JP2019046565A - 電気化学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電極間におけるイオンの輸送量を増加させることができる、あるいは電気化学反応を促進することができる電気化学デバイスを提供すること。【解決手段】電気化学デバイス１０１は、容器１０２と、容器１０２内に収容された電解液１０６と、電解液１０６中に配置された正極１０４と、電解液１０６中において正極１０４に対向して配置された負極１０３と、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６を正極１０４および負極１０３のいずれか一方から正極１０４および負極１０３のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる電解液対流部１１０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電池や電気分解装置等の電気化学デバイスに関する。

近年、例えばリチウムイオン二次電池などのような二次電池は、種々の分野において使用されている。このような二次電池に対しては、充電時間の短縮化（急速充電）などが望まれている。すなわち、電気化学反応の促進が、二次電池に対して望まれている。電気化学反応の促進は、二次電池だけには限定されず、電気分解装置を含む電気化学デバイスに対して望まれている。

特許文献１には、陽極電極と陰極電極とを有する電解液体処理装置が開示されている。特許文献１に記載された装置は、陽極電極と陰極電極との間の電解反応主領域に対して処理液を強制的に攪拌しながら吐出通過させ、電解反応主領域において液体攪拌を行うことができる。

特許文献１に記載された電解液体処理装置では、図２に示すように、陽極電極の表面および陰極電極の表面は、電解処理槽内において互いに対向している。処理液吐出口から電解処理槽内に導入される処理液は、攪拌されながら、電解反応主領域において陽極電極の表面および陰極電極の表面に沿って流れる。

特開２００６−２５５６０２公報

しかし、特許文献１に記載された電解液体処理装置では、処理液は、互いに対向する陽極電極の表面および陰極電極の表面に平行な方向に流れる。そのため、特許文献１に記載された電解液体処理装置では、陽極電極と陰極電極との間においてイオンの輸送量を増加させ、電気化学反応を促進するという点において改善の余地がある。

本発明は、このような問題を解決するものであり、電極間におけるイオンの輸送量を増加させることができる、あるいは電気化学反応を促進することができる電気化学デバイスを提供することを目的とする。

前記課題は、本発明によれば、容器と、前記容器内に収容された電解液と、前記電解液中に配置された正極と、前記電解液中において前記正極に対向して配置された負極と、前記正極と前記負極との間に存在する前記電解液を前記正極および前記負極いずれか一方から前記正極および前記負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる電解液対流部と、を備えたことを特徴とする電気化学デバイスにより解決される。

前記構成によれば、電解液対流部は、正極と負極との間に存在する電解液を正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる。そのため、正極と負極との間に存在する電解液は、正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かうイオンの輸送方向に平行な方向に流れる。言い換えれば、正極と負極との間に存在する電解液は、互いに対向する正極の面および負極の面に平行な方向ではなく、互いに対向する正極の面および負極の面に対して交差する方向に流れる。このため、正極と負極との間におけるイオンの輸送形態に関して、電解液対流部を用いた人工的で強制的な電解液の対流が、イオンの濃度勾配による拡散と、正極と負極との間の電位差による電気泳動と、に対して加わる。これにより、正極と負極との間におけるイオンの輸送量を増加させることができるとともに、電気化学反応を促進することができる。

好ましくは、前記正極および前記負極のそれぞれは、多孔質材料により形成された基材と、前記基材に付着された電極材料と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、正極および負極のそれぞれの電極材料は、多孔質材料により形成された基材に付着されている。そのため、電解液対流部が正極および負極いずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に電解液を強制的に対流させると、電解液は、各電極の基材の内部（多孔質材料の空隙）に流入する。そのため、電解液は、正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に流れ、各電極の基材の内部を通過することができる。これにより、正極と負極との間における電解液の対流が正極および負極により阻害されることを回避することができる。そのため、正極と負極との間に存在する電解液は、正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に円滑に流れる。これにより、正極と負極との間におけるイオンの輸送量を増加させることができるとともに、電気化学反応を促進することができる。

好ましくは、前記正極および前記負極のそれぞれは、前記基材に付着され前記基材と前記電極材料との間の導電性を補助する導電助剤と、前記基材に対して前記電極材料および前記導電助剤を結着させる粘結材と、をさらに有することを特徴とする。

前記構成によれば、正極および負極のそれぞれの基材が多孔質材料により形成されていても、導電助剤が基材（多孔質材料）と電極材料との間の導電性を確保することができる。また、粘結材は、電極材料および導電助剤が電解液の対流により基材からはがれることを抑えることができる。

好ましくは、前記電解液対流部は、前記容器の外部に設けられ前記容器の一方側から前記容器の他方側に接続された配管と、前記配管に設けられ前記配管を流れる前記電解液を循環させることにより前記正極と前記負極との間に存在する前記電解液を前記正極および前記負極のいずれか一方から前記正極および前記負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる駆動部と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、電解対流部は、配管と、駆動部と、を有する。配管は、容器の外部に設けられ、容器の一方側から容器の他方側に接続されている。駆動部は、配管に設けられ、配管を流れる電解液を循環させることにより、正極と負極との間に存在する電解液を正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる。これにより、駆動部は、配管を通じて、正極および負極のいずれか一方から正極および負極のいずれか他方に向かう方向に電解液を輸送して正極と負極との間で循環させながら対流させ、電解液の流れを形成することができる。そのため、比較的簡単な構成により、電解液を強制的に対流させ、正極と負極との間におけるイオンの輸送量を増加させることができるとともに、電気化学反応を促進することができる。

以上説明したように、本発明によれば、電極間におけるイオンの輸送量を増加させることができる、あるいは電気化学反応を促進することができる電気化学デバイスを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電気化学デバイスを表す断面図である。 本実施形態に係る電気化学デバイスの構造を示す模式図である。 本実施形態の正極および負極の構造および製造方法を説明する図である。 本発明者が行った検討の結果の一例を表すグラフである。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電気化学デバイスを表す断面図である。
図２は、本実施形態に係る電気化学デバイスの構造を示す模式図である。
図３は、本実施形態の正極および負極の構造および製造方法を説明する図である。

図１と図２に表した電気化学デバイス１０１は、繰り返して充電可能な二次電池である。二次電池の例としては、例えばリチウムイオン二次電池などが挙げられる。本実施形態の説明では、電気化学デバイス１０１がリチウムイオン二次電池である場合を例に挙げる。また、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１の作用の説明では、図２を参照して電気化学デバイス１０１の充電を例に挙げる。なお、本実施形態で説明する電気化学デバイス１０１の作用および効果は、電気化学デバイス１０１の放電においても適用可能である。この場合には、電解液１０６が流れる方向は、電気化学デバイス１０１の充電の場合に電解液１０６が流れる方向とは逆になる。また、本実施形態に係る電気化学デバイスは、二次電池には限定されず、例えば電気分解装置であってもよい。この場合であっても、本実施形態で説明する電気化学デバイスの作用および効果は、電気分解装置において同様に得られる。

図１および図２に示すように、電気化学デバイス１０１は、容器１０２と、多孔質の負極１０３と、多孔質の正極１０４と、多孔質のセパレータ１３０と、負極端子１２１と、正極端子１２２と、電解液対流部１１０と、を有する。但し、電気化学デバイス１０１は、必ずしもセパレータ１３０を有していなくともよい。

図２に示すように、容器１０２は、電解液対流部１１０に接続され、電解液１０６を収容している。電解液１０６に含まれる電解質としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４などのリチウム塩が挙げられる。電解液対流部１１０は、第１配管１１１と、第２配管１１２と、駆動部としてのポンプ１１５と、を有する。第１配管１１１および第２配管１１２は、本発明の「配管」に相当する。また、ポンプ１１５は、本発明の「駆動部」に相当する。

第１配管１１１の一端部は、容器１０２の第１側面部１０２Ａの流出用孔１０２Ｃに接続されている。第１配管１１１の他端部は、ポンプ１１５の流入側に接続されている。第２配管１１２の一端部は、容器１０２の第２側面部１０２Ｂの流入用孔１０２Ｄに接続されている。第２配管１１２の他端部は、ポンプ１１５の流出側に接続されている。容器１０２の第１側面部１０２Ａは、負極１０３に対面している。容器１０２の第２側面部１０２Ｂは、正極１０４に対面している。

負極１０３は、電解液１０６中において正極１０４に対向して配置されている。具体的には、負極１０３の面（第１面）１０７は、正極１０４の面（第２面）１０８に対向している。負極１０３の面１０７は、本発明の「第１面」に相当する。正極１０４の面１０８は、本発明の「第２面」に相当する。図３（ａ）に表したように、負極１０３は、多孔質材料により形成された基材２０と、基材２０に付着された電極材料２２と、を有する。基材２０の材料としては、例えば導電性を有する多孔質のカーボンなどが挙げられる。これによれば、基材２０が多孔質材料により形成されていても、負極１０３の導電性がより確実に確保される。但し、基材２０の材料は、カーボンだけには限定されない。電極材料２２としては、例えば黒鉛（ＬｉＣ_６）などが挙げられる。

図３（ａ）に表したように、負極１０３を製造する場合には、例えば多孔質の基材２０と、製造容器２１と、を用意する。製造容器２１は、例えば、電極材料２２と、導電助剤２３と、粘結材２４、溶媒２５と、を収容している。導電助剤２３は、例えばカーボンの粒子を含み、基材２０の表面（多孔質材料の表面）と電極材料２２との間の導電性を補助する。粘結材２４は、電極材料２２同士をつないだり、導電助剤２３同士をつないだり、電極材料２２と導電助剤２３とをつないだり、基材２０に対して電極材料２２および導電助剤２３を結着させたりする。溶媒２５は、電極材料２２、導電助剤２３および粘結材２４を含んで混合している。そのため、電極材料２２と、導電助剤２３と、粘結材２４、溶媒２５と、の混合物は、製造容器２１の内部において例えばペースト状として存在する。

図３（ａ）に表したように、電極材料２２と、導電助剤２３と、粘結材２４、溶媒２５と、の混合物に基材２０を浸漬させると、電極材料２２が基材２０の表面に付着する。あるいは、基材２０が多孔質材料により形成されているため、電極材料２２は、基材２０の表面に付着するとともに、基材２０の空隙（多孔質材料の空隙）に入り込む。その後、電極材料２２が付着した基材２０を製造容器２１から取り出して乾燥させる。これにより、多孔質の負極１０３が製造される。

正極１０４は、電解液１０６中において負極１０３に対向して配置されている。具体的には、正極１０４の面１０８は、負極１０３の面１０７に対向している。図３（ｂ）に表したように、正極１０４は、多孔質材料により形成された基材３０と、基材３０に付着された電極材料３２と、を有する。基材３０の材料としては、例えば導電性を有する多孔質のカーボンなどが挙げられる。これによれば、基材３０が多孔質材料により形成されていても、正極１０４の導電性がより確実に確保される。但し、基材３０の材料は、カーボンだけには限定されない。電極材料３２としては、例えばマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、およびリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）などが挙げられる。

図３（ｂ）に表したように、正極１０４を製造する場合には、例えば多孔質の基材３０と、製造容器３１と、を用意する。製造容器３１は、例えば、電極材料３２と、導電助剤３３と、粘結材３４、溶媒３５と、を収容している。導電助剤３３は、例えばカーボンの粒子を含み、基材３０の表面（多孔質材料の表面）と電極材料３２との間の導電性を補助する。粘結材３４は、電極材料３２同士をつないだり、導電助剤３３同士をつないだり、電極材料３２と導電助剤３３とをつないだり、基材３０に対して電極材料３２および導電助剤３３を結着させたりする。溶媒３５は、電極材料３２、導電助剤３３および粘結材３４を含んで混合している。そのため、電極材料３２と、導電助剤３３と、粘結材３４、溶媒３５と、の混合物は、製造容器３１の内部において例えばペースト状として存在する。

図３（ｂ）に表したように、電極材料３２と、導電助剤３３と、粘結材３４、溶媒３５と、の混合物に基材３０を浸漬させると、電極材料３２が基材３０の表面に付着する。あるいは、基材３０が多孔質材料により形成されているため、電極材料３２は、基材３０の表面に付着するとともに、基材３０の空隙（多孔質材料の空隙）に入り込む。その後、電極材料３２が付着した基材３０を製造容器３１から取り出して乾燥させる。これにより、多孔質の正極１０４が製造される。

セパレータ１３０は、例えば細孔を有する膜である。セパレータ１３０の材料としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。また、セパレータ１３０の厚さは、例えば約２０μｍ以上、３０μｍ以下程度である。

ポンプ１１５が作動すると、容器１０２内の電解液１０６は、容器１０２の第１側面部１０２Ａの流出用孔１０２Ｃから容器１０２の外に流出して、第１配管１１１を通り、ポンプ１１５に導かれる。ポンプ１１５により送り出された電解液１０６は、第２配管１１２を通り、容器１０２の第２側面部１０２Ｂの流入用孔１０２Ｄから容器１０２内に流入する。

このため、ポンプ１１５は、容器１０２内において、正極１０４の面１０８と負極１０３の面１０７に対して交差する方向（イオンの輸送方向Ｘ）に電解液１０６を強制的に対流させて、循環させることができる。すなわち、ポンプ１１５は、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６を正極１０４から負極１０３に向かう方向（イオンの輸送方向Ｘ）に強制的に対流させる。

正極１０４と負極１０３との間に電圧が印加されると、正極１０４は、リチウムイオンを生成し、負極１０３は、リチウムイオンを消費する。前述したように、ポンプ１１５が作動すると、容器１０２内において電解液１０６の強制的な対流が、正極１０４から負極１０３に向かう方向に生じる。つまり、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６が、正極１０４から負極１０３に向かって流れる。

これにより、イオンの輸送方向Ｘに沿って正極１０４から負極１０３へ向かうリチウムイオンの輸送形態としては、リチウムイオンの濃度勾配による拡散と、正極１０４と負極１０３との間の電位差による電気泳動と、ポンプ１１５による人工的で強制的な電解液１０６の対流と、が挙げられる。すなわち、本実施形態では、ポンプ１１５による人工的で強制的な電解液１０６の対流が、リチウムイオンの濃度勾配による拡散と、正極１０４と負極１０３との間の電位差による電気泳動と、に対して加わっている。

本実施形態に係る電気化学デバイス１０１によれば、電解液対流部１１０は、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６を正極１０４から負極１０３に向かう方向に強制的に対流させる。そのため、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６は、正極１０４から負極１０３に向かうイオンの輸送方向Ｘに平行な方向に流れる。言い換えれば、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６は、互いに対向する正極１０４の面１０８および負極１０３の面１０７に平行な方向ではなく、互いに対向する正極１０４の面１０８および負極１０３の面１０７に対して交差する方向に流れる。このため、正極１０４と負極１０３との間におけるイオンの輸送形態に関して、電解液対流部１１０を用いた人工的で強制的な電解液１０６の対流が、イオンの濃度勾配による拡散と、正極１０４と負極１０３との間の電位差による電気泳動と、に対して加わる。これにより、正極１０４と負極１０３との間におけるリチウムイオンの輸送量を増加させることができるとともに、電気化学反応を促進することができる。

そのため、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１は、大電流を流すことができる。これにより、充電時間の短縮化（急速充電）を実現することができる。また、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１は、電解液１０６の強制的な対流を制御することにより、例えば太陽電池や風力発電のように変動する電気量に対しても、電池として電気を蓄えることができる。

また、負極１０３の電極材料２２は、多孔質材料により形成された基材２０に付着されている。正極１０４の電極材料３２は、多孔質材料により形成された基材３０に付着されている。そのため、電解液対流部１１０が正極１０４から負極１０３に向かう方向に電解液１０６を強制的に対流させると、電解液１０６は、負極１０３の基材２０および正極１０４の基材３０の内部（多孔質材料の空隙）に流入する。そのため、電解液１０６は、正極１０４から負極１０３に向かう方向に流れ、負極１０３の基材２０および正極１０４の基材３０の内部を通過することができる。これにより、正極１０４と負極１０３との間における電解液１０６の対流が正極１０４および負極１０３により阻害されることを回避することができる。そのため、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６は、正極１０４から負極１０３に向かう方向に円滑に流れる。これにより、正極１０４と負極１０３との間におけるリチウムイオンの輸送量を増加させることができるとともに、電気化学反応を促進することができる。

また、正極１０４は、基材３０に付着された導電助剤３３を有する。そのため、正極１０４の基材３０が多孔質材料により形成されていても、導電助剤３３が正極１０４の基材３０の表面（多孔質材料の表面）と電極材料３２との間の導電性を確保することができる。また、負極１０３は、基材２０に付着された導電助剤２３を有する。そのため、負極１０３の基材２０が多孔質材料により形成されていても、導電助剤２３が負極１０３の基材２０の表面（多孔質材料の表面）と電極材料２２との間の導電性を確保することができる。

図４は、本発明者が行った検討の結果の一例を表すグラフである。
図４に表したグラフの横軸は、電流密度を示す。図４に表したグラフの縦軸は、セル電圧を示す。電気密度は、単位面積あたりを流れる電流値を示している。電気密度が大きいほど、電極間を輸送されるイオンの輸送量が多い。

図４では、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１により得られた特性線Ｌ１と、比較例に係る電気化学デバイスにより得られた特性線Ｌ２と、を示している。すなわち、特性線Ｌ１は、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６が正極１０４から負極１０３に向かう方向に強制的に対流する場合の特性線である。特性線Ｌ２は、電解液１０６の強制的な対流がない場合の特性線である。特性線Ｌ２によれば、電流密度が一定の値になると、セル電圧が上昇する一方で、電流密度は増加しない。つまり、セル電圧が上昇しても電流密度が一定の値で増加せずに飽和している。

これに対して、特性線Ｌ１によれば、電解液１０６の強制的な対流があるため、電流密度は、一定の値で飽和することはなく、セル電圧のわずかな上昇により大きく増加する。すなわち、特性線Ｌ１によれば、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１では、セル電圧をわずかに上昇させるだけで、電流密度が増加することにより、リチウムイオンの輸送量が飛躍的に増加する。このように、正極１０４と負極１０３との間におけるリチウムイオンの輸送形態に関して、人工的で強制的な電解液１０６の対流が、イオンの濃度勾配による拡散と、正極１０４と負極１０３との間の電位差による電気泳動と、に対して加わると、リチウムイオンの輸送量が飛躍的に増加する。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

本実施形態では、電気化学デバイス１０１がリチウムイオン二次電池である場合を例に挙げて説明した。但し、本実施形態で説明した電気化学デバイスは、リチウムイオン二次電池には限定されず、例えば電気分解装置であってもよい。この場合であっても、本実施形態で説明した電気化学デバイスの作用および効果は、電気分解装置において同様に得られる。また、本実施形態に係る電気化学デバイス１０１の作用の説明では、電気化学デバイス１０１の充電を例に挙げた。但し、電気化学デバイス１０１の作用および効果は、電気化学デバイス１０１の放電においても適用可能である。この場合には、電解液１０６は、負極１０３から正極１０４に向かう方向に流れる。また、本実施形態の説明では、本発明の駆動部としてポンプ１１５を例に挙げた。但し、本発明の駆動部は、正極１０４と負極１０３との間に存在する電解液１０６を正極１０４および負極１０３のいずれか一方から正極１０４および負極１０３のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させることができる限りにおいて、ポンプ１１５には限定されず、例えば電解液１０６に振動を与える装置であってもよい。

２０・・・基材、 ２１・・・製造容器、 ２２・・・電極材料、 ２３・・・導電助剤、 ２４・・・粘結材、 ２５・・・溶媒、 ３０・・・基材、 ３１・・・製造容器、 ３２・・・電極材料、 ３３・・・導電助剤、 ３４・・・粘結材、 ３５・・・溶媒、 １０１・・・電気化学デバイス、 １０２・・・容器、 １０２Ａ・・・第１側面部、 １０２Ｂ・・・第２側面部、 １０２Ｃ・・・流出用孔、 １０２Ｄ・・・流入用孔、 １０３・・・負極、 １０４・・・正極、 １０６・・・電解液、 １０７、１０８・・・面、 １１０・・・電解液対流部、 １１１・・・第１配管、 １１２・・・第２配管、 １１５・・・ポンプ、 １２１・・・負極端子、 １２２・・・正極端子、 １３０・・・セパレータ

Claims (4)

1. 容器と、
   前記容器内に収容された電解液と、
   前記電解液中に配置された正極と、
   前記電解液中において前記正極に対向して配置された負極と、
   前記正極と前記負極との間に存在する前記電解液を前記正極および前記負極のいずれか一方から前記正極および前記負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる電解液対流部と、
   を備えたことを特徴とする電気化学デバイス。
2. 前記正極および前記負極のそれぞれは、
   多孔質材料により形成された基材と、
   前記基材に付着された電極材料と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
3. 前記正極および前記負極のそれぞれは、
   前記基材に付着され前記基材と前記電極材料との間の導電性を補助する導電助剤と、
   前記基材に対して前記電極材料および前記導電助剤を結着させる粘結材と、
   をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の電気化学デバイス。
4. 前記電解液対流部は、
   前記容器の外部に設けられ前記容器の一方側から前記容器の他方側に接続された配管と、
   前記配管に設けられ前記配管を流れる前記電解液を循環させることにより前記正極と前記負極との間に存在する前記電解液を前記正極および前記負極のいずれか一方から前記正極および前記負極のいずれか他方に向かう方向に強制的に対流させる駆動部と、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
   
   

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