JP5310284B2 - Metal secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は金属二次電池に関する。 The present invention relates to a metal secondary battery.
近年、地球環境保護の観点から、低公害車としての電気自動車やハイブリッド自動車等に適用するべく、高出力かつ高容量な高性能電源が必要とされている。また、自動車等以外の分野においても、情報関連機器や通信機器等のモバイルツールの世界的な普及によって、当該モバイルツールを高性能化可能な二次電池が必要とされている。 In recent years, from the viewpoint of protecting the global environment, a high-performance and high-capacity high-performance power supply is required to be applied to electric vehicles, hybrid vehicles, and the like as low-pollution vehicles. Also, in fields other than automobiles and the like, secondary batteries capable of improving the performance of mobile tools are required due to the global spread of mobile tools such as information-related devices and communication devices.
二次電池の中でも、特にリチウム系の金属二次電池は、原理的に放電できる電気容量が大きく、且つ、高出力であるとされ、様々な研究がなされている。リチウム系の金属二次電池の形態としては、正極活物質にリチウム複合酸化物等を用いるリチウムイオン二次電池や、酸素を正極活物質とするリチウム空気電池等が挙げられる。このようなリチウム系の金属二次電池においては、例えば、上記正極活物質等を含む正極と、電解液及び/又は固体電解質を含む電解質層と、Li等を含む負極とをこの順に積層してなる発電部において電池反応を生じさせることで、外部へと電気エネルギーを取り出すことができる。 Among secondary batteries, lithium-based metal secondary batteries, in particular, have a large electric capacity that can be discharged in principle and high output, and various studies have been conducted. Examples of the form of the lithium metal secondary battery include a lithium ion secondary battery using a lithium composite oxide or the like as a positive electrode active material, a lithium air battery using oxygen as a positive electrode active material, and the like. In such a lithium-based metal secondary battery, for example, a positive electrode including the positive electrode active material or the like, an electrolyte layer including an electrolyte and / or a solid electrolyte, and a negative electrode including Li or the like are stacked in this order. By generating a battery reaction in the power generation section, electrical energy can be extracted to the outside.
上記二次電池にかかる技術として、電解質層に電解液層と固体電解質層とを併用した形態が開示されている。例えば、特許文献1には、リチウム負極、非水電解液を含むセパレータ、オハラガラス(リチウムイオン伝導体)、及び正極をこの順に有する発電部を備えた二次電池が開示されている。また、非特許文献1には、Li負極と正極との間に固体電解質(メンブレン)を設け、且つ、Li負極側に非水系電解液を、正極側に水系電解液を備える、二次電池が開示されている。 As a technique related to the secondary battery, a form in which an electrolyte layer and a solid electrolyte layer are used in combination with an electrolyte layer is disclosed. For example, Patent Document 1 discloses a secondary battery including a power generation unit having a lithium negative electrode, a separator containing a non-aqueous electrolyte, OHARA glass (lithium ion conductor), and a positive electrode in this order. Non-Patent Document 1 discloses a secondary battery in which a solid electrolyte (membrane) is provided between a Li negative electrode and a positive electrode, a non-aqueous electrolyte is provided on the Li negative electrode side, and an aqueous electrolyte is provided on the positive electrode side. It is disclosed.
しかしながら、特許文献1や非特許文献1に記載されたような金属二次電池においては、電池の放電反応が起こると、負極中の成分(例えば、Li)がイオンとして電解液に溶出する(また、例えば正極側にLi2Oとして析出する)反応が起こり、放電に伴って負極の体積が減少するものと考えられる。負極の体積が減少すると、負極と固体電解質との間にある電解液の液位が変化するものと考えられ、固体電解質と負極の間に空隙ができ、内部抵抗が増大する等、電池特性に悪影響を及ぼす虞があった。 However, in a metal secondary battery as described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, when a discharge reaction of the battery occurs, a component (for example, Li) in the negative electrode elutes into the electrolyte as ions (or For example, it is considered that the reaction of depositing as Li 2 O on the positive electrode side occurs, and the volume of the negative electrode decreases with discharge. When the volume of the negative electrode decreases, the liquid level of the electrolyte solution between the negative electrode and the solid electrolyte is considered to change, and a void is formed between the solid electrolyte and the negative electrode, increasing the internal resistance. There was a risk of adverse effects.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、電解質層として固体電解質と電解液とを併用する金属二次電池において、電池の充電又は放電により電極、特に負極、の体積が変化した場合であっても、内部抵抗の増大を抑え、電池性能を維持することができる金属二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and is a case where the volume of an electrode, particularly a negative electrode, is changed by charging or discharging of a battery in a metal secondary battery using a solid electrolyte and an electrolyte together as an electrolyte layer. However, an object of the present invention is to provide a metal secondary battery that can suppress an increase in internal resistance and maintain battery performance.
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、正極、固体電解質層、第一電解液層、及び負極をこの順に有する発電部を備えるとともに、前記第一電解液層には第一電解液が含まれ、前記第一電解液層に、電解液補充部が接続され、前記電解液補充部内に収容された電解液の液位が、前記第一電解液層の位置よりも高い位置とされ、
該第一電解液層と該電解液補充部とが常に流体連通状態とされ、
前記負極の体積が変化した場合に、前記負極の体積変化の分だけ、前記電解液補充部から前記第一電解液層に前記第一電解液が補充される、又は前記第一電解液層から前記電解液補充部に、前記第一電解液が移動することによって、前記負極の体積が変化した場合においても、前記固体電解質層と前記負極との間が、前記第一電解液によって満たされている、金属二次電池である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is,
The present invention includes a power generation unit having a positive electrode, a solid electrolyte layer, a first electrolyte layer, and a negative electrode in this order, and the first electrolyte layer includes a first electrolyte , and the first electrolyte layer In addition, an electrolyte replenishment part is connected, and the liquid level of the electrolyte contained in the electrolyte solution replenishment part is higher than the position of the first electrolyte solution layer,
The first electrolyte layer and the electrolyte replenishment unit are always in fluid communication,
When the volume of the negative electrode changes, the first electrolytic solution is replenished from the electrolytic solution replenishment unit to the first electrolytic solution layer by the amount of the negative electrode volume change, or from the first electrolytic solution layer Even when the volume of the negative electrode changes due to the movement of the first electrolytic solution to the electrolytic solution replenishment section, the space between the solid electrolyte layer and the negative electrode is filled with the first electrolytic solution. It is a metal secondary battery.
本発明において、「第一電解液」とは、金属二次電池の電池反応により、正極及び負極間を行き来するイオン(例えば、金属イオン)を伝導可能な電解液であれば特に限定されるものではなく、非水系電界液又は水系電解液を用いることができる。「第一電解液層」とは、第一電解液を含む層であり、その他セパレータ等を有していてもよい。当該第一電解液層が負極及び固体電解質層の双方と接触し、負極と固体電解質層との間のイオン伝導が可能とされている。「負極の体積が変化した場合においても」とは、負極の体積が変化した後の場合のほか、負極の体積が変化していない場合、及び負極の体積が変化している場合も含む概念である。「第一電解液によって満たされている」とは、例えば、電池の充電及び放電に伴って負極の体積が変化した場合であっても、負極と固体電解質層との間に空隙が生じないように、又は空隙が残存しないように、負極と固体電解質層との間が第一電解液によって満たされていることを意味する。 In the present invention, the “first electrolytic solution” is particularly limited as long as it is an electrolytic solution capable of conducting ions (for example, metal ions) that travel between the positive electrode and the negative electrode by the battery reaction of the metal secondary battery. Instead, a non-aqueous electrolysis solution or an aqueous electrolyte solution can be used. The “first electrolyte solution layer” is a layer containing the first electrolyte solution, and may have other separators and the like. The first electrolyte layer is in contact with both the negative electrode and the solid electrolyte layer, and ion conduction between the negative electrode and the solid electrolyte layer is enabled. “Even when the volume of the negative electrode changes” is a concept that includes the case where the volume of the negative electrode is not changed and the case where the volume of the negative electrode is changed in addition to the case where the volume of the negative electrode is changed. is there. “Filled with the first electrolyte solution” means that, for example, even when the volume of the negative electrode changes as the battery is charged and discharged, no gap is generated between the negative electrode and the solid electrolyte layer. In addition, it means that the space between the negative electrode and the solid electrolyte layer is filled with the first electrolyte so that no voids remain.
本発明においては、第一電解液層に、電解液補充部が接続されている形態とする。「電解液補充部」とは、発電部の外部から第一電解液層へと電解液を補充可能な形態であれば特に限定されるものではない。第一電解液層に電解液補充部を接続することで、電池の充電又は放電により負極の体積が変化した場合であっても、負極と固体電解質層との間に適切に電解液を補充でき、負極と固体電解質層との間が常に電解液で満たされ、空隙が生じることがない。
In the present invention, the first electrolyte layer, shall be the form of the electrolyte replenishing portion is connected. The “electrolyte replenisher” is not particularly limited as long as the electrolyte can be replenished from the outside of the power generation unit to the first electrolyte layer. By connecting the electrolyte replenishment part to the first electrolyte layer, the electrolyte can be appropriately replenished between the negative electrode and the solid electrolyte layer even when the volume of the negative electrode changes due to charging or discharging of the battery. The space between the negative electrode and the solid electrolyte layer is always filled with the electrolytic solution, and no voids are generated.
本発明においては、負極の体積が変化した場合に、負極の体積変化分だけ、電解液補充部から第一電解液層に、電解液が補充される、又は第一電解液層から電解液補充部に、電解液が移動する形態とする。負極の体積変化の分だけ適切に電解液が補充され又は電解液が移動(除去を含む)することで、負極と固体電解質層との間が常に電解液で満たされ、負極と固体電解質層との間に空隙が生じることがない。また、電解液が過剰に補充されることがなく、且つ、電解液量が適宜調整されるため無駄がない。
In the present invention, when the volume of the negative electrode is changed, only the volume change of the negative electrode, the first electrolyte layer from the electrolyte replenishing unit, the electrolytic solution is replenished, or electrolyte replenishment from the first electrolyte layer in part, it shall be the form in which the electrolyte is moved. When the electrolyte is appropriately replenished or moved (including removal) by the volume change of the negative electrode, the space between the negative electrode and the solid electrolyte layer is always filled with the electrolyte. There is no gap between the two. In addition, the electrolytic solution is not replenished excessively, and the amount of the electrolytic solution is adjusted as appropriate, so there is no waste.
本発明においては、電解液補充部内に収容された電解液の液位は、第一電解液層の位置よりも高い位置とされ、且つ、電解液補充部内に収容された電解液の液面が、所定の圧力を受けている。ここに、「電解液補充部内に収容された電解液の液位」とは、電解液補充部内で最も高い位置にある電解液面の液位をいう。「第一電解液層の位置よりも高い位置」とは、電極の体積変化が生じた場合であっても、電解液補充部内の電解液の液位が、第一電解液層中の電解液の液位よりも高い位置にある(特に、第一電解液層と固体電解質層との界面位置よりも高い位置にある)ことをいう。「電解液の液面が、所定の圧力を受けている」とは、例えば、電解液補充部を密閉系とした場合、電解液補充部内部に所定の圧力に調整された不活性ガスを電解液の液面に接触させることによって、電解液の液面が所定の圧力を受けている形態、電解液補充部を開放系とした場合、電解液の液面が大気圧を受けている形態、を挙げることができる。所定の圧力は大気圧以上とすることが好ましい。このようにすれば、簡易な構成で、負極の体積変化に伴って、電解液補充部から第一電解液層へと自動的に電解液が補充される又は第一電解液層から電解液補充部へと自動的に電解液が除去される形態とすることができる。従って、負極と固体電解質層との間が常に電解液で満たされ、負極と固体電解質層との間に空隙が生じることがない。 In the present invention, the liquid level of the stored in the electrolyte replenishing portion electrolyte, than the position of the first electrolyte layer is positioned higher, and the liquid level of the electrolyte solution contained in the electrolyte replenishing portion , that has received a predetermined pressure. Here, “the level of the electrolyte contained in the electrolyte replenishment part” refers to the level of the electrolyte surface at the highest position in the electrolyte replenishment part. “Position higher than the position of the first electrolyte layer” means that the level of the electrolyte in the electrolyte replenishment section is the electrolyte in the first electrolyte layer even when the volume of the electrode changes. (In particular, a position higher than the interface position between the first electrolyte layer and the solid electrolyte layer). “The surface of the electrolyte is under a predetermined pressure” means, for example, that when the electrolyte replenisher is a closed system, an inert gas adjusted to a predetermined pressure is electrolyzed inside the electrolyte replenisher. A mode in which the liquid level of the electrolytic solution is subjected to a predetermined pressure by being brought into contact with the liquid level of the liquid, a mode in which the liquid level of the electrolytic solution is subjected to atmospheric pressure when the electrolytic solution replenishment unit is an open system, Can be mentioned. The predetermined pressure is preferably not less than atmospheric pressure. In this way, with a simple configuration, the electrolyte is automatically replenished from the electrolyte replenishment part to the first electrolyte layer or the electrolyte is replenished from the first electrolyte layer as the volume of the negative electrode changes. The electrolyte solution can be automatically removed to the part. Therefore, the space between the negative electrode and the solid electrolyte layer is always filled with the electrolytic solution, and no gap is generated between the negative electrode and the solid electrolyte layer.
本発明において、正極と固体電解質層との間に、第二電解液を含む第二電解液層をさらに備えていてもよい。ここに、「第二電解液」とは、金属二次電池の電池反応により、正極及び負極間を行き来するイオンを伝導可能な電解液であれば特に限定されるものではなく、非水系電界液又は水系電解液を用いることができる。「第二電解液層」とは、第二電解液を含む層であり、その他セパレータ等を有していてもよい。当該第二電解液層が正極及び固体電解質層と接触し、正極と固体電解質層との間のイオン伝導が可能とされている。 In the present invention, a second electrolyte solution layer containing a second electrolyte solution may be further provided between the positive electrode and the solid electrolyte layer. Here, the “second electrolytic solution” is not particularly limited as long as it is an electrolytic solution capable of conducting ions traveling between the positive electrode and the negative electrode by the battery reaction of the metal secondary battery. Alternatively, an aqueous electrolyte can be used. The “second electrolyte solution layer” is a layer containing a second electrolyte solution, and may have other separators and the like. The second electrolyte layer is in contact with the positive electrode and the solid electrolyte layer, and ion conduction between the positive electrode and the solid electrolyte layer is enabled.
また、正極と固体電解質層との間に、第二電解液層をさらに備える上記本発明において、第二電解液層に電解液補充部が接続され、正極の体積が変化した場合においても、正極と固体電解質層との間が第二電解液により満たされているような形態としてもよい。「正極の体積が変化した場合においても」とは、正極の体積が変化した後の場合のほか、正極の体積が変化していない場合、及び正極の体積が変化している場合も含む概念である。「第二電解液によって満たされている」とは、正極の体積が変化した場合であっても、正極と固体電解質層との間に空隙が生じないように、又は、空隙が残存しないように、正極と固体電解質層との間が第一電解液によって満たされていることを意味する。電解液補充部は収容される電解液の種類が適宜選択される以外は、上記第一電解液層に接続される電解液補充部と同一の形態とすることができる。 Further, in the present invention further including the second electrolyte solution layer between the positive electrode and the solid electrolyte layer, the positive electrode electrode even when the electrolyte replenishment portion is connected to the second electrolyte solution layer and the volume of the positive electrode is changed. The solid electrolyte layer may be filled with the second electrolytic solution. “Even when the volume of the positive electrode changes” is a concept including the case where the volume of the positive electrode is not changed and the case where the volume of the positive electrode is changed in addition to the case where the volume of the positive electrode is changed. is there. “Filled with the second electrolytic solution” means that no gap is formed between the positive electrode and the solid electrolyte layer or no gap remains even when the volume of the positive electrode changes. It means that the space between the positive electrode and the solid electrolyte layer is filled with the first electrolytic solution. The electrolyte solution replenishment unit can have the same form as the electrolyte solution replenishment unit connected to the first electrolyte solution layer, except that the type of the electrolyte solution to be accommodated is appropriately selected.
さらに、本発明において、電池の充電又は放電によって正極又は負極の体積が変化した場合に、正極又は負極と固体電解質層との間に空隙が生じないように圧力を付与する、圧力付与手段をさらに備えることが好ましい。ここに、「正極又は負極と固体電解質層との間に空隙が生じないように圧力を付与する」とは、例えば、電解液補充部に圧力を付与して電解液層に電解液を流れこませ易くする形態や、発電部の少なくとも一部に圧力を付与することにより、電解液層に空隙を生じさせない形態を挙げることができる。「圧力付与手段」とは、発電部の少なくとも一部を押圧することができる手段であれば特に限定されるものではなく、公知の加圧装置等を用いることができる。これにより、負極と固体電解質層との間が常に電解液で満たされるように電池とすることができ、電池性能を維持することができる。 Furthermore, in the present invention, when the volume of the positive electrode or the negative electrode changes due to charging or discharging of the battery, a pressure applying unit that applies pressure so that no void is generated between the positive electrode or the negative electrode and the solid electrolyte layer is further provided. It is preferable to provide. Here, “applying pressure so as not to generate a gap between the positive electrode or negative electrode and the solid electrolyte layer” means, for example, applying pressure to the electrolyte replenishment section to allow the electrolyte to flow into the electrolyte layer. For example, it is possible to include a configuration that does not cause voids in the electrolyte layer by applying pressure to at least a part of the power generation unit. The “pressure applying unit” is not particularly limited as long as it is a unit capable of pressing at least a part of the power generation unit, and a known pressurizing device or the like can be used. Thereby, it can be set as a battery so that between an anode and a solid electrolyte layer may always be filled with electrolyte solution, and battery performance can be maintained.
本発明によれば、電池の充電又は放電により電極、特に負極の体積が変化した場合であっても、負極と固体電解質層との間が常に電解液で満たされた状態にあるので、負極と固体電解質層との間に空隙が生じることによる電池性能の低下を抑えることができる。 According to the present invention, since the space between the negative electrode and the solid electrolyte layer is always filled with the electrolyte even when the volume of the electrode, particularly the negative electrode is changed by charging or discharging the battery, It is possible to suppress a decrease in battery performance due to the generation of voids between the solid electrolyte layer.
以下本発明を、リチウム系の金属二次電池、特にリチウム空気電池に適用した場合を中心に説明する。 Hereinafter, the case where the present invention is applied to a lithium-based metal secondary battery, particularly a lithium-air battery will be mainly described.
1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる空気電池100を概略的に示す図である。図1に示すように、空気電池100は、正極10、負極20、正極10及び負極20の間に介在する固体電解質層30、負極20及び固体電解質層30の間に介在する第一電解液層31、並びに正極10及び固体電解質層30の間に介在する第二電解液層32を有する発電部40と、これらを内包する筐体50と、を備えている。発電部40において、第一電解液層31と第二電解液層32とは、固体電解質層30によって分離されている。筐体50内の正極10上方には空間が設けられ、ここに酸素含有ガスが含まれることにより、正極10表面に酸素層11が設けられている。ここから酸素を取り込んで正極活物質として用い、電池反応に供される。一方、筐体50の外部から発電部40の第一電解液層31に、電解液補充部60が接続されており、第一電解液層31に電解液を補充可能な形態とされている。第1実施形態にかかる空気電池100では、発電部40の各層の積層面が、水平面と略同一とされた、横置型の電池とされている。以下、空気電池100の各構成について説明する。
1. First Embodiment FIG. 1 is a diagram schematically showing an
<正極10>
正極10は、導電性材料、触媒、及び、これらを結着させる結着材を含有している。
<
The
正極10に含有される導電性材料は、空気電池100の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。正極10に含有される導電性材料としては、カーボンブラックやメソポーラスカーボン等の炭素材料等を例示することができる。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極10における導電性材料の含有量は、10質量%以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極10における導電性材料の含有量は、99質量%以下とすることが好ましい。
The conductive material contained in the
正極10に含有される触媒としては、コバルトフタロシアニン及び二酸化マンガン等を例示することができる。充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極10における触媒の含有量は、1質量%以上とすることが好ましい。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極10における触媒の含有量は、90質量%以下とすることが好ましい。
Examples of the catalyst contained in the
正極10に含有される結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を例示することができる。正極10における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。
Examples of the binder contained in the
正極10は、例えば、カーボンブラック、触媒、及び、結着材からなる塗料を、後述する正極集電体の表面に、ドクターブレード法にて塗布することにより作製することができる。このほか、カーボンブラック及び触媒を含む混合粉末を熱圧着することにより作製することもできる。
The
<酸素層11>
酸素層11は、筐体50内に存在する酸素ガスを、正極10へと導く機能を担う。酸素層11は、正極10へと導かれる空気の通り道であり、例えば、正極10の内部又は外面に当接して、正極10の集電を行う正極集電体に備えられる孔が、酸素層11として機能する。すなわち、酸素層11は、正極集電体11と表現することもできる。
<
The
空気電池100において、正極集電体は正極10の集電を行う機能を担う。空気電池100において、正極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。正極集電体の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、及び、カーボン等を例示することができる。このような正極集電体の形状としては、例えばメッシュ(グリッド)状等を例示することができる。
In the
<負極20>
負極20は、負極活物質として機能する金属を含有している。また、負極20には、負極20の内部又は外面に当接して、負極20の集電を行う負極集電体(不図示)が設けられる。
<
The
負極20に含有され得る金属としては、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Fe、Zn等や、これらの合金等を例示することができる。高容量化を図りやすい空気電池100を提供する等の観点からは、Liが含有されることが好ましい。
Examples of the metal that can be contained in the
負極20は少なくとも負極活物質を含有していれば良く、さらに、導電性を向上させる導電性材料や上記金属等を固定化させる結着材を含有していても良い。反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、負極20における導電性材料の含有量は10質量%以下とすることが好ましい。また、負極20における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。負極20に含有され得る導電性材料及び結着材の種類、使用量等は、正極10の場合と同様にすることができる。
The
空気電池100では、負極20の内部又は外面に当接して、負極集電体(不図示)が設けられる。負極集電体は、負極20の集電を行う機能を担う。空気電池100において、負極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、及び、ニッケル等を例示することができる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、及び、メッシュ(グリッド)状等を例示することができる。空気電池100において、負極20は、例えば正極10と同様の方法により作製することができる。
In the
<固体電解質層30>
固体電解質層30は、正極10及び負極20の間でイオンの伝導を担う固体電解質を有してなる層である。
<
The
固体電解質としては、空気電池100に使用可能な固体電解質であれば特に限定されるものではない。例えば、空気電池100をリチウム空気電池とする場合、種々のリチウム含有酸化物やその他リチウム系固体電解質等、リチウム空気電池に適用可能な固体電解質を用いることができる。具体的には、Li1.5Ti2Si0.4P2.6O12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3の等のNASICON型固体電解質、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12等のガーネット型固体電解質、Li0.5La0.5TiO3等のペロブスカイト型固体電解質、Li3.6P0.4Si0.5O4、Li3.4V0.6Ge0.4O4等のLISICON型固体電解質、Li2O−B2O3、LiCl−Li2O−B2O3、Li2O−SiO2、Li2SO4−LiPO4、Li2O−Nb2O5、Li2O−Ta2O5等のガラス型固体電解質や、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンオキサイドとエチルグリシジルエーテルとの共重合体等の固体高分子電解質等を用いることができる。固体電解質層30の作製方法については、特に限定されるものではないが、例えば、粉体状の固体電解質を混合し、加圧成形すること等によって作製することができる。
The solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte that can be used for the
<第一電解液層31>
第一電解液層31は、負極20及び固体電解質層30の間でイオンの伝導を担う層であり、電解液(第一電解液)を含む層である。第一電解液層31に含まれる電解液の形態は、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、負極に用いられる金属により水系電解液、非水系電解液が選択される。特に、非水電解液とすることが好ましい。非水電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、空気電池100をリチウム空気電池とする場合の非水電解液は、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有する。
<
The 1st
第一電解液層31に含有されるリチウム塩としては、LiTFSI、LiBETI等のイミド塩や、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiBOB等を用いることができる。また、非水溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン及びこれらの混合物や、4級アンモニウムカチオン(鎖状、環状)、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン等のカチオンと、TFSAアニオン、BETAアニオン、FSAアニオン、BF4アニオン、PF6アニオン、トリフレートアニオン、ClO4アニオン等のアニオンと、を有するイオン性液体や、C6F14、C7F16、C8F18、C9F20、ヘキサフルオロベンゼン、ハイドロフルオロエーテル等のフッ素溶媒を例示することができる。
Examples of the lithium salt contained in the
また、第一電解液層31は、セパレータやゲルポリマーに上記電解液が保持される形態とすることが好ましい。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。また、ゲルポリマーとしては、アクリレート系高分子化合物や、ポリエチレンオキサイド等のエーテル系高分子化合物及びこれらを含む架橋体や、ポリメタクリレート等のメタクリレート高分子化合物や、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンの共重合体等のフッ素系高分子化合物等を用いることができる。ゲルポリマーの形態は粒子状等、電解液が保持可能な形態であれば特に限定されるものではない。第一電解液層31の作製については、特に限定されるものではないが、適切に成形されたセパレータや、ゲルポリマー充填層に、上記電解液を含ませ、セパレータやゲルポリマーに電解液を保持させることにより、所定形状の第一電解液層31が作製される。
Moreover, it is preferable that the 1st
<第二電解液層32>
第二電解液層32は、正極10及び固体電解質層30の間でイオンの伝導を担う層であり、電解液(第二電解液)を含む層である。第二電解液層32に含まれる電解液の形態は、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、伝導する金属イオンの種類に応じて、水系電解液、非水系電解液が適宜選択される。例えば、空気電池100をリチウム空気電池とする場合、電解液には、通常、リチウム塩と水系又は非水系溶媒とが含有される。具体的なリチウム塩や非水系溶媒については、上記第一電解液層31に用いられ得るものを適宜選択して用いることができる。また、第二電解液層32も第一電解液層31と同様に、セパレータやゲルポリマー等によって電解液が保持されてなる形態とすることが好ましい。第一電解液層31と第二電解液層32とにおいて、用いられる電解液の種類は、同一であってもよいし異なっていてもよい。
<
The 2nd
<発電部40>
空気電池100において、発電部40は、上記正極10、第二電解液層32、固体電解質層30、第一電解液層31、及び負極20が、この順に積層されてなる積層体である。正極10、固体電解質層30、及び負極20の積層方法については特に限定されず、例えば、固体電解質層30の両面にセパレータ又はゲルポリマーを配し、当該セパレータ又はゲルポリマーに電解液を含ませることで、固体電解質層30の両面に第一電解液層31、第二電解液層32を形成する。そして、第二電解液層32表面に正極10を、第一電解液層31表面に負極20を形成することで、発電部40が作製される。
<
In the
<筐体50>
筐体50には、発電部40、酸素層11、及び酸素含有ガスが少なくとも収容される。空気電池100において、筐体50の形状は特に限定されるものではない。例えば、筐体50の一部をメッシュ状とすること等により、外部から空気等の酸素含有ガスを取り込み、空気電池100の正極に酸素が供給される形態であってもよいし、筐体50内部にあらかじめ酸素含有ガス等を収容して密閉したうえで、空気電池100の正極に酸素が供給される形態であってもよい。筐体50の構成材料は、空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。筐体50に取り込まれる又は収容される(空間51に存在させる)酸素含有ガスについては、酸素が含有されているものであれば特に限定されるものではないが、空気、好ましくは乾燥空気や、圧力が1.01×105Pa、酸素濃度が99.99%の酸素ガス等を用いることができる。
<
The
<電解液補充部60>
電解液補充部60は、第一電解液層31に適宜電解液を補充可能に形成された部分である。電解液補充部60の形態については、第一電解液層31に適宜電解液を補充可能に形成されていれば特に限定されるものではないが、空気電池100においては、電解液補充部60を、略L字状に形成された管状の部材としている。管の材質としては、電解液に対し安定であり、適切に電解液を収容可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、筐体50と同様の材質とすることができる。当該管の一端部が、例えば、筐体50に設けた孔等を介して、筐体50外部から筐体50内部の第一電解液層31に挿入されることにより、第一電解液層31と電解液補充部60とが流体連通状態とされている。一方、電解液補充部60の他端部は、第一電解液層31の上面よりも上方に位置している。電解液補充部60の内部には第一電解液層31に用いられる電解液と同様の電解液が収容されている。電解液補充部60内の電解液位は第一電解液層31よりも高く、且つ、電解液補充部60の電解液面が所定の圧力を受けるような形態とされている。例えば、電解液補充部60を密閉とし、電解液面上方に所定圧力の不活性ガス(Ar、N2等)を存在させることで、電解液面に所定の圧力が付与される形態とすることができる。圧力に関しては、電解液補充部60から第一電解液層31に適切に電解液が補充可能な圧力であれば特に限定されるものではない。例えば、大気圧以上の圧力とすることができる。一方、電解液補充部60を開放して、電解液面に大気圧が付与されるような形態としてもよい。但し、電解液の劣化を防ぎ、且つ、電池内部(特に負極)への悪影響を防ぐ観点からは、電解液補充部60を密閉とし、内部に不活性ガスを存在させる形態とすることが好ましい。
<
The electrolytic
空気電池100においては、電池の充電及び放電に伴って負極20と第一電解液層31との間で金属イオンがやり取りされ、負極20の体積が変化する。従来の空気電池においては、負極の体積が変化すると、第一電解液層31に含まれる電解液の液位が上下し、負極20と固体電解質層30との間に空隙が生じ、電池性能に悪影響を及ぼす場合があった。一方、空気電池100においては、上記電解液補充部60が第一電解液層30に接続されており、且つ、電解液補充部60の電解液面が第一電解液層30よりも上方に位置しているとともに、大気圧が付与されているので、負極20の体積変化によって負極20と固体電解質層30との間に空隙が生じた場合であっても、当該空隙部分に自動的に電解液が流れ込み(空隙が電解液補充部60へと移動し)、負極20と固体電解質層30との間が常に電解液で満たされる。従って、負極20の体積変化に伴って生じる空隙によって、電池性能が低下することを抑制できる。
In the
尚、空気電池100の使用条件において負極20の体積が最も減少し、第一電解液層31内の電解液量が最大となった状態においても、電解液補充部60内の電解液位が第一電解液層31よりも上方に位置していることが好ましい。そのため、電解液補充部60の容積を負極20の体積減少量よりも大きくし、負極20の体積減少量よりも多くの電解液を収容可能な電解液補充部60とすることが好ましい。
Even when the volume of the
3.第2実施形態
図2は、第2実施形態にかかる空気電池200を概略的に示す図である。図2において、図1と同様の構成については同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
3. Second Embodiment FIG. 2 is a diagram schematically showing an
図2に示されるように、空気電池200は、正極10、負極20、正極10及び負極20の間に介在する固体電解質層30、負極20及び固体電解質層30の間に介在する第一電解液層31、並びに正極10及び固体電解質層30の間に介在する第二電解液層32を有する発電部40と、これらを内包する筐体50と、を備えている。発電部40において、第一電解液層31と第二電解液層32とは、固体電解質層30によって分離されている。筐体50の形状は空気電池100の場合と同様、特に限定されるものではなく、筐体50の一部をメッシュ状とすることと等によって、外部から酸素含有ガスが取り込まれ得る形態の他、筐体50を密閉とし空間51に酸素含有ガスを存在させる形態とすることができる。これにより、正極10表面には酸素層11が設けられ、ここから酸素を取り込んで正極活物質として用いることで、電池反応を生じさせる。一方、筐体50の外部から発電部40の第一電解液層31に、電解液補充部160が接続されており、第一電解液層31に電解液を補充可能な形態とされている。第2実施形態にかかる空気電池200では、発電部40の各層の積層面が、鉛直面と略同一とされた、縦置型の電池とされている。すなわち、空気電池200は、電池が縦置型であるとともに、電解液補充部60に替えて電解液補充部160を備えている点で、空気電池100とは異なる。
As shown in FIG. 2, the
<電解液補充部160>
電解液補充部160は、第一電解液層31に接続されて第一電解液層31に適宜電解液を補充する部分である。電解液補充部160の形態については、第一電解液層31に適宜電解液を補充可能に形成されていれば特に限定されるものではないが、空気電池200においては、電解液を収容可能な管状の部材としている。管の材質としては、電解液に対し安定的であり、電解液を適切に収容可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、筐体50と同様の材質とすることができる。当該管の一端部が、例えば、筐体50に設けられた孔を介して、筐体50外部から第一電解液層31に挿入されることにより、第一電解液層31と電解液補充部160とが流体連通状態とされている。一方、電解液補充部160の他端部は、第一電解液層31よりも上方に位置している。電解液補充部160の内部には第一電解液層31に用いられる電解液と同様の電解液が収容されている。電解液補充部160においても、電解液補充部60と同様、電解液補充部160内の電解液の液位は第一電解液層31よりも上方に位置しており、且つ、電解液補充部160の電解液面が所定の圧力を受けるような形態とされている。すなわち、電解液補充部160は、密閉系としたうえで内部に所定圧力の不活性ガスが収容された形態や、大気に開放された形態とすることができる。また、空気電池100の場合と同様、電池使用条件において負極20の体積が最も減少し、第一電解液層31内の電解液量が最大となった状態においても、電解液補充部160内の電解液面が第一電解液層31よりも上方に位置している(すなわち、第一電解液層31の上方に余剰分の電解液が残存している)ことが好ましい。そのため、電解液補充部160の容積を負極20の体積減少分よりも大きくし、電解液補充部60内に、負極20の体積減少分よりも多くの電解液を収容することが好ましい。
<
The
このような空気電池200においても、負極20の体積変化によって負極20と固体電解質層30との間に空隙が生じた場合に、当該空隙部分に自動的に電解液が流れ込み(空隙が電解液補充部160へと移動し)、負極20と固体電解質層30との間が常に電解液で満たされる。従って、負極20の体積変化に伴って生じる空隙によって、電池性能が低下することを抑制できる。
Also in such an
3.その他の形態
上記第1実施形態、及び第2実施形態においては、発電部40が一つだけ設けられた空気電池100、200について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。発電部40を複数積層した形態や、筐体50内に発電部40を別途複数備えた形態等の、スタック状の空気電池としてもよい。この場合であっても。発電部40、40、…の第一電解液層31、31、…にそれぞれ電解液補充部60、60、…(又は電解液補充部160、160、…)を接続し、負極20、20、…と固体電解質層30、30、…との間を常に電解液で満たすことにより、負極20、20、…の体積変化に伴って生じる空隙によって内部抵抗が増大し電池性能が低下することを抑制できる。
3. Other Embodiments In the first embodiment and the second embodiment described above, the
また、上記第1実施形態、及び第2実施形態においては、略平面状の層が積層された積層体である発電部40を、そのまま筐体50内に収容するものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、発電部40の一端と他端とを結合して円筒状に形成された発電部を筐体50内に収容してもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment and 2nd Embodiment, although demonstrated as what accommodates the electric
また、上記第1実施形態、及び第2実施形態においては、発電部40に第二電解液層32が備えられる形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。本発明において第二電解液層32は必ずしも必須ではなく、第二電解液層32が備えられない形態としてもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment and 2nd Embodiment, although the form with which the 2nd
また、上記第1実施形態、及び第2実施形態においては、筺体50内に空間51及び酸素層11が設けられる形態を例示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば筐体50に孔等を設けて外部から酸素含有ガスを取り込むことで、当該孔を酸素層として機能させてもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment and 2nd Embodiment, although the form in which the
一方、発電部40に第一電解液層31及び第二電解液層32が備えられる上記第1実施形態及び第2実施形態において、第一電解液層31にのみ電解液補充部60又は160が接続される形態について説明したが、例えば、図3に示すように、第二電解液層32にも電解液補充部60と同様の形態の電解液補充部60’が接続された金属二次電池300とすることもできる。また、金属二次電池200のように、電池が縦置型であるとともに、電解液補充部60に替えて電解液補充部160を備えている場合において、図4に示すように、電解液補充部160と同様の形態の電解液補充部160’が、第二電解液層32にも接続された金属二次電池400としてもよい。金属二次電池300又は400においては、電解液補充部60’又は160’に、第二電解液層に含まれる電解液と同様のものが収容されている。電解液補充部60’、160’内の電解液の液位は、第二電解液層32よりも高い位置とされており、且つ、電解液補充部60’、160’内の電解液面が大気圧を受けている。これにより、電池の充電及び放電に伴って正極10の体積が変化した場合であっても、正極10と固体電解質層30との間が第二電解液層32により常に満たされた状態とすることができ、正極10の体積変化に伴って生じる空隙によって電池性能が低下することを抑制できる。
On the other hand, in the first embodiment and the second embodiment in which the first
また、上記に替えて、又は、上記に加えて、電極の体積変化に応じて、電解液補充部60や発電部40に圧力を付与可能な圧力付与手段(不図示)を設けてもよい。圧力付与手段を設ける位置については特に限定されるものではない。また、圧力付与手段により付与される圧力についても、電池内が過剰な圧力とならない圧力であれば特に限定されるものではない。さらに、制御装置を併用して、電池の放電量等から導き出した電極の体積変化に基づいて圧力を付与可能に制御される形態とすることもできる。
In addition to or in addition to the above, a pressure applying means (not shown) capable of applying pressure to the
例えば、上記説明では不活性ガス又は大気により、所定の圧力を受けるものとされていた電解液補充部60、160、60’又は160’(以下、単に「電解液補充部」という。)の電解液面に、圧力付与手段により圧力を付与可能な形態することができる。この場合は、例えば、電解液補充部内の電解液面に1.01×105N/m2以上2.03×105N/m2以下(1atm〜2atm)の圧力を付与可能な圧力付与手段とすることが好ましい。また、電池(筐体50)を密閉系とした場合は、電池内部圧力を1.01×105N/m2以上2.03×105N/m2以下(1atm〜2atm)程度にあらかじめ加圧気味に調整しておくことも可能である。この形態によれば、電解液補充部内の電解液を、第一電解液層31又は第二電解液層32に流れ込ませ易くすることができ、電極(正極10又は負極20)と固体電解質層30との間を電解液層で常に満たすことができる。また、負極20と筐体50との間や正極10と筐体50との間に圧力付与手段を設けて、発電部40の積層方向と略同一となる方向に圧力を付与する形態とすることもできる。この場合も、上記と同様、電池の放電時に発電部40に1.01×105N/m2以上2.03×105N/m2以下(1atm〜2atm)の圧力を付与可能な圧力付与手段とすることが好ましい。この形態によっても、電極と固体電解質層30との間に生じた空隙を外部へと容易且つ迅速に逃がすことができ、電極と固体電解質層30との間に空隙が生じることがない。
For example, in the above description, electrolysis of the electrolyte
また、上記第1実施形態、及び第2実施形態においては、本発明が空気電池に適用されるものとして説明したが、本発明は、電解質として固体電解質及び電解液を併用する金属二次電池であって、電池の充電及び放電に伴って電極の体積変化が生じ、固体電解質層と電解液層との間に空隙が生じる虞のあるものであれば、特に限定されることなく適用できる。例えば、正極にLiCoO2、LiNiO2のような層状酸化物や、Sを含む硫黄系正極材料等を含む、リチウムイオン二次電池としてもよい。この場合、筐体50内に酸素含有ガスを収容する必要はなく、正極10と筐体50の内壁との間に空間51を設ける必要もない。
Moreover, in the said 1st Embodiment and 2nd Embodiment, although demonstrated that this invention was applied to an air battery, this invention is a metal secondary battery which uses together a solid electrolyte and electrolyte solution as electrolyte. In addition, the present invention can be applied without particular limitation as long as there is a possibility that a change in volume of the electrode occurs due to charging and discharging of the battery and a gap may be generated between the solid electrolyte layer and the electrolyte layer. For example, a lithium ion secondary battery including a layered oxide such as LiCoO 2 or LiNiO 2 or a sulfur-based positive electrode material containing S may be used for the positive electrode. In this case, it is not necessary to store the oxygen-containing gas in the
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う金属二次電池また本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。 Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the invention is not limited to the embodiments disclosed herein. However, the present invention can be modified as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention which can be read from the claims and the entire specification, and is understood to be included in the technical scope of the present invention. It must be.
本発明は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。 The present invention can be suitably used as a power source for portable devices, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like.
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
31 第一電解液層
32 第二電解液層
40 発電部
50 筐体
60 電解液補充部
100 金属二次電池
160 電解液補充部
200 金属二次電池
300 金属二次電池
400 金属二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該第一電解液層と該電解液補充部とが常に流体連通状態とされ、
前記負極の体積が変化した場合に、前記負極の体積変化の分だけ、前記電解液補充部から前記第一電解液層に前記第一電解液が補充される、又は前記第一電解液層から前記電解液補充部に前記第一電解液が移動することによって、前記負極の体積が変化した場合においても、前記固体電解質層と前記負極との間が、前記第一電解液によって満たされている、金属二次電池。 The power generation unit includes a positive electrode, a solid electrolyte layer, a first electrolyte layer, and a negative electrode in this order. The first electrolyte layer includes a first electrolyte , and the first electrolyte layer includes an electrolyte solution. A replenishment part is connected, and the liquid level of the electrolyte contained in the electrolyte replenishment part is higher than the position of the first electrolyte layer,
The first electrolyte layer and the electrolyte replenishment unit are always in fluid communication,
When the volume of the negative electrode changes, the first electrolytic solution is replenished from the electrolytic solution replenishment unit to the first electrolytic solution layer by the amount of the negative electrode volume change, or from the first electrolytic solution layer Even when the volume of the negative electrode changes due to the movement of the first electrolytic solution to the electrolytic solution replenishment section, the space between the solid electrolyte layer and the negative electrode is filled with the first electrolytic solution. , Metal secondary battery.
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