JP2016513354A - 充電可能な亜鉛イオン電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、正極と、負極と、前記正極と負極の間にある隔離膜と、陽イオン、陰イオンを備えると共にイオン導電性を有する電解質とを備える充電可能な亜鉛イオン電池であって、前記負極は、亜鉛元素を含み、前記正極は、その活性材料が、亜鉛イオンが挿入及び脱離するナノカーボン材料であり、前記電解質は、その内に亜鉛イオンが含まれ、液体又はゲル状であるものである充電可能な亜鉛イオン電池を公開している。本発明は、ナノカーボン材料における亜鉛イオン（Zn２+）の可逆的な挿入及び脱離を利用する同時に、亜鉛元素を主にする負極材料が酸化する、又は亜鉛イオン（Zn２+）が負極表面に還元するエネルギー蓄積原理で、ナノカーボン材料の高い比表面、高い導電性、及び特別な性能を利用するので、本発明に係る充電可能な亜鉛イオン電池は、容量が高く、充電放電を迅速にでき、サイクル寿命が長く、安全や環境保護性が高く、コストが低い等の利点があり、消耗電子、電動車、通信、航空、空間航行、軍事等の領域に幅広く応用される。【選択図】図２
Description
本発明は、電池技術領域に関り、具体的に、充電可能な亜鉛イオン電池に関る。
小型と移動可能な電池においては、亜鉛マンガン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、鉛電池、亜鉛イオン電池の六種類がある。このうち、亜鉛マンガン電池が一次電池であり、繰り返して充電放電できないものであり、他の電池が二次電池であり、繰り返して充電放電できるものである。二次電池は、原材料を十分に利用できるので、コストがひくくなっているが、従来の二次電池のサイクル寿命が殆ど何百回であるので、ある期間使用された後、新たな電池を交換して放電時間の短縮を防止する。
従来の充電可能な亜鉛イオン電池は、二酸化マンガンを正極とし、亜鉛を負極とし、亜鉛イオンを含んだ水溶液が電解液の充電可能な亜鉛イオン電池である。
このような亜鉛イオン電池は、電子を蓄積する原理が以下の通りである。
このような電池は、値段が安く、安全や環境保護性が高い利点があるが、その正極の二酸化マンガンの容量が２００ mAh g-１である。周知のように、電池については、高い容量が幅広く応用される最初の条件である。このため、新たな高容量電極材料を探すことは、電池容量を向上するのに最も良い方法である。
本発明は、その解決しようとする課題が、上記従来技術の不足を解決するために、１０００ mAh g-１以上の高容量を有する充電可能な亜鉛イオン電池を提出することである。
本発明に係る充電可能な亜鉛イオン電池は、正極と、負極と、前記正極と負極の間にある隔離膜と、陽イオン、陰イオンを備えると共にイオン導電性を有する電解質とを備える充電可能な亜鉛イオン電池であって、前記負極は、亜鉛元素を含み、前記正極は、その活性材料がナノカーボン材料であり、前記電解質は、その内に亜鉛イオンが含まれ、液体又はゲル状であるものである。
発明者は、ナノカーボン（Nanocarbon、NCと略称）材料における亜鉛イオン（Zn２+）の可逆的な蓄積及び放出を発見しており、このような亜鉛イオン電池については、ナノカーボン材料を活性材料とする正極の亜鉛イオン電池が電子を蓄積する原理が以下の通りである。
この過程においては、高い可逆的な容量が提供され、その容量が１０００ mAh g-１以上である。このため、このような電池は、容量が高く、充電放電を迅速にでき、サイクル寿命が長く、安全や環境保護性が高く、コストが低い等の利点があり、消耗電子、電動車、通信、航空、空間航行、軍事等の領域に幅広く応用される。
好ましくは、前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に接着される正極膜を備え、前記正極膜は、前記ナノカーボン材料と接着剤を備え、前記ナノカーボン材料は、ナノ構造を有すると共にその一次元の寸法が１００ナノメートル以下のカーボン材料である。
好ましくは、前記ナノカーボン材料は、グラフェンとカーボンナノチューブの一方又は両方の混合物である。
グラフェンとカーボンナノチューブは、何れも、特別な構造を有するカーボンナノ材料であり、グラフェンは、単層又は多層なカーボン原子層からなり、カーボン原子層は、一般に１０層以下であり、カーボンナノチューブは、単層又は多層なカーボン原子層の巻き付けによるものであり、この両種類のカーボン材料は、特別な構造を有するので、性能が特殊であり、グラフェンとカーボンナノチューブで大量の亜鉛イオンを蓄積することで、二酸化マンガンの五倍以上であって１０００mAh g-１以上の容量を得られ、充電可能な亜鉛イオン電池の容量を向上できる。
好ましくは、前記負極は、純金属亜鉛箔又は亜鉛の合金箔である。
好ましくは、前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接着される負極膜を備え、前記負極膜は、主に亜鉛粉又は亜鉛の合金粉を含み、更に接着剤を含む。
好ましくは、前記負極膜は、その添加量が前記負極膜質量の１％以下である防錆剤を更に備える。
好ましくは、前記防錆剤は、インジウムの酸化物とインジウムの水和物の少なくともの一つである。
好ましくは、前記正極膜は、その添加量が前記正極膜質量の５０％以下である電子導電剤を更に備える。
好ましくは、前記負極膜は、その添加量が前記負極膜質量の５０％以下である電子導電剤を更に備える。
好ましくは、前記亜鉛イオンは、亜鉛の可溶塩で提供され、前記亜鉛の可溶塩は、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛及び塩化亜鉛のうち少なくとも一つである。
以下、図面を参照して好適な実施形態を組み合わせて、本発明を更に説明する。
本発明は、充電可能な亜鉛イオン電池を提供し、一実施形態において、該充電可能な亜鉛イオン電池は正極と、負極と、前記正極と負極の間にある隔離膜と、陽イオン、陰イオンを備えると共にイオン導電性を有する電解質とを備えるものであり、前記負極は、亜鉛元素を含み、前記正極は、その活性材料がナノカーボン材料であり、前記電解質は、その内に亜鉛イオンが含まれり、液体又はゲル状のものである。
好適な実施例において、正極は、正極集電体と、前記正極集電体に接着される正極膜を備え、前記正極膜は、前記ナノカーボン材料と接着剤を備え、前記ナノカーボン材料は、ナノ構造を有すると共にその一次元の寸法が１００ナノメートル以下のカーボン材料であり、接着剤は、本分野公知の充電電池正極膜に用いられる接着剤であり、前記ナノカーボン材料は、その質量が、前記正極膜質量の５０％以上であり、好ましくは、前記正極膜に電子導電剤が含まれ、電子導電剤は、本分野常用の正極に用いられる電子導電剤であり、前記電子導電剤は、その添加量が前記正極膜質量の５０％以下である。
好適な実施例において、前記ナノカーボン材料は、グラフェンとカーボンナノチューブの一方又は両方の混合物であり、グラフェンとカーボンナノチューブは、本分野常用の方法で制作されるものであってもよく、直接購入されてもよい。
前記負極の活性材料は、亜鉛元素を主にするものであり、好適な実施例において、前記負極は、直接、純金属亜鉛箔又は亜鉛の合金箔であってもよい。他の好適な実施例において、前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接着される負極膜を備え、前記負極膜は、主に亜鉛粉又は亜鉛の合金粉を含み、更に接着剤を含み、接着剤は、本分野公知の充電電池負極膜に用いられる接着剤であり、亜鉛粉又は亜鉛の合金粉と接着剤は、膜になるように本分野常用の比率で混合され、好ましくは、負極膜は、更に防錆剤を備え、前記防錆剤は、その添加量が前記負極膜質量の１％以下であり、前記防錆剤は、インジウムの酸化物とインジウムの水和物の少なくともの一つであり、好ましくは、前記負極膜は、さらに電子導電剤を備え、電子導電剤は、本分野常用の負極に用いられる電子導電剤であり、前記電子導電剤は、その添加量が前記負極膜質量の５０％以下である。
好適な実施例において、前記亜鉛イオンは、亜鉛の可溶塩で提供され、前記亜鉛の可溶塩は、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛及び塩化亜鉛のうち少なくとも一つであり、電解液は、そのPH値が３―７の間にある。電解質が液体であると、電解質が亜鉛の可溶塩を溶質として、水を溶質として溶液を形成しており、電解質がゲル状であると、電解質において、亜鉛を備えた可溶塩水溶液とゲル状になる常用の添加剤が含まれる。
以下、具体的な実施例にて本発明を更に説明する。
実施例一
正極活性材料としては、市場販売されるグラフェンを採用し、グラフェンの透過型電子顕微鏡の写真は、図１に示される。グラフェン粉、電子導電剤カーボンブラックと接着剤ポリ四フッ化エチレンを質量比８：１：１の比率で混合した後、正極集電体のステンレス鋼箔に塗り、一定の大きさに切り、真空中に乾燥化することでグラフェン電極片を形成する。該グラフェン電極片を正極として、０．１mm厚さの亜鉛を負極として、PH値が４．５の１mol L-１ ZnSO４水溶液を電解質として電池を形成し、Cell１と記する。Cell１は、３００mA g-１（グラフェン粉の質量で計算）の一定電流で充電、放電されるグラフが図２に示される。図２に示すCell１亜鉛イオン電池が繰り返して充電、放電され、二次電池になる。グラフェン粉の質量で計算し、Cell１の容量が２５００mAh g-１である。
正極活性材料としては、市場販売されるグラフェンを採用し、グラフェンの透過型電子顕微鏡の写真は、図１に示される。グラフェン粉、電子導電剤カーボンブラックと接着剤ポリ四フッ化エチレンを質量比８：１：１の比率で混合した後、正極集電体のステンレス鋼箔に塗り、一定の大きさに切り、真空中に乾燥化することでグラフェン電極片を形成する。該グラフェン電極片を正極として、０．１mm厚さの亜鉛を負極として、PH値が４．５の１mol L-１ ZnSO４水溶液を電解質として電池を形成し、Cell１と記する。Cell１は、３００mA g-１（グラフェン粉の質量で計算）の一定電流で充電、放電されるグラフが図２に示される。図２に示すCell１亜鉛イオン電池が繰り返して充電、放電され、二次電池になる。グラフェン粉の質量で計算し、Cell１の容量が２５００mAh g-１である。
実施例二
正極活性材料としては、市場販売されるカーボンナノチューブを採用し、その走査電子顕微鏡の写真が図３に示されており、ここに、多層カーボンナノチューブが使用されることが多い。カーボンナノチューブ粉、導電剤カーボンブラックと接着剤ポリ四フッ化エチレンを質量比８：１：１の比率で混合した後、正極集電体のステンレス鋼箔に塗り、一定の大きさに切り、真空中に乾燥化することでカーボンナノチューブ電極片を形成する。該カーボンナノチューブ電極片を正極として、０．２mm厚さの亜鉛を負極として、PH値が４．５の１mol L-１ ZnSO４水溶液を電解液として電池を形成し、Cell２と記する。Cell２は、５００mA g-１（カーボンナノチューブの質量で計算）の一定電流で充電、放電されるグラフが図４に示される。図４に示すCell２亜鉛イオン電池が繰り返して充電、放電され、二次電池になる。カーボンナノチューブの質量で計算し、Cell２の容量が１４５０mAh g-１である。
正極活性材料としては、市場販売されるカーボンナノチューブを採用し、その走査電子顕微鏡の写真が図３に示されており、ここに、多層カーボンナノチューブが使用されることが多い。カーボンナノチューブ粉、導電剤カーボンブラックと接着剤ポリ四フッ化エチレンを質量比８：１：１の比率で混合した後、正極集電体のステンレス鋼箔に塗り、一定の大きさに切り、真空中に乾燥化することでカーボンナノチューブ電極片を形成する。該カーボンナノチューブ電極片を正極として、０．２mm厚さの亜鉛を負極として、PH値が４．５の１mol L-１ ZnSO４水溶液を電解液として電池を形成し、Cell２と記する。Cell２は、５００mA g-１（カーボンナノチューブの質量で計算）の一定電流で充電、放電されるグラフが図４に示される。図４に示すCell２亜鉛イオン電池が繰り返して充電、放電され、二次電池になる。カーボンナノチューブの質量で計算し、Cell２の容量が１４５０mAh g-１である。
上記の内容は、具体的な好適な実施形態を組合せて本発明を更に詳しく説明したものであり、本発明の具体的な実施がこれらの説明に限定されないと理解すべきである。当業者にとっては、本発明の思想を脱出しない前提で、幾つかの同等の差し替え又は明らかな変更を行え、そして性能又は作用が同じで、何れも本発明の保護範囲に属すものであると見なされるべきである。
発明者は、ナノカーボン（Nanocarbon、NCと略称）材料における亜鉛イオン（Zn２+）の可逆的な挿入及び脱離を発見しており、このような亜鉛イオン電池については、ナノカーボン材料を活性材料とする正極の亜鉛イオン電池が電子を蓄積する原理が以下の通りである。
Claims (10)
- 正極と、負極と、前記正極と負極の間にある隔離膜と、陽イオン、陰イオンを備えると共にイオン導電性を有する電解質とを備える充電可能な亜鉛イオン電池であって、
前記負極は、亜鉛元素を含み、
前記正極は、その活性材料が、ナノカーボン材料であり、
前記電解質は、その内に亜鉛イオンが含まれ、液体又はゲル状であるものである、ことを特徴とする充電可能な亜鉛イオン電池。 - 前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に接着される正極膜を備え、前記正極膜は、前記ナノカーボン材料と接着剤を備え、前記ナノカーボン材料は、ナノ構造を有すると共にその一次元の寸法が１００ナノメートル以下のカーボン材料である、請求項１に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記ナノカーボン材料は、グラフェンとカーボンナノチューブの一方又は両方の混合物である、請求項２に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記負極は、純金属亜鉛箔又は亜鉛の合金箔である、請求項１に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接着される負極膜を備え、前記負極膜は、主に亜鉛粉又は亜鉛の合金粉を含み、更に接着剤を含む、請求項１に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記負極膜は、その添加量が前記負極膜の質量の１％以下である防錆剤を更に備える、請求項５に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記防錆剤は、インジウムの酸化物とインジウムの水和物の少なくともの一つである、請求項６に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記正極膜は、その添加量が前記正極膜の質量の５０％以下である電子導電剤を更に備える、請求項２に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記負極膜は、その添加量が前記負極膜の質量の５０％以下である電子導電剤を更に備える、請求項５に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
- 前記亜鉛イオンは、亜鉛の可溶塩で提供され、前記亜鉛の可溶塩は、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛及び塩化亜鉛のうち少なくとも一つである、請求項１から９のうち何れか一項に記載の充電可能な亜鉛イオン電池。
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