVDFを含むN−メチルピロリドン(NMP)の溶液を調製し、
−機械的攪拌によって混合しながら前述の粉末を前記溶液に徐々に添加し、
−均一混合物を得た後で、マイクロメータードクターブレードによって、前記混合物を厚さ20μmの銅シートの一方の面に被覆して、厚さ100μmの層を得て、
−それにより付着された層を55℃の炉内で24時間乾燥させ、NMPを蒸発させ、
−その層を50℃で48時間乾燥させて、微量の残留水を全て除去し、それにより得られた層が正電極となり、この層は、15μmの厚さを有する。
2)「周辺負電極」と呼ばれる負電極の作成
周辺負電極は、電流収集基板の役割をする銅シート上に厚さ135μmのリチウム金属シートを熱間圧延することによって作成される。
3)「バイポーラ基板」とも呼ばれる基板の作成
バイポーラ基板は、上の項目1)で述べた操作手順を、厚さ20μmの銅シートの第1の面に適用し、上の項目2)で述べた操作手順を、同じシートの第2の面に適用することにより作成され、この第2の面は、前記第1の面と反対側である。
4)スタックの作成
図1に示されたアキュムレータは、2つの工程で作成される。
非制御雰囲気中で実行される第1の工程は、図1に示された構成に従う構成により、周辺正電極、バイポーラ基板、及び周辺負電極を、ジェネレータ開口の一方の面を空けたまま2つのU字型ポリエチレン・ガスケット内に配置する工程と、次に組立体を高温圧縮してアキュムレータの封止を保証する工程とからなる。
不活性雰囲気中で実行される第2の工程は、空いた面から、正電極と負電極との間の両方のセル内に、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)/ジオキソランの体積50/50混合物の溶液中のリチウムビス−トリメチルスルフォニルイミド(1mol.L-1)を主成分とする液体電解質が含浸されたポリプロピレン/ポリエチレン・セパレータを導入する工程からなる。
次に、空いた面は、ポリエチレンの2つの他のガスケットによって閉じられる。
これらの様々な工程の最後に、図に示された構成により、
−導電性銅基板5上に付着された単体硫黄を含む周辺正電極3と、周辺正電極3と向かい合い、導電性銅基板9の第1の面に付着されたリチウム金属を含む負電極7とを有し、前記負電極と前記正電極が、上に定義されたような電解質が含浸されたセパレータ11によって互いに分離された第1の電気化学セル1と、
−導電性銅基板17上に付着されたリチウム金属を含む周辺負電極15と、周辺負電極15と向かい合い、前記導電性銅基板9の第2の面に付着された単体硫黄を含む正電極19とを有し、前記第2の面が、前記第1の面と反対側にあり、前記負電極と前記正電極が、上に定義されたような電解質が含浸されたセパレータ21によって互いに離された第2の電気化学セル13とを有する電気化学リチウム・アキュムレータが得られる。
1 第1の電気化学セル
3 周辺正電極
5,17 導電性銅基板
7 負電極
9 導電性銅基板
11 セパレータ
13 第2の電気化学セル
15 周辺負電極
19 正電極
21 セパレータ

Claims (5)

  1. 電流収集基板によって互いに分離された少なくとも1個の第1の電気化学セルと少なくとも1個の第2の電気化学セルを含むリチウム電気化学アキュムレータであって、前記基板は、第1の面に、前記第1の電気化学セルの電極を支持し、前記第1の面と反対側の第2の面に、前記第2の電気化学セルの反対の極の電極を支持し、各セルが、電解質によって分離された正電極と負電極を有し、
    −前記電流収集基板が、銅、又は銅合金であり、
    −前記負電極は、
    *式Mxyで表される金属酸化物化合物であって、Mは、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W及びこれらの混合物から選択された元素を表し、xとyは、カチオンの全電荷がアニオンの全電荷を打ち消して前記化合物が電気的に中性になるように選択された正整数である金属酸化物化合物と、
    *リチウム金属、又はリチウム金属を含む合金と、
    *スズ金属と、
    *これらの混合物と、から選択された材料を含み、
    −前記正電極が、
    *単体硫黄と、
    *硫化物化合物と、
    これらの混合物とから選択され材料を含む、リチウム電気化学アキュムレータ。
  2. *前記正電極が、単体硫黄を含み、
    *前記負電極が、リチウム金属、又はリチウム金属を含む合金を含む、請求項1に記載のアキュムレータ。
  3. 前記電解質が、リチウム塩を含む液体電解質である、請求項1又は2に記載のアキュムレータ。
  4. 前記リチウム塩が、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO23、LiN(C25SO2)、リチウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミドLiN[SO2CF32、及びこれらの混合物から選択された、請求項3に記載のアキュムレータ。
  5. 前記電解質が、炭酸塩類及び/又はエーテル類からの1つ又は複数の溶剤を含む、請求項3又は4に記載のアキュムレータ。
JP2013514710A 2010-06-17 2011-06-15 特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ Expired - Fee Related JP5856611B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1054818 2010-06-17
FR1054818A FR2961636B1 (fr) 2010-06-17 2010-06-17 Accumulateur electrochimique au lithium a architecture bipolaire specifique
PCT/EP2011/059973 WO2011157768A1 (fr) 2010-06-17 2011-06-15 Accumulateur electrochimique au lithium a architecture bipolaire specifique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013535075A true JP2013535075A (ja) 2013-09-09
JP5856611B2 JP5856611B2 (ja) 2016-02-10

Family

ID=43037000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013514710A Expired - Fee Related JP5856611B2 (ja) 2010-06-17 2011-06-15 特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9331359B2 (ja)
EP (1) EP2583333B1 (ja)
JP (1) JP5856611B2 (ja)
KR (1) KR20130088126A (ja)
CN (1) CN102947974A (ja)
ES (1) ES2479717T3 (ja)
FR (1) FR2961636B1 (ja)
WO (1) WO2011157768A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019536233A (ja) * 2016-12-22 2019-12-12 株式会社村田製作所 バイポーラ型の二次電池、ならびにそれを含む電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2974674B1 (fr) 2011-04-26 2013-06-28 Commissariat Energie Atomique Accumulateur electrochimique li-ion de type bipolaire a capacite augmentee
FR2979755B1 (fr) 2011-09-02 2015-06-05 Commissariat Energie Atomique Accumulateur electrochimique de type lithium-soufre (li-s) et son procede de realisation
FR3024801A1 (fr) 2014-08-08 2016-02-12 Commissariat Energie Atomique Materiau d'electrode positive a base d'un materiau carbone specifique fonctionnalise par des composes organiques specifiques
FR3083922B1 (fr) * 2018-07-11 2020-10-16 Commissariat Energie Atomique Accumulateur electrochimique a architecture bipolaire comportant une structure specifique
CN109494358B (zh) * 2018-09-28 2021-09-07 陕西科技大学 一种碳基体支撑的Mo4O11/MoO2锂离子电池负极材料及其制备方法
US11295901B2 (en) * 2019-08-15 2022-04-05 GM Global Technology Operations LLC Hybrid electrode materials for bipolar capacitor-assisted solid-state batteries

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007149400A (ja) * 2005-11-24 2007-06-14 Nissan Motor Co Ltd 電池構造体、組電池、およびこれらを搭載した車両
JP2009266467A (ja) * 2008-04-23 2009-11-12 Nissan Motor Co Ltd 双極型二次電池

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5162172A (en) * 1990-12-14 1992-11-10 Arch Development Corporation Bipolar battery
US5254415A (en) * 1992-04-09 1993-10-19 Saft America Inc. Stacked cell array bipolar battery with thermal sprayed container and cell seal
US5432028A (en) * 1993-10-18 1995-07-11 Westinghouse Electric Corporation Electrolyte containment barrier for bipolar cells in high temperature molten salt batteries
US5432030A (en) 1993-12-02 1995-07-11 Eveready Battery Company, Inc. Li/FeS2 cell employing a solvent mixture of diox, DME and 3ME20X with a lithium-based solute
JPH11204136A (ja) * 1998-01-08 1999-07-30 Toyota Motor Corp バイポーラ型リチウムイオン2次電池及びその製造方法
US6503432B1 (en) * 2000-03-02 2003-01-07 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for forming multilayer articles by melt extrusion
KR100338032B1 (ko) * 2000-06-13 2002-05-24 김순택 리튬-황 전지
US6911280B1 (en) 2001-12-21 2005-06-28 Polyplus Battery Company Chemical protection of a lithium surface
JP4594590B2 (ja) * 2002-12-27 2010-12-08 パナソニック株式会社 電気化学素子
JP4238645B2 (ja) * 2003-06-12 2009-03-18 日産自動車株式会社 バイポーラ電池
TWI377726B (en) * 2004-04-01 2012-11-21 3M Innovative Properties Co Redox shuttle for overdischarge protection in rechargeable lithium-ion batteries
JP5098150B2 (ja) * 2004-12-07 2012-12-12 日産自動車株式会社 バイポーラ電池およびその製造方法
US9017877B2 (en) * 2007-05-24 2015-04-28 Nissan Motor Co., Ltd. Current collector for nonaqueous solvent secondary battery, and electrode and battery, which use the current collector
FR2925768B1 (fr) 2007-12-21 2012-06-08 Commissariat Energie Atomique Batterie multipolaire a etancheite interplaque amelioree

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007149400A (ja) * 2005-11-24 2007-06-14 Nissan Motor Co Ltd 電池構造体、組電池、およびこれらを搭載した車両
JP2009266467A (ja) * 2008-04-23 2009-11-12 Nissan Motor Co Ltd 双極型二次電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019536233A (ja) * 2016-12-22 2019-12-12 株式会社村田製作所 バイポーラ型の二次電池、ならびにそれを含む電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102947974A (zh) 2013-02-27
ES2479717T3 (es) 2014-07-24
KR20130088126A (ko) 2013-08-07
JP5856611B2 (ja) 2016-02-10
FR2961636A1 (fr) 2011-12-23
WO2011157768A1 (fr) 2011-12-22
EP2583333A1 (fr) 2013-04-24
EP2583333B1 (fr) 2014-04-09
US9331359B2 (en) 2016-05-03
FR2961636B1 (fr) 2013-10-18
US20130101903A1 (en) 2013-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10566652B2 (en) Lithium metal battery with hybrid electrolyte system
US9979008B2 (en) Methods for making a solid electrolyte interface layer on a surface of an electrode
US11183711B2 (en) Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
US7326493B2 (en) Lithium electrochemical generator comprising at least a bipolar electrode with conductive aluminium or aluminium alloy substrates
JP6870914B2 (ja) 非水電解質電池、電池パック及び車両
US20190319242A1 (en) Separator for lithium metal based batteries
CN111384399B (zh) 用于锂金属电极的保护性涂层
JP5856611B2 (ja) 特定のバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ
US9337508B2 (en) Electrochemical lithium accumulator with a bipolar architecture comprising a specific electrolyte additive
US20200335822A1 (en) Non-Aqueous Electrolyte Solution for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Including the Same
CN112448047B (zh) 预锂化电极的方法
JP2011159596A (ja) 二次電池、及びその製造方法
JPWO2013137273A1 (ja) 非水電解質二次電池および電池パック
US10637048B2 (en) Silicon anode materials
JP6000243B2 (ja) 一対のリチウム硫黄化合物電極に基づいて動作するバイポーラ構造を有するリチウム電気化学アキュムレータ
US20080014507A1 (en) High power high energy lithium-ion cell
CN109643828B (zh) 非水电解质蓄电元件
US20190157722A1 (en) Non-aqueous solvent electrolyte formulations for energy storage devices
JP6125719B1 (ja) 充電システム及び非水電解質電池の充電方法
US20230187649A1 (en) Lithium Ion Battery and Method for Manufacturing Such a Lithium Ion Battery
WO2020213268A1 (ja) 非水電解液、不揮発性電解質、二次電池
JP6667623B2 (ja) バッテリーセルの正極用の活物質、正極、およびバッテリーセル
US20220416226A1 (en) Lithium Ion Battery and Method for Producing a Lithium Ion Battery
US20230016431A1 (en) Lithium Ion Battery and Method for Producing a Lithium Ion Battery
JP2023551438A (ja) カソード活性材料およびそれを用いたリチウムイオン電池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140523

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150210

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150212

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150507

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151124

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151211

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5856611

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees