JP2023538778A - Lithium metal battery with curved lithium sheet negative electrode - Google Patents
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Abstract
本発明は、曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池に係り、内部にセパレータが設けられた電池ケースを含み、セパレータの両端が電池ケースの中央にそれぞれ接続され、セパレータと電池ケースの一端との間に第１室が設けられ、セパレータと電池ケースの他端との間に第２室が設けられ、第１室の内部には、電池ケースの一端に当接する電極シートが設けられ、第２室の内部には、両端がそれぞれセパレータと電池ケースの他端に当接し、曲面リチウムシートでできた電池負極が設けられ、第１室と第２室の内部には、共に電解液が満たされ、電極シートと電池負極がそれぞれ電解液に浸されている。曲面リチウムシートによって、電池負極のＳＥＩ膜の面積を拡張するため、デンドライトの成長を効果的に減らし、ＳＥＩ膜が破裂しにくくなる。電解質による浸潤を常に維持することができ、電気化学反応速度を高め、リチウムイオン移動経路を増加させるため、リチウム金属電池の電池容量及びサイクル効率を維持し、耐用年数を延ばすことに有利である。【選択図】図１The present invention relates to a lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode, including a battery case provided with a separator therein, with both ends of the separator connected to the center of the battery case, and between the separator and one end of the battery case. A first chamber is provided between the separator and the other end of the battery case, a second chamber is provided inside the first chamber, and an electrode sheet that contacts one end of the battery case is provided. A battery negative electrode made of a curved lithium sheet is provided inside, with both ends abutting the separator and the other end of the battery case, respectively, and the insides of the first and second chambers are both filled with an electrolyte, The electrode sheet and battery negative electrode are each immersed in an electrolyte. The curved lithium sheet expands the area of the SEI film of the battery negative electrode, thereby effectively reducing the growth of dendrites and making the SEI film less likely to burst. It can always maintain infiltration with electrolyte, enhance the electrochemical reaction rate, and increase the lithium ion migration path, which is advantageous to maintain the battery capacity and cycle efficiency of lithium metal batteries and extend the service life. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、リチウム電池の技術分野に関し、特に、曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池に関する。 The present invention relates to the technical field of lithium batteries, and in particular to lithium metal batteries with curved lithium sheet negative electrodes.
民生用電子機器分野、新エネルギー自動車分野、エネルギー貯蔵分野では、リチウム電池の容量、寿命、安全性に対する要求がますます高くなっており、高容量かつ長寿命を有し高い安全性を兼ね持つリチウム電池のニーズが切実に増えている。 In the consumer electronics field, new energy vehicle field, and energy storage field, demands for lithium battery capacity, lifespan, and safety are becoming higher and higher. The need for batteries is urgently increasing.
現在、金属リチウムは、その高い理論比容量（３８６０ｍＡｈ／ｇ）とすべての金属の中で最も負の電気陰性度により、リチウム二次電池の最適なソリューションと見なされている。そのため、リチウム金属電池は、さまざまな分野で広く応用されている。 Currently, metallic lithium is considered as the optimal solution for lithium secondary batteries due to its high theoretical specific capacity (3860 mAh/g) and the most negative electronegativity of all metals. Therefore, lithium metal batteries are widely applied in various fields.
しかし、従来技術のリチウム金属電池は、リチウム金属の粉末化やデンドライトが発生しやすく、それによりリチウム電池のクーロン効率が低下し、電池容量が減少し、サイクル効率及び耐用年数が減少するなどの技術的問題を有する。 However, conventional lithium metal batteries are prone to lithium metal powdering and dendrites, which reduces the coulombic efficiency of lithium batteries, reduces battery capacity, and reduces cycle efficiency and service life. It has a certain problem.
したがって、リチウムデンドライトを抑制し、負極のリチウム金属の粉末化を防止し、リチウム電池のサイクル安定性を向上できるリチウム金属電池の開発が急務となっている。 Therefore, there is an urgent need to develop a lithium metal battery that can suppress lithium dendrites, prevent lithium metal in the negative electrode from turning into powder, and improve the cycle stability of the lithium battery.
従来技術に存在する技術的問題に対して、本発明の目的は、リチウムデンドライトの成長を抑制し、負極のリチウム金属の粉末化を防止し、リチウム電池のサイクル安定性を向上し、耐用年数を延ばすことのできる曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池を提供することにある。 In view of the technical problems existing in the prior art, the purpose of the present invention is to suppress the growth of lithium dendrites, prevent the pulverization of lithium metal in the negative electrode, improve the cycle stability of lithium batteries, and extend the service life. The object of the present invention is to provide a lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode that can be stretched.
上述した目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention adopts the following technical means.
曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池であって、内部にセパレータが設けられた電池ケースを含み、セパレータの両端が電池ケースの中央にそれぞれ接続され、セパレータと電池ケースの一端との間に第１室が設けられ、セパレータと電池ケースの他端との間に第２室が設けられ、第１室の内部には、電池ケースの一端に当接する電極シートが設けられ、第２室の内部には、両端がそれぞれセパレータと電池ケースの他端に当接し、曲面リチウムシートでできた電池負極が設けられ、第１室と第２室の内部には、共に電解液が満たされ、電極シートと電池負極がそれぞれ電解液に浸されている。 A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode, comprising a battery case with a separator provided therein, both ends of the separator are connected to the center of the battery case, and a first electrode is connected between the separator and one end of the battery case. A second chamber is provided between the separator and the other end of the battery case, an electrode sheet that contacts one end of the battery case is provided inside the first chamber, and an electrode sheet is provided inside the second chamber. is provided with a battery negative electrode made of a curved lithium sheet, both ends of which are in contact with the separator and the other end of the battery case, and the insides of both the first and second chambers are filled with electrolyte, and the electrode sheet and Each battery negative electrode is immersed in an electrolyte.
更に、電池負極には、両端がそれぞれ電池負極と電池ケースの他端に当接する弾性装置が設けられている。 Further, the battery negative electrode is provided with an elastic device whose both ends abut against the battery negative electrode and the other end of the battery case, respectively.
更に、弾性装置は、弾性シートである。 Furthermore, the elastic device is an elastic sheet.
更に、弾性シートと電池負極との間には、両端がそれぞれ弾性シートと電池負極に当接するガスケットが設けられている。 Furthermore, a gasket is provided between the elastic sheet and the battery negative electrode, the ends of which are in contact with the elastic sheet and the battery negative electrode, respectively.
更に、電極シートは、曲面リチウムシートでできている。 Furthermore, the electrode sheet is made of a curved lithium sheet.
更に、曲面リチウムシートは、高さが１０ｍｍ未満である窪みを複数含む。 Further, the curved lithium sheet includes a plurality of depressions having a height of less than 10 mm.
曲面リチウムシートの製造方法として、エンボス加工及び圧延によって平面リチウムシートを曲面加工して製造される。 As a method for manufacturing a curved lithium sheet, a flat lithium sheet is processed into a curved surface by embossing and rolling.
曲面リチウムシートの製造方法として、所要の曲面リチウムシートの形状の曲面金型を製造するステップと、ポリプロピレン膜及び曲面金型を順に平面リチウムシートの平面に敷き、曲面金型、ポリプロピレン膜及び平面リチウムシートを治具で締め付けるステップと、プレス装置で曲面金型に押し付け、平面リチウムシートを曲面金型と同じ曲面に形成させるステップと、曲面金型及びポリプロピレン膜を取り出して所要の曲面リチウムシートを得るステップと、を含む。 The method for manufacturing a curved lithium sheet includes the steps of manufacturing a curved mold with the desired shape of the curved lithium sheet, and sequentially laying a polypropylene film and a curved mold on the flat surface of the flat lithium sheet, and then forming a curved mold, a polypropylene film, and a flat lithium sheet. A step of tightening the sheet with a jig, a step of pressing the sheet against a curved mold with a press device to form the flat lithium sheet into the same curved surface as the curved mold, and a step of taking out the curved mold and polypropylene film to obtain the desired curved lithium sheet. and a step.
更に、曲面金型は、３Ｄ印刷法によって製造される。 Furthermore, the curved mold is manufactured by a 3D printing method.
更に、曲面金型の３Ｄ印刷法は、モデリングソフトウェアを使用して所要の曲面リチウムシートをモデル化して曲面モデルを得るステップと、スライシングソフトウェアを使用して曲面モデルをスライスして複数のスライス画像を得るステップと、複数のスライス画像をレイヤごとに印刷して曲面金型を取得するステップと、を含む。 Furthermore, the 3D printing method for curved molds includes the steps of modeling the required curved lithium sheet using modeling software to obtain a curved surface model, and slicing the curved surface model using slicing software to create multiple slice images. and a step of printing a plurality of slice images layer by layer to obtain a curved mold.
全体的に言えば、本発明は、以下の利点を有する。
曲面リチウムシート自体には一定の曲率があるため、リチウム核生成の過程で、リチウムコアの隆起によってＳＥＩ膜が突き上げられる際に引き起こされるＳＥＩ膜の面積の変化が小さくなるので突き破りにくく、ＳＥＩ膜の破裂を効果的に防止する。曲面リチウムシートによって、効果的に電池負極のＳＥＩ膜の面積を拡張するため、デンドライトの成長、体積増加によって引き起こされるＳＥＩ膜の突き破りを効果的に減らし、ＳＥＩ膜が破裂しにくくなる。また、曲面リチウムシートとセパレータとの接触が線接触であるため、曲面リチウムシートの凹んだ領域は、電解液が効果的に貯蔵される領域となり、リチウム金属電池の一定回数のサイクルの後でも、電解質による浸潤を常に維持することができる。曲面リチウムシートは、電池負極の有効表面積を増加させ、電気化学反応速度を高め、リチウムイオン移動経路を増加させるため、リチウム金属電池の電池容量及びサイクル効率を維持し、耐用年数を延ばすことに有利である。
Overall, the present invention has the following advantages.
The curved lithium sheet itself has a certain curvature, so during the process of lithium nucleation, the change in the area of the SEI film caused when the SEI film is pushed up by the protrusion of the lithium core becomes smaller, making it difficult to break through. Effectively prevent rupture. The curved lithium sheet effectively expands the area of the SEI film of the battery negative electrode, thereby effectively reducing the SEI film break-through caused by dendrite growth and volume increase, making the SEI film less likely to burst. In addition, since the contact between the curved lithium sheet and the separator is a line contact, the recessed area of the curved lithium sheet becomes an area where the electrolyte is effectively stored, even after a certain number of cycles of the lithium metal battery. Infiltration with electrolytes can be maintained at all times. The curved lithium sheet increases the effective surface area of the battery negative electrode, increases the electrochemical reaction rate, and increases the lithium ion transfer path, which is advantageous to maintain the battery capacity and cycle efficiency of lithium metal batteries and extend the service life. It is.
以下、本発明を更に詳細に説明する。 The present invention will be explained in more detail below.
実施例１
図１に示すように、曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池は、内部にセパレータ６が設けられた電池ケース２を含む。セパレータ６の両端は、電池ケース２の中央にそれぞれ接続される。セパレータ６と電池ケース２の一端との間に第１室が設けられ、セパレータ６と電池ケース２の他端との間に第２室が設けられている。第１室の内部には、電池ケース２の一端に当接する電極シート１が設けられている。第２室の内部には、両端がそれぞれセパレータ６と電池ケース２の他端に当接し、曲面リチウムシートでできた電池負極５が設けられている。第１室と第２室の内部には、共に電解液７が満たされ、電極シート１と電池負極５がそれぞれ電解液７に浸されている。
Example 1
As shown in FIG. 1, a lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode includes a battery case 2 in which a separator 6 is provided. Both ends of the separator 6 are connected to the center of the battery case 2, respectively. A first chamber is provided between the separator 6 and one end of the battery case 2, and a second chamber is provided between the separator 6 and the other end of the battery case 2. An electrode sheet 1 abutting one end of the battery case 2 is provided inside the first chamber. Inside the second chamber, a battery negative electrode 5 made of a curved lithium sheet is provided, with both ends abutting the separator 6 and the other end of the battery case 2, respectively. The first chamber and the second chamber are both filled with an electrolytic solution 7, and the electrode sheet 1 and the battery negative electrode 5 are each immersed in the electrolytic solution 7.
本実施例において、電極シート１の活物質としてリン酸鉄リチウムを用いる（面密度１４．５ｍｇ／ｃｍ２）。リチウム金属電池が放電すると、曲面リチウムシートでできた電池負極５が脱リチウムを開始し、リチウムイオンがセパレータ６を通って電解質７に入り、電極シート１上の活物質と接触してリチウムインターカレーション反応が発生する。それと同時に、電池ケース２の他端から電池ケース２の一端に電子が進入する。電極シート１が電池ケース２の一端に当接しているため、電子が電極シート１の活物質に進入してリチウムイオンと電荷の中和を行い、リチウム金属電池の放電プロセスが完了する。リチウム金属電池の充電時に、電極シート１上の活物質からリチウムイオンが脱離して電解液７に入り、セパレータ６を通して曲面リチウムシートと接触する。電極シート１上の活物質から電子が移動し、電池ケース２の一端と電池ケース２の他端を順に通して曲面リチウムシート上のリチウムイオンと電荷のバランスを取り、充電プロセスが完了する。 In this example, lithium iron phosphate is used as the active material of the electrode sheet 1 (area density: 14.5 mg/cm 2 ). When a lithium metal battery is discharged, the battery negative electrode 5 made of a curved lithium sheet starts delithiation, and lithium ions enter the electrolyte 7 through the separator 6 and contact the active material on the electrode sheet 1 to form lithium intercalation. tion reaction occurs. At the same time, electrons enter one end of the battery case 2 from the other end of the battery case 2. Since the electrode sheet 1 is in contact with one end of the battery case 2, electrons enter the active material of the electrode sheet 1 and neutralize the charge with lithium ions, completing the discharging process of the lithium metal battery. When charging a lithium metal battery, lithium ions are desorbed from the active material on the electrode sheet 1 and enter the electrolyte 7, which contacts the curved lithium sheet through the separator 6. Electrons move from the active material on the electrode sheet 1 and pass through one end of the battery case 2 and the other end of the battery case 2 in order to balance the charge with the lithium ions on the curved lithium sheet, completing the charging process.
リチウム金属負極の安定性の向上は、リチウム電池技術の発展を確保するための重要な研究方向である。出願人は、従来技術のリチウム金属電池におけるリチウムデンドライトの急速な成長及びリチウム金属電池の性能低下の主な理由が、電池負極５として平面リチウムシートが使用されることであることを独自に発見した。 Improving the stability of lithium metal negative electrodes is an important research direction to ensure the development of lithium battery technology. The applicant has independently discovered that the main reason for the rapid growth of lithium dendrites in prior art lithium metal batteries and the decline in performance of lithium metal batteries is that a planar lithium sheet is used as the battery negative electrode 5. .
金属リチウムの反応性が高いため、従来の液体電解質で形成される固体電解質界面膜（ＳＥＩ膜）が安定せず、電池容量、サイクル効率及び寿命が低下する可能性がある。一方、リチウム電池の充放電サイクルでは、リチウム負極の析出と剥離が起こり続け、体積変化が大きくなり、リチウム金属の粉末化やデンドライトが発生しやすく、リチウム電池のクーロン効率及び容量が低下する。 Due to the high reactivity of metallic lithium, solid electrolyte interfacial membranes (SEI membranes) formed with conventional liquid electrolytes are not stable, which may reduce battery capacity, cycle efficiency, and lifespan. On the other hand, during the charge/discharge cycle of a lithium battery, precipitation and peeling of the lithium negative electrode continue to occur, resulting in a large volume change, and lithium metal powdering and dendrites are likely to occur, reducing the coulombic efficiency and capacity of the lithium battery.
具体的には、従来技術のリチウム金属電池の放電プロセス中に、平面リチウムシートの負極に電子を失い、リチウムイオンが平面リチウムシートの負極の表面で核生成され、平面リチウムシート上のＳＥＩ膜が同じく平面であり、リチウム核生成の後にＳＥＩ膜を突き破ることでＳＥＩ膜にクラックが発生し、リチウムイオンがクラックに堆積し続け、リチウムデンドライトが急速に成長する。同時に、平面リチウムシートとセパレータ６の間の接触が平面接触であるため、リチウム金属電池の一定回数のサイクルの後、平面リチウムシート上で核生成とデンドライトの成長が起こり、その結果、平面リチウムシート上の特定の位置がもはや電解質７によって浸潤されず、それによってリチウム金属電池の性能が低下する。 Specifically, during the discharging process of the prior art lithium metal battery, electrons are lost to the negative electrode of the planar lithium sheet, lithium ions are nucleated on the surface of the negative electrode of the planar lithium sheet, and the SEI film on the planar lithium sheet is Similarly, it is a flat surface, and after lithium nucleation, cracks occur in the SEI film by breaking through the SEI film, lithium ions continue to be deposited in the cracks, and lithium dendrites grow rapidly. At the same time, since the contact between the planar lithium sheet and the separator 6 is a planar contact, after a certain number of cycles of the lithium metal battery, nucleation and dendrite growth will occur on the planar lithium sheet, resulting in the planar lithium sheet Certain locations on the top are no longer infiltrated by electrolyte 7, thereby reducing the performance of the lithium metal battery.
上記の技術的課題を解決するために、本発明は、独創的に曲面リチウムシートを電池負極５として使用する。曲面リチウムシート自体には一定の曲率があるため、リチウム核生成の過程で、リチウムコアの隆起によってＳＥＩ膜が突き上げられる際に引き起こされるＳＥＩ膜の面積の変化が小さくなるので突き破りにくく、ＳＥＩ膜の破裂を効果的に防止する。曲面リチウムシートによって、効果的に電池負極５のＳＥＩ膜の面積を拡張するため、デンドライトの成長、体積増加によって引き起こされるＳＥＩ膜の突き破りを効果的に減らし、ＳＥＩ膜が破裂しにくくなる。また、曲面リチウムシートとセパレータ６との接触が線接触であるため、曲面リチウムシートの凹んだ領域は、電解液７が効果的に貯蔵される領域となり、リチウム金属電池の一定回数のサイクルの後でも、電解質７による浸潤を常に維持することができる。曲面リチウムシートは、電池負極５の有効表面積を増加させ、電気化学反応速度を高め、リチウムイオン移動経路を増加させるため、リチウム金属電池の電池容量及びサイクル効率を維持し、耐用年数を延ばすことに有利である。 In order to solve the above technical problems, the present invention creatively uses a curved lithium sheet as the battery negative electrode 5. The curved lithium sheet itself has a certain curvature, so during the process of lithium nucleation, the change in the area of the SEI film caused when the SEI film is pushed up by the protrusion of the lithium core becomes smaller, making it difficult to break through. Effectively prevent rupture. Since the curved lithium sheet effectively expands the area of the SEI film of the battery negative electrode 5, it effectively reduces the SEI film break-through caused by dendrite growth and volume increase, making the SEI film less likely to burst. In addition, since the contact between the curved lithium sheet and the separator 6 is a line contact, the recessed area of the curved lithium sheet becomes an area where the electrolyte 7 is effectively stored, and after a certain number of cycles of the lithium metal battery. However, infiltration with electrolyte 7 can be maintained at all times. The curved lithium sheet increases the effective surface area of the battery negative electrode 5, increases the electrochemical reaction rate, and increases the lithium ion migration path, thus maintaining the battery capacity and cycle efficiency of the lithium metal battery and extending the service life. It's advantageous.
本実施例の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池に対して、ＬＡＮＤ ＣＴ２００１Ａ電池テストシステムを使用してサイクル性能テストを行う。 The lithium metal battery with the curved lithium sheet negative electrode of this example is subjected to a cycle performance test using a LAND CT2001A battery test system.
図２から分かるように、曲面リチウムシートの電池負極５に基づくリチウム金属電池の可逆容量は、２Ｃレートで４０サイクル後も８６．１ｍＡｈｇ－１に達し、容量維持率が８１．５％を超える。同じ条件下で、平面リチウムシートの電池負極５に基づくリチウム金属電池の可逆容量は、７４．９ｍＡｈｇ－１にすぎず、容量維持率が７１．４％にすぎない。テスト結果は、曲面リチウムシートがリチウム金属電池の容量保持率とサイクル安定性を大幅に改善し、リチウムデンドライトを抑制し、負極のリチウム金属の粉末化を防止し、リチウム電池のサイクル安定性を向上させ、それによってリチウム金属のサイクル寿命を向上させる。 As can be seen from FIG. 2, the reversible capacity of the lithium metal battery based on the curved lithium sheet battery negative electrode 5 reaches 86.1 mAhg −1 even after 40 cycles at 2C rate, and the capacity retention rate exceeds 81.5%. Under the same conditions, the reversible capacity of the lithium metal battery based on the flat lithium sheet battery negative electrode 5 is only 74.9 mAhg −1 , and the capacity retention rate is only 71.4%. Test results show that the curved lithium sheet can significantly improve the capacity retention rate and cycle stability of lithium metal batteries, suppress lithium dendrites, prevent lithium metal powder in the negative electrode, and improve the cycle stability of lithium batteries. and thereby improve the cycle life of lithium metal.
上記の実験から、曲面リチウムシートの電池負極５に基づくリン酸鉄リチウム半電池は、平面リチウムシートの電池負極５に基づくリン酸鉄リチウム半電池よりも優れた利点及び有効性を有することが分かる。 From the above experiments, it can be seen that the lithium iron phosphate half-cell based on the battery negative electrode 5 of curved lithium sheet has better advantages and effectiveness than the lithium iron phosphate half-cell based on the battery negative electrode 5 of flat lithium sheet. .
更に、電池負極５には、両端がそれぞれ電池負極５と電池ケース２の他端に当接する弾性装置が設けられている。 Further, the battery negative electrode 5 is provided with an elastic device whose both ends abut against the battery negative electrode 5 and the other end of the battery case 2, respectively.
弾性装置は、導電体であり、リチウム金属電池内部の良好な導電性を確保するために、電池負極５及び電池ケース２と密接に接触している。 The elastic device is an electrical conductor and is in close contact with the battery negative electrode 5 and the battery case 2 to ensure good electrical conductivity inside the lithium metal battery.
好ましくは、弾性装置は、弾性シート４である。 Preferably, the elastic device is an elastic sheet 4.
弾性シート４と電池負極５との間には、両端がそれぞれ弾性シート４と電池負極５に当接するガスケット３が設けられている。 A gasket 3 is provided between the elastic sheet 4 and the battery negative electrode 5, with both ends abutting the elastic sheet 4 and the battery negative electrode 5, respectively.
ガスケット３の配置は、弾性シート４と電池負極５との間の接触面積を増加させ、リチウム金属電池内部の良好な導電性を維持することに有利である。 The arrangement of the gasket 3 is advantageous in increasing the contact area between the elastic sheet 4 and the battery negative electrode 5 and maintaining good electrical conductivity inside the lithium metal battery.
曲面リチウムシートの高さは、１０ｍｍ未満である。 The height of the curved lithium sheet is less than 10 mm.
具体的には、曲面リチウムシートの曲面は、Ｏを原点、ｘ軸とｙ軸を底面の２軸、ｚ軸を底面に直交する垂直軸とする３次元空間座標系にある。ｚ方向の値の範囲は、［－５ｍｍ，５ｍｍ］に制限され、ｘとｙの値の範囲は、任意の実数であり、単位は、ミリメートル（平面を除く任意の空間の曲面）である。 Specifically, the curved surface of the curved lithium sheet is in a three-dimensional spatial coordinate system with O as the origin, the x-axis and y-axis as the two axes of the bottom surface, and the z-axis as the vertical axis perpendicular to the bottom surface. The range of values in the z direction is limited to [-5 mm, 5 mm], the range of values in x and y is any real number, and the unit is millimeter (curved surface in any space except a plane).
実施例２
本実施例と実施例１との相違点は、電極シート１が曲面リチウムシートでできていることである。すなわち、リチウム対称電池の電極シート１と電池負極５の両方は、曲面リチウムシートでできている。
Example 2
The difference between this example and Example 1 is that the electrode sheet 1 is made of a curved lithium sheet. That is, both the electrode sheet 1 and the battery negative electrode 5 of the lithium symmetrical battery are made of curved lithium sheets.
ＬＡＮＤ ＣＴ２００１Ａ電池テストシステムを使用して、本実施例のリチウム対称電池の定電流サイクル性能テストを行う。 A LAND CT2001A battery test system is used to perform galvanostatic cycling performance testing of the lithium symmetrical battery of this example.
図３から、電極シート１と電池負極５の両方に曲面リチウムシートを使用したリチウム対称電池の分極電圧は、３ｍＡ／ｃｍ２の電流密度、１ｍＡｈ／ｃｍ２の蒸着容量で約９０００００秒でサイクルした後、わずか０．１６Ｖであることがわる。同じ条件下で、平面リチウムシートに基づくリチウム対称電池の分極電圧は、約３４００００秒間のサイクル後に０．１６Ｖに達し、その後のサイクルで分極電圧が増え続き、約５６００００秒間のサイクル後に０．３８Ｖに達する。セパレータ６は、過度に成長したデンドライトによって突き破られ、局所的な短絡を引き起こし、その後のサイクルで分極電圧が乱れる。結果は、曲面リチウムシートがリチウム対称電池のリチウムデンドライトの成長を効果的に抑制し、分極電圧を低下させることを示す。 From Figure 3, the polarization voltage of the lithium symmetric battery using curved lithium sheets for both electrode sheet 1 and battery negative electrode 5 was cycled for about 900000 seconds at a current density of 3 mA/ cm2 and a deposition capacity of 1 mAh/ cm2 . After that, it turns out that it is only 0.16V. Under the same conditions, the polarization voltage of a lithium symmetric battery based on a planar lithium sheet reaches 0.16V after cycling for about 340,000 seconds, and the polarization voltage continues to increase in subsequent cycles to 0.38V after cycling for about 560,000 seconds. reach The separator 6 is pierced by overgrown dendrites, causing local short circuits and disrupting the polarization voltage in subsequent cycles. The results show that the curved lithium sheet can effectively suppress the growth of lithium dendrites in lithium symmetric batteries and reduce the polarization voltage.
以上の実験から、曲面リチウムシートの電池負極５に基づく電池は、通常の平面リチウムシートに基づく電池よりも寿命が長く、安全性が高いことが分かる。 From the above experiments, it can be seen that the battery based on the curved lithium sheet battery negative electrode 5 has a longer lifespan and higher safety than the battery based on a normal planar lithium sheet.
実施例３
曲面リチウムシートの製造方法として、エンボス加工及び圧延によって平面リチウムシートを曲面加工して製造される。
Example 3
As a method for manufacturing a curved lithium sheet, a flat lithium sheet is processed into a curved surface by embossing and rolling.
任意に、曲面リチウムシートの製造方法として、所要の曲面リチウムシートの形状の曲面金型を製造するステップと、ポリプロピレン膜及び曲面金型を順に平面リチウムシートの平面に敷き、曲面金型、ポリプロピレン膜及び平面リチウムシートを治具で締め付けるステップと、プレス装置で曲面金型に押し付け、平面リチウムシートを曲面金型と同じ曲面に形成させるステップと、曲面金型及びポリプロピレン膜を取り出して所要の曲面リチウムシートを得るステップと、を含む。 Optionally, the method for manufacturing the curved lithium sheet includes the steps of manufacturing a curved mold in the shape of the desired curved lithium sheet, and sequentially laying a polypropylene film and the curved mold on the flat surface of the flat lithium sheet, and forming the curved mold and the polypropylene film. and a step of tightening the flat lithium sheet with a jig, a step of pressing the flat lithium sheet against a curved mold using a press device to form the flat lithium sheet into the same curved surface as the curved mold, and a step of taking out the curved mold and the polypropylene film to form the required curved lithium sheet. obtaining a sheet.
具体的に、ポリプロピレン膜を平面リチウムシートの表面に敷き、精密ボール盤の治具のジョーの中央位置に配置し、次に曲面金型を平面リチウムシートと位置合わせして平面リチウムシートの上に配置する。精密ボール盤の治具のハンドルを正転させ、ジョーにクランプされた対象物を加圧し、プレス動作を完了させた後、精密ボール盤の治具のハンドルを逆転させ、クランプされた対象物を取り外し、曲面リチウムシートを取り出す。 Specifically, a polypropylene film is laid on the surface of a flat lithium sheet, placed at the center of the jaws of a precision drilling machine jig, and then a curved mold is aligned with the flat lithium sheet and placed on top of the flat lithium sheet. do. Rotate the handle of the precision drilling machine jig in the normal direction, apply pressure to the object clamped in the jaws, complete the pressing operation, then rotate the handle of the precision drilling machine jig in the reverse direction, remove the clamped object, Take out the curved lithium sheet.
ポリプロピレン膜を曲面金型と平面リチウムシートの間に配置するため、プレスが完了した後、曲面金型は、曲面リチウムシートから簡単に分離され、くっつかない。 Because the polypropylene membrane is placed between the curved mold and the flat lithium sheet, the curved mold is easily separated from the curved lithium sheet and does not stick together after the pressing is completed.
任意に、曲面金型は、３Ｄ印刷法によって製造される。 Optionally, the curved mold is manufactured by 3D printing.
曲面金型の３Ｄ印刷法は、モデリングソフトウェアを使用して所要の曲面リチウムシートをモデル化して曲面モデルを得るステップと、スライシングソフトウェアを使用して曲面モデルをスライスして複数のスライス画像を得るステップと、複数のスライス画像をレイヤごとに印刷して曲面金型を取得するステップと、を含む。 The 3D printing method for curved molds involves the steps of modeling the required curved lithium sheet using modeling software to obtain a curved surface model, and slicing the curved surface model using slicing software to obtain multiple slice images. and a step of printing a plurality of slice images layer by layer to obtain a curved mold.
具体的に、モデリングソフトウェアＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓを使用してモデル化してｓｔｐ形式で出力する。スライシングソフトウェアを使用して、印刷設定に従って曲線モデルをスライスし、ｐｎｇ形式のスライス画像を出力する。ＤＬＰプリンターを使用して、パラメータを設定してスライスをレイヤーごとに印刷して曲面金型を取得する。 Specifically, it is modeled using modeling software SolidWorks and output in stp format. Using slicing software, slice the curve model according to the print settings and output sliced images in png format. Using a DLP printer, set the parameters and print slices layer by layer to obtain a curved mold.
上記の実施例は、本発明の好適な実施形態である。しかし、本発明の実施形態は、上記の実施例によって制限されない。上記の実施例以外に、本発明の趣旨や原理から逸脱せずに為した変更、修正、置換、組み合わせ、簡単化は、いずれも同等効果の置換方式であり、全て本発明の保護範囲に含まれる。 The above examples are preferred embodiments of the invention. However, embodiments of the invention are not limited to the above examples. In addition to the above-mentioned embodiments, any changes, modifications, substitutions, combinations, or simplifications made without departing from the spirit or principle of the present invention are substitution methods with equivalent effects, and all fall within the protection scope of the present invention. It will be done.
（付記１）
内部にセパレータが設けられた電池ケースを含み、
セパレータの両端が電池ケースの中央にそれぞれ接続され、
セパレータと電池ケースの一端との間に第１室が設けられ、セパレータと電池ケースの他端との間に第２室が設けられ、
第１室の内部には、電池ケースの一端に当接する電極シートが設けられ、
第２室の内部には、両端がそれぞれセパレータと電池ケースの他端に当接し、曲面リチウムシートでできた電池負極が設けられ、
第１室と第２室の内部には、共に電解液が満たされ、電極シートと電池負極がそれぞれ電解液に浸されている、
ことを特徴とする曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Additional note 1)
Including a battery case with a separator inside,
Both ends of the separator are connected to the center of the battery case,
A first chamber is provided between the separator and one end of the battery case, a second chamber is provided between the separator and the other end of the battery case,
An electrode sheet that contacts one end of the battery case is provided inside the first chamber,
Inside the second chamber, a battery negative electrode made of a curved lithium sheet is provided, with both ends abutting the separator and the other end of the battery case, respectively.
The first chamber and the second chamber are both filled with an electrolytic solution, and the electrode sheet and the battery negative electrode are respectively immersed in the electrolytic solution.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode.
（付記２）
電池負極には、両端がそれぞれ電池負極と電池ケースの他端に当接する弾性装置が設けられている、
ことを特徴とする付記１に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Additional note 2)
The battery negative electrode is provided with an elastic device having both ends abutting the battery negative electrode and the other end of the battery case, respectively.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to supplementary note 1.
（付記３）
弾性装置が弾性シートである、
ことを特徴とする付記２に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Additional note 3)
the elastic device is an elastic sheet,
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to supplementary note 2.
（付記４）
弾性シートと電池負極との間には、両端がそれぞれ弾性シートと電池負極に当接するガスケットが設けられている、
ことを特徴とする付記３に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Additional note 4)
A gasket is provided between the elastic sheet and the battery negative electrode, the ends of which are in contact with the elastic sheet and the battery negative electrode, respectively.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to appendix 3.
（付記５）
電極シートは、曲面リチウムシートでできている、
ことを特徴とする付記１に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 5)
The electrode sheet is made of curved lithium sheet,
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to supplementary note 1.
（付記６）
曲面リチウムシートは、高さが１０ｍｍ未満である窪みを複数含む、
ことを特徴とする付記１～５のいずれか一つに記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 6)
The curved lithium sheet includes a plurality of depressions having a height of less than 10 mm.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to any one of appendices 1 to 5, characterized in that:
（付記７）
曲面リチウムシートの製造方法として、エンボス加工及び圧延によって平面リチウムシートを曲面加工して製造される、
ことを特徴とする付記６に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 7)
As a method for manufacturing a curved lithium sheet, a flat lithium sheet is processed into a curved surface by embossing and rolling.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to appendix 6.
（付記８）
曲面リチウムシートの製造方法として、
所要の曲面リチウムシートの形状の曲面金型を製造するステップと、
ポリプロピレン膜及び曲面金型を順に平面リチウムシートの平面に敷き、曲面金型、ポリプロピレン膜及び平面リチウムシートを治具で締め付けるステップと、
プレス装置で曲面金型に押し付け、平面リチウムシートを曲面金型と同じ曲面に形成させるステップと、
曲面金型及びポリプロピレン膜を取り出して所要の曲面リチウムシートを得るステップと、を含む、
ことを特徴とする付記６に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 8)
As a method for manufacturing curved lithium sheets,
manufacturing a curved mold in the shape of a desired curved lithium sheet;
a step of sequentially laying the polypropylene film and the curved mold on the flat surface of the flat lithium sheet, and tightening the curved mold, the polypropylene film and the flat lithium sheet with a jig;
pressing the flat lithium sheet against the curved mold using a press device to form the same curved surface as the curved mold;
taking out the curved mold and the polypropylene membrane to obtain the desired curved lithium sheet;
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to appendix 6.
（付記９）
曲面金型は、３Ｄ印刷法によって製造される、
ことを特徴とする付記８に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 9)
The curved mold is manufactured by 3D printing method.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to appendix 8.
（付記１０）
曲面金型の３Ｄ印刷法は、
モデリングソフトウェアを使用して所要の曲面リチウムシートをモデル化して曲面モデルを得るステップと、
スライシングソフトウェアを使用して曲面モデルをスライスして複数のスライス画像を得るステップと、
複数のスライス画像をレイヤごとに印刷して曲面金型を取得するステップと、を含む、
ことを特徴とする付記９に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。
(Appendix 10)
The 3D printing method for curved molds is
modeling the required curved lithium sheet using modeling software to obtain a curved surface model;
slicing the curved model using slicing software to obtain multiple slice images;
printing a plurality of slice images layer by layer to obtain a curved mold;
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to appendix 9.
１：電極シート
２：電池ケース
３：ガスケット
４：弾性シート
５：電池負極
６：セパレータ
７：電解液
1: Electrode sheet 2: Battery case 3: Gasket 4: Elastic sheet 5: Battery negative electrode 6: Separator 7: Electrolyte
Claims (10)
セパレータの両端が電池ケースの中央にそれぞれ接続され、
セパレータと電池ケースの一端との間に第１室が設けられ、セパレータと電池ケースの他端との間に第２室が設けられ、
第１室の内部には、電池ケースの一端に当接する電極シートが設けられ、
第２室の内部には、両端がそれぞれセパレータと電池ケースの他端に当接し、曲面リチウムシートでできた電池負極が設けられ、
第１室と第２室の内部には、共に電解液が満たされ、電極シートと電池負極がそれぞれ電解液に浸されている、
ことを特徴とする曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 Including a battery case with a separator inside,
Both ends of the separator are connected to the center of the battery case,
A first chamber is provided between the separator and one end of the battery case, a second chamber is provided between the separator and the other end of the battery case,
An electrode sheet that contacts one end of the battery case is provided inside the first chamber,
Inside the second chamber, a battery negative electrode made of a curved lithium sheet is provided, with both ends abutting the separator and the other end of the battery case, respectively.
The first chamber and the second chamber are both filled with an electrolytic solution, and the electrode sheet and the battery negative electrode are respectively immersed in the electrolytic solution.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode.
ことを特徴とする請求項１に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 The battery negative electrode is provided with an elastic device having both ends abutting the battery negative electrode and the other end of the battery case, respectively.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 the elastic device is an elastic sheet,
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 2.
ことを特徴とする請求項３に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 A gasket is provided between the elastic sheet and the battery negative electrode, the ends of which are in contact with the elastic sheet and the battery negative electrode, respectively.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 3.
ことを特徴とする請求項１に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 The electrode sheet is made of curved lithium sheet,
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 The curved lithium sheet includes a plurality of depressions having a height of less than 10 mm.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to any one of claims 1 to 5.
ことを特徴とする請求項６に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 As a method for manufacturing a curved lithium sheet, a flat lithium sheet is processed into a curved surface by embossing and rolling.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 6.
所要の曲面リチウムシートの形状の曲面金型を製造するステップと、
ポリプロピレン膜及び曲面金型を順に平面リチウムシートの平面に敷き、曲面金型、ポリプロピレン膜及び平面リチウムシートを治具で締め付けるステップと、
プレス装置で曲面金型に押し付け、平面リチウムシートを曲面金型と同じ曲面に形成させるステップと、
曲面金型及びポリプロピレン膜を取り出して所要の曲面リチウムシートを得るステップと、を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 As a method for manufacturing curved lithium sheets,
manufacturing a curved mold in the shape of a desired curved lithium sheet;
a step of sequentially laying the polypropylene film and the curved mold on the flat surface of the flat lithium sheet, and tightening the curved mold, the polypropylene film and the flat lithium sheet with a jig;
pressing the flat lithium sheet against the curved mold using a press device to form the same curved surface as the curved mold;
taking out the curved mold and the polypropylene membrane to obtain the desired curved lithium sheet;
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 6.
ことを特徴とする請求項８に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 The curved mold is manufactured by 3D printing method.
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 8.
モデリングソフトウェアを使用して所要の曲面リチウムシートをモデル化して曲面モデルを得るステップと、
スライシングソフトウェアを使用して曲面モデルをスライスして複数のスライス画像を得るステップと、
複数のスライス画像をレイヤごとに印刷して曲面金型を取得するステップと、を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載の曲面リチウムシート負極を有するリチウム金属電池。 The 3D printing method for curved molds is
modeling the required curved lithium sheet using modeling software to obtain a curved surface model;
slicing the curved model using slicing software to obtain multiple slice images;
printing a plurality of slice images layer by layer to obtain a curved mold;
A lithium metal battery having a curved lithium sheet negative electrode according to claim 9.
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