JP2016029651A - 活性材料 - Google Patents
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Abstract
Description
保護層はリチウム活性物質と合金に形成できる少なくとも1つの材料を含有する。そして、構造層はリチウムと合金反応を発生しない。複合層は、有効に水分と酸素をバリアすることによって、活性物質を完全に外部環境と隔絶させる。したがって、活性材料は直接に通常環境で保管、作業できる一方、構造層が有する構造応力によって、反応した保護層材料の構造がゆるくて崩れることが避けられる。
この活性材料は、活性物質、例えばリチウム活性物質と、リチウム活性物質を完全に覆う複合層とを含む。この複合層は、少なくとも1つの保護層と、少なくとも1つの構造層から組成する。複合層は、保護層と構造層との材料選択及び対応位置関係によって、有効に水分と酸素をバリアしてリチウム活性物質を完全に外部環境と隔絶させる。したがって、活性材料は、通常環境で直接保管、作業でき、構造がゆるくなる保護層材料を複合層内に分散し、リチウム活性物質と離れすぎることを避けることができる。したがって、保護層の逆使用率が大幅に向上すると共に、構造が崩れることによって活性材料が電極内で破壊されることを抑制できる。
したがって、脱合金化反応を行う時に、脱合金化を行った後に、ゆるい合金物質は保護層142と離れすぎず、次回の合金化反応を行う時に、リチウム活性物質12及び崩れていない保護層142の近傍に分散される合金物質は、適切な電圧で再び合金化反応を進行できる。また、構造層144で合金物質の分布を固定或は限制することによって、活性材料10全体の導電性とイオン導電度を維持できる。
本発明に係る保護層142は、少なくとも1つの金属物質及び/又は一つの類金属物質を含有してもよく、もちろん、多様な金属物質及び/又は類金属物質を含有してもよい。在リチウムバッテリーの実施の形態において、遊離イオンはリチウムであるので、保護層142はリチウムと合金に形成できるアルミニウム金属、アルミニウム合金、スズ金属、スズ合金、シリコン、シリコン合金又はリチウムと合金に形成できる何れの金属及び/或は合金から選ばれる。
なお、本発明に係る遊離イオンは一般的な給電装置に採用される電解質から提供することができ、かつ上記電解質はその型態に限られず、例えば、媒体は液体電解質、固体電解質、コロイド電解質、液体イオン及びこれらの組み合わせから選ばれる。
この外、公知の活性材料の最外層は保護層であるため、保護層は公知の活性材料と電極層における粘着剤(一般的にはポリマー材料である)との粘着点になる。保護層と電解質におけるリチウムイオンとが複数回の合金化と脱合金化反応した後に、保護層の構造が最外部から少しずつ膨張して崩れた後、公知の活性材料と電極層における粘着剤との粘着点も崩れ、最後は公知の活性材料が電極層中から剥離する。これによって、リチウムバッテリー全体の電性表現に影響を及ぼす。
これに対して、本発明の活性材料10は、その最外層が構造層144に覆われるので、合金化した保護層142が所定の空間範囲内に固定又は制限される。活性材料10と電極板内粘着剤と結合点としてもよく、たとえ何回反応しても、構造層144の構造は崩れず、活性材料10が電極層から剥離される問題も当然発生しない。
この実施例において構造層144は少なくとも局所に保護層142を覆う形態でリチウム活性物質12を覆う。換言すると、構造強度が十分である場合、構造層144は、完全に保護層142を覆う必要がなく、部分的に保護層142を覆ってもよい。
この構造に設計する理由は、水分或は酸素をバリアできない材料、例えば銅を選んで構造層144の材料とする場合でも、リチウム活性物質12を給電装置内部に封入する前に、有効に環境中の水分と酸素を隔絶する効果も兼備できるからである。このとき、構造層144が必要とするイオン導電度エリアは、直接に隣接する保護層142から形成される。
例えば、適当な材料として、ポリマー材料、陶瓷材料、繊維材料及びその組み合わせが挙げられる。また、構造層144は、イオンを通過させる特性を持つほか、構造層144の材料自身が導電性を有して構造層144に導電性を持たせてもよく、直接に導電性を持つ材料を使用するはか、導電特性を持たない材料に適当な導電材料を添加してもよい。例えば、適当の導電材料として、カーボンブラック、硬質炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、炭素粉末、金属粉末等が挙げられる。更に、構造層144の孔部に固体或コロイド電解質を充填してもよく、また、浸潤の方法によりポリマー材料に固体或コロイド電解質を吸着させてもよい。
したがって、この保護層142は、二元合金、三元合金或いは多元合金の組み合わせであってもよい。例えば、保護層142が二元合金である場合、リチウムイオン/リチウム金属と合金に形成できるスズ金属と、チウムイオン/リチウム金属と合金反応を発生しないニッケル金属からなるニッケル−スズ合金であり、このうち、スズの含有量は0.1%以上である。
バリア層18が備える条件は以下の通りである。1.リチウムと反応しない。2.導電性を持って外部電子をリチウム活性物質12に進入させて酸化還元反応を発生する。3.イオン導電度はバリア層18自体の材料特性でもよいし、保護層142からなる合金物質で媒体(電解質)をバリア層18に持ち込んでリチウム活性物質12と接触してもよい。これによって、イオンをリチウム活性物質12と伝導させて活性材料10全体の電位がリチウム活性物質12の電位と同様になる。
図3Cの実施形態においてバリア層18が直接リチウム活性物質12の外表面を局所に覆う形態が開示されているが、図3Bと異なる点は、図3Cの実施形態において、バリア層18がさらに少なくとも1つの不動態金属エリア182及び少なくとも1つの空乏エリア184を含み、このうち、不動態金属エリア182はリチウム活性物質12の外表面に位置し、かつリチウムと合金に形成されない点である。空乏エリア184は不動態金属エリア182と隣接して配置され、かつ複合層14とリチウム活性物質12との間に位置する。しかし、上記いずれの形態においても、バリア層18の設置により、リチウム活性物質12を複合層14における保護層142と隔絶させ、リチウム活性物質12がファラデー反応を行う前に不適切な条件(例えば高温)で予め保護層142と望ましくない合金化反応が発生することを避けて、保護層142の全体性を確保する。
しかし、リチウム−アルミニウム合金物質は、その格子が膨張して破断することによってゆるい状態になり、その時、保護層142の表面は構造層144に覆われるので、リチウム−アルミニウム合金物質はランダムに電解質に分散されることなく、電極材料の接着材と粘着される構造層144で有効に所定な空間範囲内に限られる。したがって、電極材料に分散されるリチウム活性物質12は、保護層142がゆるくなることにより完全に潰れることがない。
12 リチウム活性物質
14 複合層
142 保護層
144 構造層
16 孔部
18 バリア層
182 不動態金属エリア
184 空乏エリア
Claims (26)
- 給電装置に使用される活性材料であって、リチウム活性物質と、前記リチウム活性物質を完全に覆う複合層とを備え、前記複合層は、第1の保護材料を有し、リチウム金属/リチウムイオンと合金に形成される保護層と、リチウム金属/リチウムイオンと合金に形成されない構造層とを含むことを特徴する、
活性材料。 - 前記保護層は、更に前記リチウム活性物質の外表面を覆う請求項1に記載の活性材料。
- 前記保護層は、更に前記構造層で覆われる請求項1に記載の活性材料。
- 前記構造層は、前記リチウム活性物質の外表面を局所的に覆う請求項1に記載の活性材料。
- 前記構造層は多孔性材料から構成される請求項1に記載の活性材料。
- 前記構造層は、更に複数スルーホール及び/または止り穴を含む請求項1に記載の活性材料。
- 前記構造層は、ポリマー材料、セラミックス材料、繊維材料、金属材料、固体電解質、コロイド電解質またはその組み合わせから選ばれる請求項1に記載の活性材料。
- 前記構造層の材料は金属材料であり、銅、ニッケル、鉄、銅合金、ニッケル合金、鉄合金または上記材料の組み合わせから選ばれる請求項1に記載の活性材料。
- 前記保護層及び前記構造層は、互いに積層して設置される請求項1に記載の活性材料。
- 前記リチウム活性物質の材料は、リチウム金属、リチウム化合物またはその組み合わせから選ばれる請求項1に記載の活性材料。
- 前記保護層における第1の保護材料の成分には、一つの金属及び/または一つの類金属材料を含む請求項1に記載の活性材料。
- 前記金属及び/または類金属材料は、アルミニウム、スズ、シリコン、アルミニウム合金、スズ合金、シリコン合金或はリチウム合金に形成される材料を含む請求項1に記載の活性材料。
- 前記保護層は、前記第1の保護材料以外、更に第2の保護材料を含み、かつ前記第1の保護材料及び/又は第2の保護材料は非合金態或いは合金態であり、前記保護層において前記第1の保護材料の含有量は0.1%以上であり、前記第2の保護材料はリチウム金属/リチウムイオンと合金に形成されない物質である請求項1に記載の活性材料。
- 前記保護層の少なくとも一部と合金化反応を発生する、リチウムイオンから提供される媒体によって酸化還元反応を行う請求項1に記載の活性材料。
- 前記媒体は、液体電解質、固体電解質、コロイド電解質、液体イオン、リチウム塩含有有機溶液、リチウム塩含有無機溶液またはこれらの組み合わせから選ばれる請求項14に記載の活性材料。
- 前記構造層は更に導電性を持つ請求項1に記載の活性材料。
- 更に前記リチウム活性物質と前記複合層を区分するバリア層を含み、前記バリア層はリチウムと合金反応を発生しない請求項1に記載の活性材料。
- 前記バリア層は更に導電性を持つ請求項17に記載の活性材料。
- 前記バリア層は更にイオン伝導性を持つ請求項17に記載の活性材料。
- 前記バリア層は前記リチウム活性物質の外表面に隣接する請求項17に記載の活性材料。
- 前記複合層は前記バリア層の外表面を覆う請求項17に記載の活性材料。
- 前記バリア層は導電性ポリマーまたは多孔性導電層である請求項17に記載の活性材料。
- 前記多孔性導電層は、導電粒子が添加される非導電性ポリマー、またはネット状構造の金属である請求項22に記載の活性材料。
- 前記バリア層は、少なくとも1つの、前記リチウム活性物質の外表面に位置する、リチウムと合金に形成されない不動態金属エリアと、少なくとも一つの前記不動態金属エリアに隣接する、前記複合層と前記リチウム活性物質との間に位置する空乏エリアとを含む請求項17に記載の活性材料。
- 前記不動態金属エリアの材料は、銅、ニッケル、鉄、チタン、亜鉛、銀、金、銅合金、ニッケル合金、鉄合金、チタン合金、亜鉛合金、銀合金、金合金またはこれらの組み合わせである請求項24に記載の活性材料。
- 前記空乏エリアは、物質が充填されていない隙間である請求項24に記載の活性材料。
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