JP5420132B2 - 電解質層にセラミック粒子を有する電気化学素子 - Google Patents
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Description
スピネル中のアルカリ金属の含有量は、充電/放電のサイクル中に変化し、元のスピネル、即ち電気化学素子の製造時に使用されたスピネルの公式理論量からずれてくることが多い。本特許明細書において、特に断わらない限り、「スピネル型材料」という用語は、スピネル及び例えば充電/放電のサイクル中、アルカリ金属イオンの電気化学的抽出によりスピネルから形成し得る材料を包含する。
ヨーロッパ特許No.0885845及び0973217は、電極にスピネル型構造のホスト材料を含む電気化学素子を開示しているが、これらの素子は高温用には設計されていない。
ヨーロッパ特許No.0656667は30℃以下で使用するように設計された電気化学素子を開示している。USP5160712は、スピネル型ではない積層電極構造を有する電気化学素子を開示している。
USP 5486346及び5948565は、乾燥工程中、溶融温度を70〜100℃まで上昇できる、電気化学素子の活性成分合成法を開示している。
従来より電気化学素子に使用されているスピネルは、面を中心とする立方体配列中に酸素原子が配置された結晶構造を有し、前記立方体配列内には遷移金属原子が16d八面体部位を占め、またアルカリ金属原子が8a四面体部位を占めている。このようなスピネルは、「ノーマルスピネル」という用語で表示されることが多い。本特許では、スピネル型材料の結晶構造については周知の標準Wyckoff命名法/通知を使用した。“TheInternatioal Tablesfor X−ray Crystallography”、第I巻、The Kynoch Press、1969年、及びここで示したJCPDCデータファイルを参照してもよい。
US−A−5518842、US−A−5698338及びG T K Fey等(Journalof Power Sources,68(1997),159〜165頁)は、リチウム電池のカソード材料としてインバーススピネルを使用することを開示している。GT K Fey等は、インバーススピネル構造は、リチウム電池用の最良のカソードに匹敵し得る容量を送達できるとは思われない、と結論している。
更に本発明の固体状電気化学素子は、カソードとアノードとの間にサンドイッチされた電解質層を有する。前記両電極はアルカリ金属イオンと、活性成分及び導電性成分を含有するスピネル型構造のホスト材料とを含有し、前記両成分は液状被膜コーティングで少なくとも部分的に覆われ且つマトリックスバインダー材料中に埋封されている。前記電解質層は、本質的に導電性成分を含まず且つLiPF6、LiBF4又はLiClO4のような溶解アルカリ含有塩の含有量が1重量%未満であるセラミック電解質粒子を含有する。前記粒子は、液状被膜コーティングで少なくとも部分的に覆われ且つマトリックスバインダー材料中に埋封されている。
本発明の或る実施態様の要点は、固体状電気化学素子を形成するため、高温電極材料として、スピネル及びインバーススピネルの特定群を好適なバインダー、例えば有機高分子バインダー中のガラス又はセラミックと組合せて有利に使用できることである。
本発明の第一実施態様では、固体状電気化学素子は次のような電極を有する。この電極は、アルカリ金属イオン用のホスト材料として、一般式AqM1+xMn1-xO4〔一般式中、Aはアルカリ金属を表し、Mは元素の周期律表の原子番号22(チタン)〜30(亜鉛)の金属から選択されるマンガン以外の金属を表すか、アルカリ土類金属を表し、スピネルがアルカリ土類金属又は亜鉛を含むという条件で、xは−1〜1のいずれの値であってよく、アルカリ土類金属及び亜鉛の合計と、その他の金属M及びマンガンの合計との原子比は多くとも1/3であり、またqはランニングパラメーターであって、通常このパラメーターは0〜1のいずれの値であってよい〕のノーマルスピネル型材料を含有し、またこの電気化学素子は更に固体無機バインダーを含有する。
ノーマルスピネルについては、好ましくは金属Mはクロム、鉄、バナジウム、チタン、銅、コバルト、マンガン及び亜鉛から選ばれる。特に、Mはクロムを表す。アルカリ土類金属及び亜鉛の合計と、その他の金属M及びマンガンの合計との原子比は少なくとも1/10であってよい。xの値は、例えば−1、0又は1であってよい。好ましくはxは−0.9〜0.9の範囲である。更に好ましい実施態様では、xは−0.5〜0.5の範囲である。最も好ましい実施態様では、xは−0.2〜0.2の範囲である。本発明で使用されるスピネルの例は、LiqCr2O4、LiqCrMnO4、LiqCr0.2Mn1.8O4、LiqTi2O4、LiqMn2O4、LiqFeMnO4、LiqMg0.5Mn1.5O4及びLiqZn0.1Mn1.9O4である。
本発明電気化学素子の第二実施態様で利用されるインバーススピネル型材料は通常、アルカリ金属イオンを収容するのに役立つ部位の少なくとも25%が16d八面体部位であるように選択される。アルカリ金属イオンを収容するのに役立つ部位の好ましくは少なくとも50%、更に好ましくは少なくとも90%、最も好ましくは少なくとも95%は、16d八面体部位である。特に、アルカリ金属イオンを収容するのに役立つ部位は全て、16d八面体部位である。インバーススピネル型材料では、アルカリ金属以外に、他の1つの元素が16d八面体部位の一部を占めるのを排除するものではない。簡略化のため、アルカリ金属イオンを収容するための16d八面体部位を含むスピネル型材料を以下、「インバーススピネル型材料」という用語で表示する。
インバーススピネル型材料及び更に以下に説明する幾つかの他の材料はアルカリ金属を含有する。この場合、アルカリ金属は、例えばナトリウム又はリチウムであってよい。アルカリ金属はリチウムであることが好ましい。通常、これらの材料は全て、同じアルカリ金属類を含有し、また通常、単一のアルカリ金属を含有する。これら材料は全て、単一のアルカリ金属としてリチウムを含有することが最も好ましい。したがって、電気化学的に活性なアルカリ金属、即ちアルカリ金属Aは好ましくはリチウム単独である。
好ましいインバーススピネル型材料は、例えばLiqNiVO4、LiqNi0.5Co0.5VO4、LiqCoVO4 およびLiqCuVO4(一般式中のqは前記と同じ意味を有する)である。
一般にスピネル型材料は、例えば金属の酸化物、炭酸塩、硝酸塩又は酢酸塩を添加混合し、混合物を高温、例えば350〜900℃の範囲に加熱し、次いで冷却することにより作ることができる。例えばLiCr0.2Mn1.8O4 は硝酸リチウム、三酸化クロム及び二酸化マンガンの混合物を600℃に加熱し、次いで混合物を冷却することにより作ることができる(GPistola等、Solid StateIonics 73(1992),285頁)。
精通者ならば、電気化学素子が、電極として1つのカソードと1つのアノードとを有し、更に電解質を有することは理解されよう。アノードは、アルカリ金属に関し、カソードのホスト材料よりも低い電気化学的電位のホスト材料を有する。このアルカリ金属についての電気化学的電位差は、25℃で測定して通常、少なくとも0.1Vであり、また通常、多くとも10Vである。この電位差は、好ましくは0.2〜8Vの範囲である。
カソード、電解質及びアノードは、独立に均質材料で構成されてもよいし、或いは不均質材料で構成されてもよい。不均質材料は、バインダー中に埋封された粒状材料からなるものが多い。カソード及び/又はアノードのホスト材料は、バインダー中に埋封された粒状材料として存在することが好ましい。バインダーは、電極同士を結合する電極間の層として存在してよい。
更に実用的な価値を得るには、電気化学素子の使用温度及び適用可能な充電電圧に充分な程度まで耐えられ、こうしてサイクル中の素子の品質低下及び容量低下を防止するように、電極及び電解質の製造用材料を組合せ、選択することが望ましい。
電気化学素子は、バインダーとして固体無機材料、例えばセラミック、又は好ましくはガラスを含有する。ガラスとしては、珪素、アルミニウム又は燐を基剤とするガラスが好適であり、また酸化物又は硫化物を基剤とするガラスが好適である。これらガラスの2種以上の混合形態も可能である。
バインダーは好適には、非導電性バインダーであるか、或いはアルカリ金属イオンに対し導電性のバインダーである。
非導電性ガラスは、例えばホウ珪酸ガラス又は珪酸ホウ素燐ガラスである。
或いは、アルカリ金属イオンに対し導電性のガラスは、例えばJ.L.Souquet,“SolidState Electrochmistry”,P.G.Bruce(編),CambridgeUniversity Press,1955年,74、75頁に開示されるように、アルカリ金属硫化物、アルカリ金属ハロゲン及び硫化ホウ素及び/又は硫化燐を結合させる(combine)ことにより同様に得られるガラスから好適に選択できる。好ましくは、このガラスはアルカリ金属硫化物及び硫化燐を結合させることにより得られる。最も好ましくは、このガラスは式P2S5.2Li2Sのガラスである。
アルカリ金属イオンに対し導電性のその他の好適なガラスは一般式 A4SiO4及びA3 PO4(一般式中、Aはアルカリ金属を表す)のガラスである。
電子に対する導電性を増大させるため、バインダーは電子に対し導電性の粒状材料で構成することができる。このような粒状材料は好適には、カーボン粒子及び金属粒子、例えば銅又はアルミニウムの粒子から選択できる。銅粒子はアノードに好ましく使用することができ、またアルミニウム粒子はカソードに好ましく使用することができる。
低分子量極性有機化合物は炭素原子数8以下のものが好適である。このような化合物の例は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、N,N−ジメチルホルムアミド、ガンマ−ブチロラクトン、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジメチルエーテル、ジメチルスルホキシド、スルホラン及びジオキソランのような、カーボネート、アミド、エステル、エーテル、アルコール、スルホキシド及びスルホンである。
電極のホスト材料について更に詳細に説明すると、電気化学素子は好ましくは、アルカリ金属イオン用のホスト材料として一般式AqM1+xMn1-xO4(但し、A、M、q及びxは前記定義したとおりである)のスピネル型材料からなるカソードを有し、更に前記アルカリ金属イオン用のホスト材料からなるアノードを有するものである。精通者ならば、特にアノードのホスト材料については、高温用としても好適なものが選ばれることは理解されよう。
金属を基剤とするガラスに関しては、好適なガラスは、金属酸化物、酸化ホウ素及び五酸化燐を結合させることにより得られる(RA Huggins,Journalof Power Sources,81−82(1999),13〜19頁参照)。金属酸化物は、錫、亜鉛、カドミウム、鉛、ビスマス又はアンチモンの酸化物、好ましくは一酸化錫又は一酸化鉛、更に好ましくは一酸化錫であってよい。理論によって束縛されるのは望まないが、こうして得られるガラス中の金属酸化物は、その場で還元されて相当する金属を生成し、アルカリ金属用のホスト材料として機能し得るものと考えられる。金属酸化物と酸化ホウ素とのモル比は、通常4:1〜1:1、好ましくは2.5:1〜1.5:1の範囲であり、また金属酸化物と五酸化燐とのモル比は、通常4:1〜1:1、好ましくは2.5:1〜1.5:1の範囲である。金属を基剤とするガラスは、追加成分として、アルカリ金属酸化物の基剤になってもよいし、ならなくてもよい。
半導体は好ましくは、通常1〜100nmの粒度を有するナノ粉末である。
カソード及びアノードは独立に、ホスト材料を通常少なくとも30重量%で通常99.5重量%以下、好ましくは40〜70重量、電子に対する導電性を増大させる粒状材料を通常少なくとも0.1重量%で通常20重量%以下、好ましくは2〜15重量%、アルカリ金属イオンに対する導電性を増大させる粒状材料を通常少なくとも0.2重量%で通常50重量%以下、好ましくは5〜40重量%、及び粒状材料が埋封されていてもよいバインダーを通常少なくとも0.1重量%で通常20重量%以下、好ましくは2〜15重量%、含有してよい。
アルカリ金属イオンに対する導電性を増大させる粒状材料が存在しなければ、バインダーは、通常少なくとも0.1重量%で通常70重量%以下、好ましくは2〜55重量%の量で存在してよい。このパラグラフで定義した量は、各電極の全重量に対するものである。
このパラグラフで定義した量は、電解質の全重量に対するものである。
好ましいカソードは、カソードの全重量を基準として、式LiqMn2O4又はLiqCrMnO4(但し、qはランニングパラメーターで、通常0〜1のいずれの値であってよい)のスピネル型材料粒子50重量%、並びに一般式 Li3xB1-xPO4(但し、xは0.6である)のガラスバインダー40重量%及びこの中に埋封されたグラファイト粉末10重量%からなる。
好ましいアノードは、アノードの全重量を基準として、一般式Li(4/3)+qTi5/3O4(一般式中、qはランニングパラメーターで、通常0〜1のいずれの値であってよい)のスピネル型材料粒子50重量%、並びに一般式Li3xB1-xPO4(但し、xは0.6である)のガラスバインダー40重量%及びこの中に埋封されたグラファイト粉末10重量%からなる。
電気化学素子は好ましくは、上記3つのパラグラフで定義したような、好ましいカソード、好ましいアノード及び好ましい電解質からなる。
電極及び電解質は、電気化学素子中で、いかなる好適な形状で存在してもよい。これらは、層の形状、即ち一つの寸法は、その他の寸法よりもかなり小さく、例えば箔又は円盤の形状であることが好ましい。このような層は、押出技術を利用して上記成分を混合、押出すことにより製造できる。精通者ならば、好適な押出技術を知っている。
層の厚さは、広範な制限内で選択可能である。例えば電極層の厚さは2mm未満であってよく、また少なくとも0.001mmであってよい。電極層の厚さは好ましくは0.01〜1mmの範囲である。電解層の厚さは0.02mm未満であってよく、また少なくとも0.0001mmであってよい。電解層の厚さは好ましくは0.001〜0.01mmの範囲である。バインダーとしてガラスを使用する利点は、薄くてもなおかなりの強度を持った薄層が作れることである。
この金属層及び電気絶縁層は、アノード、電解質及びカソードの形状に応じて、箔又は円盤の形状であることが好ましい。これら層の厚さは、広範な制限内で選択できる。この厚さは、例えば1mm未満で、少なくとも0.001mm、好ましくは0.01〜0.1mmの範囲であってよい。
第一金属層及び第二金属層は、本発明による電気化学素子の使用条件の点から好適であれば、いかなる金属又は金属合金で作製してもよい。好適な金属は銅及びアルミニウムである。第一金属層はアルミニウム製であることが好ましく、また第二金属層は銅製であることが好ましい。
本発明に使用される電気化学素子は、5層パック、好適には前述のように積み重ねるか、或いは巻付けた複数の5層パックの1つ以上を動的圧縮(dynamiccompaction)させて作製される。動的圧縮技術は、特にWO−97/10620や、ここで引用した文献から公知である。動的圧縮は、圧力パルスを使用して、被圧縮物に圧力波を伝達するものである。圧力パルスは、爆発物を使用する爆発、ガスガンによる爆発、又は磁気パルスにより発生することができる。動的圧縮により、層間の界面接触や、粒状材料とその周囲のバインダーとの間の界面接触が改善される。したがって、動的圧縮により、内部電気抵抗の比較的低い電気化学素子が得られる。
精通者であれば、電気化学素子の充電及び必要ならば何らかの状態調節に適用できる方法を知っている。
本発明の電気化学素子は、高温で複数の充電/放電サイクルを行っても、これら種々の充電/放電サイクル中、送達、維持される容量について良好な性能を発揮することができる。この電気化学素子は通常、再充電可能な電池である。
この電気化学素子は、化学及び石油の処理プラントの処理装置内、並びにガス及び石油の探査や生産時の下方の孔部に特に好適に使用される。
コイン−セル(coin−cell)再充電可能な電池を作り、下記方法に従って110℃でテストした。
活性電極材料としてアノード材料Li4/3Ti5/3O4 (Hohsen Corp.)及びカソード材料LiMn2O4(Honeywell)を使用した。アノード及びカソードは(1)アノード又はカソード活性材料、(2)LiPF6、LiBF4又はLiClO4のような溶解アルカリ含有塩の含有量が1重量%未満のセラミック電解質粒子(Li1.3Al0.3Ti1.7 (PO4)3)、(3)カーボンブラック(MMM SuperP)、(4)グラファイト(TimcalSFG10)及び(5)1−メチルピロリドン(NMP)(Merck)に溶解したバインダーPVDF(Solvay)の質量比50:30:3:10:7の混合物を10μm厚のアルミニウムカレントコレクター(currentcollector)上にドクターブレードで塗布して作製した。塗膜は真空下140℃で15分間急速乾燥した後、真空下80℃で一晩乾燥した。得られた塗膜は40〜50%の細孔度になるまでハンドローラーを用いて圧延(pressureroll)した。セラミック電解質粒子(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)とNMP(Merck)に溶解したバインダーPVDF(Solvay)との質量比93:7の混合物をテープ流延(tape cast)することにより、電解質箔と云われる独立した電解質層を作った。
Claims (3)
- カソードとアノードとの間にサンドイッチされた電解質層を有する固体状電気化学素子であって、
前記両電極はアルカリ金属イオンと、活性成分及び導電性成分を含有するスピネル型構造のホスト材料とを含有し、前記両成分は液状被膜コーティングで少なくとも部分的に覆われ且つマトリックスバインダー材料中に埋封され、前記電解質層は、本質的に導電性成分を含まず且つ溶解アルカリ含有塩の含有量が1重量%未満であるセラミック電解質粒子を含有し、前記粒子は、液状被膜コーティングで少なくとも部分的に覆われ且つマトリックスバインダー材料中に埋封されており、
前記電気化学素子は、40℃以上の温度で使用され、
前記セラミック電解質粒子は、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3からなり、LiPF6、LiBF4又はLiClO4のような溶解アルカリ含有塩の含有量が0.5重量%未満であり、C、Al、Cu又はその他の導電性成分を含まず、且つ極性液体の被膜で少なくとも部分的に覆われており、
前記アノードが、活性アノード材料としてLi4/3 Ti5/3 O4 を含有し、前記カソードが、活性カソード材料としてLiMn2O4 を含有する、
電気化学素子。
- 第一金属、カソード、電解質層、アノード及び第二金属の連続層からなる1つ以上の5層パックに動的圧縮を行う請求項1に記載の電気化学素子の製造方法。
- 55〜250℃の温度で使用される請求項1に記載の電気化学素子。
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