JP2020521286A - エネルギー蓄積器 - Google Patents

Abstract

本発明は、少ないメンテナンス量と改良された耐熱性を有するエネルギー蓄積器を提供する。前記エネルギー蓄積器は、第１の電極と、第２の電極と、それらの間の電解質とを含む積層体を有する。前記電解質は固体である。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電気機器に用いられ、小さい寸法と高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積器に関する。

エネルギー蓄積器は、電気機器において、外部電源と独立して電気スイッチ回路に電気エネルギーを供給するために用いられている。

通常の携帯用電気機器は、例えば、バッテリ又は蓄電池により給電することができる。コンデンサは、短時間でエネルギーを供給することができる。

既知のエネルギー蓄積器の問題は、例えば、エネルギー密度が低いことにある。

したがって、改良されたエネルギー蓄積器が望まれている。

このため、独立項である請求項１により、改良されたエネルギー蓄積器を提供する。従属項により、有利な技術的解決手段を提供する。

当該エネルギー蓄積器は、第１の電極層と、第２の電極層と、電極層間の電解質層とを有する積層体を備える。第１の電極層に第１の電極が形成されている。第２の電極層に第２の電極が形成されている。電解質層に電解質が形成されている。電解質は固体である。

溢れ出る又は放出する可能性のある液体電解質が一切含まれていないため、固体電解質をエネルギー蓄積器に応用すると、エネルギー蓄積器は実践においてメンテナンス不要になる。また、このようなエネルギー蓄積器は、例えば、完全に液体組成を有していない固体材料で構成することができ、耐熱性を有し、可燃性が強くない。これにより、携帯機器、例えば携帯消費財に特に好適に応用することができる。このほか、高い耐熱性により、通常のプロセス工程、例えば溶接を実施する場合に、エネルギー蓄積器を特に考慮せずにリフロープロセスで実施することができる。

また、このようなエネルギー蓄積器は、実践において任意の形式で製造することができる。その構成部分を薄層で構成することができるので、このようなエネルギー蓄積器の総重量を極めて小さくすることができる。したがって、このような固体エネルギー蓄積器は、従来のバッテリ又は蓄電池よりもエネルギー密度が格段に増大する。

本発明の一態様では、エネルギー蓄積器は、第１の活性化層及び第２の活性化層をさらに有してよい。第１の活性化層は、第１の電極層と電解質層との間に配置することができる。第２の活性化層は、電解質層と第２の電極層との間に配置することができる。ここで、第１の電解質層と第２の電解質層は、固体電解質のように、イオンに対して透過性を有している。

好ましくは、固体電解質は、電極に対して透過性を有していない。

ここで、本発明の一態様では、エネルギー蓄積器は、固体バッテリ又は充電可能な固体蓄電池であってよい。

エネルギー蓄積器における積層体は、ある意味でエネルギー蓄積器のセルである。エネルギー蓄積器は、付加セルを有することができる。それに対応して、エネルギー蓄積器は、１つ又は複数のこのような積層体を有することができる。ここで、積層体を組み合わせてブロックを構成する。ブロックは、給電電圧を供給する。

ここで、各積層体は、何れも２つの電極層の間に１つの固体電解質を有している。

本発明の一態様では、エネルギー蓄積器は、１つ又は複数の付加ブロックを有してよい。ブロックのそれぞれは、何れも固有の給電電圧を供給する。

本発明の一態様では、積層体は、ブロック内で並列に接続されてよい。また、ブロックは、直列に接続されている。

代替方案として、積層体は、ブロック内で直列に接続されていてもよい。全てのブロックは、互いに並列に接続されていてもよい。

また、ブロック内の積層体だけでなく、単一のブロックも並列に接続されることができる。また、ブロック内の積層体だけでなく、単一のブロックは何れも直列に接続されることができる。

単一の積層体と単一のブロックとの直列及び／又は並列接続の複数の異なる組合せにより、総電圧及び容量の異なる複数の方式を提供する。

ここで、電極、電解質及び活性化層の材料組成は、エネルギー蓄積器のエネルギー密度が全体として最大化されるように選択することが好ましい。

これまでも、従来のバッテリの並列及び直列接続を採用することはできたため、バッテリにおける異なる構成部分に用いられる材料の選択を、概してこのように設計することで、特定の又は最大の電池電圧を得る。

本発明のエネルギー蓄積器の層配置は、直列及び並列接続からなる複雑な方式により、あらゆる実践において合理的な給電電圧を実現することができるため、その電池電圧に応じて材料を選択する必要がない。したがって、本発明の一態様では、代替パラメータ、例えば高電流、高容量又は高エネルギー密度から、単一の積層体の基本材料を選択してよい。

全体的には、これにより通常の給電電圧を容易に供給することができる一方、エネルギー密度及び／又は容量及び／又は最大電流の大幅な増加を実現する。

カスケード接続の程度が高い場合、つまり高い出力電圧を実現するための直列接続の数が大きい場合に、エネルギー蓄積器内の直列接続の抵抗は、実際に増大する。ここで、性能の向上がより大きくなり、特大サイズであっても、改良されたエネルギー蓄積器を得ることができる。

１００Ｖの高電圧であっても、エネルギー蓄積器の出力電圧として用いることができる。

本発明の一態様では、積層体の第１又は第２の電極のそれぞれに対して、何れも１つのコレクタ電極が存在し、対応する電極と当該コレクタ電極とが接続されてよい。１つ又は複数の積層体のコレクタ電極は、銅を含み、又は銅から構成されることができる。

したがって、本発明の一態様では、エネルギー蓄積器は、積層体の横方向の一側に第１のコレクタ電極を有し、積層体の反対側に第２のコレクタ電極を有してよい。ここで、第１のコレクタ電極は、積層体の第１の電極に接続され、誘電材料により同じ積層体の第２の電極から離隔されている。第２のコレクタ電極は、積層体の第２の電極に接続され、誘電材料により積層体の第１の電極から離隔されている。

ブロック内の異なる積層体のコレクタ電極は、対応的に直列又は並列に接続されることができる。ブロックのコレクタ電極は、同様に他のブロックのコレクタ電極に直列又は並列に接続されることができる。

有利には、電極、例えば積層体内のコレクタ電極又は電極は無孔であり、且つイオン伝導性を有していない。このような電極材料として銅を用いる場合、当該材料を堆積することによって、無孔の銅を得ることができる。

誘電材料を必要に応じて導入することにより、積層体又は積層体の電極と他方側のコレクタ電極との間に誘電材料を実現することができる。代替方案として、製造中に接着剤を充填することで発生する真空により、遮断を実現することができる。例えば、その後の剥離及び／又は焼結過程の間に接着剤を除去する。

誘電材料の位置決めの代替方案は、電解質材料に基づくエッジプリンティングであり、当該電解質材料は、エッジ領域内においてイオン伝導性を有していない、又は、少なくとも小さい伝導性を有している。

エネルギー蓄積器の外側は、例えば、イオンに対しても電極に対しても伝導性を有していない保護材料から形成することができる。代替又は補充方案として、エネルギー蓄積器のエッジ領域のいくつかの位置は、コレクタ電極の材料で覆われている。このように、例えばエネルギー蓄積器の２つの対向する面を、それぞれ異なる電位の２つのコレクタ電極の材料で覆うことができる。ここで、コレクタ電極の材料は、覆われた側の縁部から延出し、他の部分、例えば側面と重なることができる。

固体電解質に用いられる材料としてＬＡＰＴ（リチウム、アルミニウム、チタン及びリンを有する化合物）を採用することができる。活性化層に用いられる材料としてＬＰＶ（リチウム、バナジウム及びリンを有する材料）を採用することができる。

例えば、積層体の電池電圧が１．８Ｖである場合、エネルギー蓄積器の容量密度は２０Ｗｈ／ｌとすることができる。

このようなエネルギー蓄積器は、損傷することなく最高２６０°の温度に耐えることができるため、リフロープロセスによる外部の回路環境との接続及び回路接続に適している。

長期的には、約８０℃を超える温度での連続的な負荷においても何らの問題もない。

エネルギー蓄積器の動作原理と実施の形態の詳細を、図面により詳しく説明する。

エネルギー蓄積器の可能な構造である。 複数の積層体を有するエネルギー蓄積器である。 複数のブロックを有するエネルギー蓄積器である。

図１は、第１の電極層に位置する第１の電極ＥＬ１と第２の電極層に位置する第２の電極ＥＬ２とを有するエネルギー蓄積器ＥＳを示す。第１の電極ＥＬ１と第２の電極ＥＬ２との間には、電解質Ｅが電解質層に配置されている。

電解質Ｅは、この２つの電極ＥＬ１、ＥＬ２を空間的に互いに離隔し、イオンに対して伝導能力を有することが好ましい。この２つの電極ＥＬ１、ＥＬ２に電圧を検出することができ、例えば、当該電圧を電気機器の駆動に用いることができる。

第１の電極ＥＬ１と第２の電極ＥＬ２との間の電圧は、材料の選択に関係している。材料は、例えば最大電圧が必ずしも積層体に放出されずに、最大電流密度が積層体に蓄積される、又は最大電流強度が積層体から取り出されることができるように選択することができる。

第１の電極ＥＬ１と電解質Ｅとの間に第１の活性化層ＡＬ１が配置されてもよい。電解質Ｅと第２の電極ＥＬ２との間に第２の活性化層ＡＬ２が配置されてもよい。２つの活性化層ＡＬ１、ＡＬ２は、イオンに対して透過性を有することが好ましく、同様に電解質Ｅを通すことができる。ここで、層ＡＬ１、Ｅ、ＡＬ２のうちの少なくとも１つは、電極に対して不透明である。そうでないと、２つの電極ＥＬ１、ＥＬ２は短絡する。

２つの電極、電解質、及び場合によっては活性化層が層システムＬＳを形成している。

図２では、積層体ＬＳを示し、例えば図１に示すように、１つのエネルギー蓄積器に共に配置される方式を示す。ここで、この配置方式は、並列に又は（図２に示すように）重ねて実施することができる。したがって、図２では、４つの積層体ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３、ＬＳ４が重なって配置されている。

積層体は、原則的に直列又は並列に接続されることができる。同様に、複数の積層体が直列に接続及び複数の積層体が並列に接続されることができる。積層体の並列接続と積層体の直列接続は、直列に接続又は並列に接続されてもよい。

図３に対応して示された技術的解決手段では、第１の積層体ＬＳ１、第２の積層体ＬＳ２及び第３の積層体ＬＳ３が接続されて、第１のブロックＢ１となっている。ここで、積層体は直列に接続されている。第４の積層体ＬＳ４、第５の積層体ＬＳ５及び第６の積層体ＬＳ６は、直列に接続されて第２のブロックＢ２となっている。第７の積層体ＬＳ７、第８の積層体ＬＳ８及び第９の積層体ＬＳ９は、直列に接続されて第３のブロックＢ３となっている。

第１のブロックＢ１、第２のブロックＢ２及び第３のブロックＢ３は、並列に接続されている。対応的には、この２つのコレクタ電極ＳＥ１、ＳＥ２は、単一の積層体の３倍の電圧に相当する給電電圧を供給する。エネルギー蓄積器ＥＳ全体の容量は、動作電圧において単一のセグメントの３倍の容量に相当する。

並列に配置された積層体は、電極層の材料を共有する。したがって、積層体の適宜選択により、単一の部材で同じように機能する対応する直列及び／又は並列接続と比べて、無駄な材料、例えば電解質材料又は不活性材料、アノード材料又はカソード材料を節約することができる。これにより、対応するコスト、重量及び空間が節約される。

ブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３のそれぞれにおいて、この２つのコレクタ電極のそれぞれに接続されたちょうど１つの電極が存在する。

全ての積層体の電極層のそれぞれは、何れも少なくとも一方の側において誘電材料ＤＭによりコレクタ電極と遮断される。誘電材料はイオン伝導性がない、又は極めて低いことが好ましい。

エネルギー蓄積器は、以上に示された実施形態に限定されるものではない。エネルギー蓄積器は、さらに付加層と、積層体と、コレクタ電極とを有してもよい。

ＡＬ１ 第１の活性化層
ＡＬ２ 第２の活性化層
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ 第１、第２、第３のブロック
ＤＭ 誘電材料
Ｅ 電解質
ＥＬ１ 第１の電極
ＥＬ２ 第２の電極
ＥＳ エネルギー蓄積器
ＬＳ 積層体
ＳＥ１、ＳＥ２ 第１、第２のコレクタ電極

Claims (8)

1. 第１の電極層と、第２の電極層と、前記電極層の間の電解質層とを有する積層体（ＬＳ）を備え、
   前記第１の電極層に第１の電極（ＥＬ１）が形成され、
   前記第２の電極層に第２の電極（ＥＬ２）が形成され、
   前記電解質層に電解質（Ｅ）が形成され、
   前記電解質（Ｅ）が固体状態である、エネルギー蓄積器（ＥＳ）。
2. 前記第１の電極層と前記電解質層との間の第１の活性化層（ＡＬ１）と、
   前記電解質層と前記第２の電極層との間の第２の活性化層（ＡＬ２）と、をさらに備え、
   前記第１（ＡＬ１）及び前記第２（ＡＬ２）の活性化層は、イオンに対して透過性を有している請求項１に記載のエネルギー蓄積器。
3. 固体バッテリ又は固体蓄電池である請求項１または２に記載のエネルギー蓄積器。
4. 固有の給電電圧を供給するブロック（Ｂ１）を構成する、１つ又は複数の付加積層体（ＬＳ）をさらに備える請求項１から３の何れか一項に記載のエネルギー蓄積器。
5. 固有の給電電圧をそれぞれ供給する、１つ又は複数の付加ブロック（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）をさらに備える請求項４に記載のエネルギー蓄積器。
6. 前記ブロック（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）の前記積層体（ＬＳ）は、並列に接続され、
   前記ブロック（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）は、直列に接続されている請求項５に記載のエネルギー蓄積器。
7. 全ての第１（ＥＬ１）及び第２（ＥＬ２）の電極は、何れもそれぞれ１つの銅電極に接続されている請求項１から６の何れか一項に記載のエネルギー蓄積器。
8. 前記積層体（ＬＳ）の横方向の一側に位置する第１のコレクタ電極（ＳＥ１）と、前記積層体（ＬＳ）の反対側に位置する第２のコレクタ電極（ＳＥ２）と、をさらに備え、
   前記第１のコレクタ電極（ＳＥ１）は、前記積層体（ＬＳ）の第１の電極（ＥＬ１）に接続され、誘電材料（ＤＭ）により前記積層体（ＬＳ）の第２の電極（ＥＬ２）から離隔され、
   前記第２のコレクタ電極（ＳＥ２）は、前記積層体（ＬＳ）の第２の電極（ＥＬ２）に接続され、誘電材料（ＤＭ）により前記積層体（ＬＳ）の第１の電極（ＥＬ１）から離隔されている請求項１から７の何れか一項に記載のエネルギー蓄積器。

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