JP5573513B2 - リチウム電池電極及びリチウム電池 - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム電池電極及びリチウム電池等に関する。
リチウムやリチウム含有物質を負極に用いた電池は軽量で高容量であるばかりでなく、適当な正極と組み合わせることで高い電圧が得られるため、携帯電子機器、カメラ、時計、電動工具さらにハイブリッド自動車用バッテリーなどに広く応用されている。
しかしながら、リチウムの持つ高い活性と有機電解液が用いられていることから、短絡時の発火・爆発などの可能性が常に懸念されており、リチウム電池の設計において安全性の確保が常に大きな課題となっている。また、リチウム二次電池の充放電に伴う劣化も課題であり、充放電サイクルに起因する寿命の伸長も望まれている。
しかしながら、リチウムの持つ高い活性と有機電解液が用いられていることから、短絡時の発火・爆発などの可能性が常に懸念されており、リチウム電池の設計において安全性の確保が常に大きな課題となっている。また、リチウム二次電池の充放電に伴う劣化も課題であり、充放電サイクルに起因する寿命の伸長も望まれている。
ここで、安全性とサイクル寿命の向上策として、スピネル型チタン酸リチウム結晶（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を負極活物質に用いることが提案されている（例えば、特許文献１〜４、非特許文献１を参照。）。Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２結晶を負極として用いた場合、短絡電流の自己遮蔽効果による内部短絡時の安全性向上や、充放電時の無体積変化特性によるサイクル寿命の向上などのメリットがある。
一方、二次電池を使用した機器においては、充電状態を表示する等の目的から、二次電池の電気容量、即ち、残容量を計測することが要求される。二次電池の残容量を計測する方法としては、ＩＣ回路を用いて電池電圧や充放電電流の積算値を測定して、残容量を演算する方法などが挙げられる（例えば、特許文献５、６を参照）。
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．， １４２， １４３１ （１９９５）．
ところで、グラファイト系のような炭素材料やチタン酸リチウムを負極に用いた電池では、図１１に示すように、放電に伴う電圧降下特性が非線形であるため、電圧測定のみによって残容量を特定することは困難である。即ち、定電流動作時の電圧が完全放電近くまで一定であるために安定した電圧供給が可能であるというメリットは、同時に、二次電池の残容量を推定することが困難になるというデメリットを併せ持つ。
また、充放電電流の積算値などを利用する方法は、高い精度で算出できる反面、電流積算回路として多数の部品や回路を必要とするため、測定に要するコストが極めて高くなる。
そこで この発明は、コストの上昇を抑えつつ、リチウム電池の残容量を把握できるようにしたリチウム電池電極及びリチウム電池の提供を目的の一つとする。
そこで この発明は、コストの上昇を抑えつつ、リチウム電池の残容量を把握できるようにしたリチウム電池電極及びリチウム電池の提供を目的の一つとする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るリチウム電池電極は、リチウム電池の正極又は負極として使用される電極であって、透明基板と、前記透明基板の一方の面側に設けられた電極材料と、を有し、前記電極材料は、チタン酸リチウムを含むことを特徴とする。ここで、「透明基板」とは、可視光を透過させる基板のことであり、有色透明、無色透明の何れでもよい（但し、可視光の透過率を高めるためには、無色透明であることが好ましい。）。このような透明基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、アクリル樹脂等の有機樹脂からなる樹脂基板が挙げられる。
また、「電極材料」は、電池反応に関わる活物質のことである。電極材料に含まれる「チタン酸リチウム」は、リチウム電池の充放電に応じて、下記（１）式で示される可逆反応が起こる。
Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（スピネル）⇔Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２（岩塩）…（１）
Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は白色を呈し、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２は青色を呈する。
Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（スピネル）⇔Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２（岩塩）…（１）
Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は白色を呈し、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２は青色を呈する。
このような構成であれば、透明基板を通して、電極材料の色を目視で確認（即ち、視認）することができる。そして、この視認した色に基づいて、リチウム電池の残容量を把握することができる。具体的には、電極材料に含まれるチタン酸リチウムは、当該リチウム電池電極が負極として用いられる場合は、満充電時には青色を呈し、完放電時には白色を呈する。また、当該リチウム電池電極が正極として用いられる場合は、満充電時には白色を呈し、完放電時には青色を呈する。チタン酸リチウムの色の変化には線形性があるため、チタン酸リチウムを含む電極材料の色を視認することによって、リチウム電池の残容量を把握することができる。
従来例と比較して、リチウム電池の残容量を把握するための電流積算回路等が必要ないため、コストの上昇を抑えつつ、リチウム電池の残容量を把握することができる。なお、「電極材料」としては、例えば、後述の負極材料５、正極材料５５又は電極材料９０が該当する。
従来例と比較して、リチウム電池の残容量を把握するための電流積算回路等が必要ないため、コストの上昇を抑えつつ、リチウム電池の残容量を把握することができる。なお、「電極材料」としては、例えば、後述の負極材料５、正極材料５５又は電極材料９０が該当する。
また、上記のリチウム電池電極において、前記透明基板の一方の面上に形成された透明集電層、をさらに有し、前記透明集電層上に前記電極材料が形成されていることを特徴としてもよい。ここで、「透明集電層」は、可視光を透過させる集電層のことであり、有色透明、無色透明の何れでもよい（但し、可視光の透過率を高めるためには、無色透明であることが好ましい。）。透明集電層は、電極材料を透明基板の一方の面側に保持する共に、充放電に伴う電流の通路の確保するためのものであり、例えば、スズをドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素をドープした酸化スズ（ＦＴＯ）、又は、アルミニウムなどをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）などの導電膜で構成されている。
このような構成であれば、透明集電層によって電極材料を保持すると共に、充放電に伴う電流の通路を確保することができる。また、この透明集電層を通して、電極材料の色を目視で確認することができる。
このような構成であれば、透明集電層によって電極材料を保持すると共に、充放電に伴う電流の通路を確保することができる。また、この透明集電層を通して、電極材料の色を目視で確認することができる。
また、上記のリチウム電池電極において、前記電極材料における前記チタン酸リチウムの割合は、６０重量パーセント以上であり、前記電極材料の厚さは５０ｎｍ以上であることを特徴としてもよい。このような構成であれば、電極材料においてチタン酸リチウムの発色が明確となる。
また、上記のリチウム電池電極において、前記透明基板に設けられたインジケータ、をさらに有し、前記インジケータは、少なくとも、前記リチウム電池の完放電時に前記電極材料が呈する色と同一色の領域を含むことを特徴としてもよい。このような構成であれば、電極材料の色とインジケータが有する領域とを比較することによって、電極材料の色の見分けが容易となり、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
また、上記のリチウム電池電極において、前記透明基板に設けられたインジケータ、をさらに有し、前記インジケータは、少なくとも、前記リチウム電池の完放電時に前記電極材料が呈する色と同一色の領域を含むことを特徴としてもよい。このような構成であれば、電極材料の色とインジケータが有する領域とを比較することによって、電極材料の色の見分けが容易となり、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
また、本発明の別の態様に係るリチウム電池は、第１の電極と、前記第１の電極と対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたセパレーターと、を備え、前記第１の電極は、透明基板と、前記透明基板の前記第２の電極の側に設けられた電極材料と、を有し、前記電極材料は、チタン酸リチウムを含むことを特徴とする。ここで、「第１の電極」は正極又は負極の一方であり、「第２の電極」は正極又は負極の他方である。また、「セパレーター」は、第１の電極と第２の電極とを隔離すると共に、有機電解液を保持して第１の電極と第２の電極との間のイオン伝導性を確保するための部材である。
このような構成であれば、透明基板を通して、電極材料の色を視認することによって、リチウム電池の残容量を把握することができる。また、リチウム電池の残容量を把握するための電流積算回路等が必要ないため、コストの上昇を抑えることができる。
また、上記のリチウム電池において、前記第１の電極は負極であり、前記第２の電極は正極であることを特徴としてもよい。このような構成であれば、電極材料においてＬｉ金属のデンドライト成長がないので、正極と負極との短絡が防止される。従って、二次電池として極めて好適に用いることができる。
また、上記のリチウム電池において、前記第１の電極は負極であり、前記第２の電極は正極であることを特徴としてもよい。このような構成であれば、電極材料においてＬｉ金属のデンドライト成長がないので、正極と負極との短絡が防止される。従って、二次電池として極めて好適に用いることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るリチウム電池１００の構成例を示す断面図である。図１に示すように、このリチウム電池１００は、負極１０と、負極１０と対向して配置された正極２０と、負極１０と正極２０との間に配置されたセパレーター３０と、を備える。また、図１に示すように、このリチウム電池１００は、負極１０、正極２０及びセパレーター３０を収納する導電性のセル缶４１と、Ｏリング４３を介して負極１０の周縁部をセル缶４１の底面側に押圧し固定する導電性のセル蓋４５と、セル缶４１とセル蓋４５との間の隙間を埋めてセル缶４１内に気密性、液密性を持たせると共に、セル缶４１とセル蓋４５との間を絶縁するガスケット４７と、集電層とセル蓋４５とを電気的に接続するための導電ペースト４９と、を備える。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るリチウム電池１００の構成例を示す断面図である。図１に示すように、このリチウム電池１００は、負極１０と、負極１０と対向して配置された正極２０と、負極１０と正極２０との間に配置されたセパレーター３０と、を備える。また、図１に示すように、このリチウム電池１００は、負極１０、正極２０及びセパレーター３０を収納する導電性のセル缶４１と、Ｏリング４３を介して負極１０の周縁部をセル缶４１の底面側に押圧し固定する導電性のセル蓋４５と、セル缶４１とセル蓋４５との間の隙間を埋めてセル缶４１内に気密性、液密性を持たせると共に、セル缶４１とセル蓋４５との間を絶縁するガスケット４７と、集電層とセル蓋４５とを電気的に接続するための導電ペースト４９と、を備える。
さらに、図１に示すように、負極１０は、透明基板１と、この透明基板１の正極２０と対向する面上に形成された透明集電層３と、この透明集電層３上に形成された負極材料５と、を有する。図１では、透明基板１の正極２０と対向する面が断面視で下側を向いているため、透明基板１の下に透明集電層３が位置し、その下に負極材料５が位置している。
ここで、透明基板１は、例えば、無色透明であり、アモルファス構造の二酸化ケイ素からなるガラス基板、若しくは、単結晶構造の二酸化ケイ素からなる石英基板、又は、アクリル樹脂等の有機樹脂からなる樹脂基板で構成されている。透明集電層３は、負極材料５を透明基板１の一方の面側に保持する共に、充放電に伴う電流の通路の確保するためのものである。透明集電層３は、例えば、無色透明の導電膜であり、ＩＴＯ、ＦＴＯ又はＡＺＯ等で構成されている。また、透明集電層３の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍである。このように、透明基板１、透明集電層３の何れも「透明」であるため、透明基板１及び透明集電層３を通して、負極材料５を視認することができる。
ここで、透明基板１は、例えば、無色透明であり、アモルファス構造の二酸化ケイ素からなるガラス基板、若しくは、単結晶構造の二酸化ケイ素からなる石英基板、又は、アクリル樹脂等の有機樹脂からなる樹脂基板で構成されている。透明集電層３は、負極材料５を透明基板１の一方の面側に保持する共に、充放電に伴う電流の通路の確保するためのものである。透明集電層３は、例えば、無色透明の導電膜であり、ＩＴＯ、ＦＴＯ又はＡＺＯ等で構成されている。また、透明集電層３の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍである。このように、透明基板１、透明集電層３の何れも「透明」であるため、透明基板１及び透明集電層３を通して、負極材料５を視認することができる。
負極材料５は、例えば、チタン酸リチウムと、導電助剤及び粘結剤を含むものである。導電助剤としては、例えば、ケッチョンブラックなどのカーボンブラック、アセチレンブラックなどが挙げられる。また、粘結剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が挙げられる。或いは、負極材料５は、チタン酸リチウムのみで構成されていてもよい。
なお、負極材料５におけるチタン酸リチウムの割合は６０重量パーセント（ｗｔ％）以上であり、且つ、その厚さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、チタン酸リチウムの割合は８０ｗｔ％以上である。このような構成であれば、負極材料５においてチタン酸リチウムの発色が明確となる。
なお、負極材料５におけるチタン酸リチウムの割合は６０重量パーセント（ｗｔ％）以上であり、且つ、その厚さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、チタン酸リチウムの割合は８０ｗｔ％以上である。このような構成であれば、負極材料５においてチタン酸リチウムの発色が明確となる。
一方、正極２０の材料（即ち、正極材料）は、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、又は、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等で構成されている。
セパレーター３０は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂製不織布からなる。なお、図１に示すリチウム電池１００では、セパレーター３０と、負極材料５及び正極２０にそれぞれ有機電解液が含侵しており（即ち、染み込んでおり）、含侵している有機電解液中をリチウムイオン（Ｌｉ＋）が移動できるようになっている。有機電解液は、リチウム塩を有機溶媒に溶かしたものである。リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）等が挙げられる。また、有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等が挙げられる。
セパレーター３０は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂製不織布からなる。なお、図１に示すリチウム電池１００では、セパレーター３０と、負極材料５及び正極２０にそれぞれ有機電解液が含侵しており（即ち、染み込んでおり）、含侵している有機電解液中をリチウムイオン（Ｌｉ＋）が移動できるようになっている。有機電解液は、リチウム塩を有機溶媒に溶かしたものである。リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）等が挙げられる。また、有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等が挙げられる。
このようなリチウム電池１００において、負極材料５に含まれるチタン酸リチウムは、充放電の過程で（１）式に示した可逆反応が進行するため、その満充電時と完放電時とでは組成が異なる。即ち、リチウム電池１００の放電時には、負極１０から正極２０へＬｉ＋が移動し、下記（１Ａ）式の反応が進行する。また、リチウム電池１００の充電時には、正極２０から負極１０へＬｉ＋が移動し、下記（１Ｂ）式の反応が進行する。
放電時：Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２ − ３Ｌｉ＋ − ３ｅ− ⇒ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ａ）
充電時：Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ ＋ ３Ｌｉ＋ ＋ ３ｅ− ⇒ Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ｂ）
放電時：Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２ − ３Ｌｉ＋ − ３ｅ− ⇒ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ａ）
充電時：Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ ＋ ３Ｌｉ＋ ＋ ３ｅ− ⇒ Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ｂ）
ここで、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２は青色を呈し、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は白色を呈する。従って、リチウム電池１００の満充電時には、チタン酸リチウムについてＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２の割合が最大となるため、負極材料５はＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２が呈する青色に最も近い色となる。同様に、リチウム電池１００の完放電時には、チタン酸リチウムについてＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の割合が最大となるため、負極材料５はＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２が呈する白色に最も近い色となる。
また、リチウム電池１００の放電時にはチタン酸リチウムは酸化され、充電時にはチタン酸リチウムは還元されるが、この酸化又は還元は、透明集電層３とセパレーター３０とで挟まれた負極材料５の厚さ方向（例えば、図２のＺ方向）、幅方向（例えば、図２のＸ方向）、奥行方向（例えば、図２の紙面と直行する方向：以下、Ｙ方向ともいう。）に亘る全域において、ほぼ均一に、且つ、徐々に進行する。
図２は、負極材料５において、チタン酸リチウムの酸化又は還元が進行する様子を模式的に示す断面図である。図２に示すように、チタン酸リチウムの粒子５１間には有機電解液５３が浸透しており、この浸透した有機電解液５３によって、Ｌｉ＋は粒子５１間を制約少なく移動できるようになっている。このため、上記の酸化又は還元は、負極材料５のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に亘る全域において、ほぼ均一に進行する。また、図２の矢印で示すように、チタン酸リチウムの酸化又は還元は、その粒子５１の表面から中心部に向かって徐々に進行する。
このため、負極材料５を透明基板１の側から目視すると、チタン酸リチウムの各粒子５１が重なり合って合成される色を見ることができる。
このため、負極材料５を透明基板１の側から目視すると、チタン酸リチウムの各粒子５１が重なり合って合成される色を見ることができる。
図３は、リチウム電池１００の残容量と、負極材料５の色との関係を示す図である。図３の縦軸はリチウム電池１００の残容量を示し、横軸は負極材料５が呈する色を示す。上記のように、チタン酸リチウムの酸化又は還元は、負極材料５の全域において、ほぼ均一に、且つ、徐々に進行するため、図３に示すように、リチウム電池１００の充放電に伴う負極材料５の色の変化には線形性がある。このため、透明基板１及び透明集電層３を通して、負極材料５の色を視認することによって、リチウム電池１００の残容量を把握することができる。
次に、上記のリチウム電池１００の製造方法について説明する。
図４（ａ）〜図６は、本発明の第１実施形態に係るリチウム電池１００の製造方法を示す工程図である。図４（ａ）に示すように、まず始めに、セル缶４１を用意する。次に、図４（ｂ）に示すように、セル缶４１内に正極２０を配置する。例えば、セル缶４１の底面に正極材料を塗布し、これを乾燥させることによって、セル缶４１内に正極２０を配置する。次に、図４（ｃ）に示すように、正極２０を覆うようにセル缶４１内にセパレーター３０を配置する。そして、セル缶４１内に有機電解液を滴下してセパレーター３０に含侵させる。
また、上記の図４（ａ）〜（ｃ）に示す工程と前後、或いは並行して、図５（ａ）に示すように、透明基板１を用意する。次に、この透明基板１上に透明集電層３を形成する。透明集電層３の形成は、例えば、スパッタ法又は化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で行う。
図４（ａ）〜図６は、本発明の第１実施形態に係るリチウム電池１００の製造方法を示す工程図である。図４（ａ）に示すように、まず始めに、セル缶４１を用意する。次に、図４（ｂ）に示すように、セル缶４１内に正極２０を配置する。例えば、セル缶４１の底面に正極材料を塗布し、これを乾燥させることによって、セル缶４１内に正極２０を配置する。次に、図４（ｃ）に示すように、正極２０を覆うようにセル缶４１内にセパレーター３０を配置する。そして、セル缶４１内に有機電解液を滴下してセパレーター３０に含侵させる。
また、上記の図４（ａ）〜（ｃ）に示す工程と前後、或いは並行して、図５（ａ）に示すように、透明基板１を用意する。次に、この透明基板１上に透明集電層３を形成する。透明集電層３の形成は、例えば、スパッタ法又は化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で行う。
次に、図５（ｂ）に示すように、この透明集電層３上に負極材料５を形成する。負極材料５の形成は、スパッタ法、懸濁水のスピンコート、ディップコートで行う。或いは、負極材料５は、スラリーで形成してもよい。スラリーで形成する場合は、例えば、チタン酸リチウムと導電助剤及び粘結剤を有機溶媒に溶かして流動体を作成し、この流動体を透明集電層３上に塗布する。次に、この塗布された流動体を乾燥させて有機溶媒を揮発させる。これにより、透明集電層３上にチタン酸リチウムを含む負極材料５を形成する。
次に、図示しないが、負極材料５が形成された透明基板１を切断して個片化し、透明基板１、透明集電層３及び負極材料５を含む負極１０を複数得る。そして、この得られた複数の負極１０の各々について、図５（ｃ）に示すように、Ｏリング４３を介してセル蓋４５を取り付ける。また、このセル蓋４５の取り付けと前後、或いは並行して、セル蓋４５と透明集電層３との間に導電ペースト４９を導入する。これにより、セル蓋４５と透明集電層３との間を電気的に接続する。
次に、図６に示すように、セル蓋４５が取り付けられた負極１０をセル缶４１に取り付ける。このとき、セル缶４１とセル蓋４５との間にガスケット４７を介在させる。また、この取り付けは、例えば不活性ガスの雰囲気下で行う。ここで、不活性ガスとは、化学反応を起こしにくい気体のことであり、具体的には、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの希ガスや、化学反応性の低い窒素（Ｎ２）などのことである。これにより、図１に示したリチウム電池１００が完成する。
なお、上記の製造方法では、負極材料５を形成した後で透明基板１を切断し、個片化する場合について説明した。しかしながら、これはあくまで一例である。第１実施形態に係る製造方法では、透明基板１を先に切断しておき、個片化された透明基板１上に透明集電層３と負極材料５とを順時形成してもよい。或いは、透明集電層３を形成した後で透明基板１を切断し、個片化された透明基板１の透明集電層３上に負極材料５を形成してもよい。このような方法であっても、図１に示したリチウム電池１００を製造することができる。
以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、透明基板１及び透明集電層３を通して、負極材料５を目視できる。そして、この視認した色に基づいて、リチウム電池１００の残容量を把握することができる。即ち、負極材料５に含まれるチタン酸リチウムは、満充電時には青色を呈し、完放電時には白色を呈する。チタン酸リチウムの色の変化には線形性があるため、チタン酸リチウムを含む負極材料５の色を視認することによって、リチウム電池１００の残容量を把握することができる。従来例と比較して、残容量を把握するための電流積算回路等が必要ないため、コストの上昇を抑えることができる。
（２）第２実施形態
上記の第１実施形態では、チタン酸リチウムを負極材料に用いる場合について説明した。チタン酸リチウムを負極材料に用いた場合は、Ｌｉ金属のデンドライト成長がなく、正極と負極との短絡が防止されるため、上記のリチウム電池１００は二次電池として極めて好適に用いることができる（もちろん、一次電池としても好適に用いることができる。）。しかしながら、本発明において、チタン酸リチウムは負極材料に限定されるものではない。正極材料に用いてもよい。この点について、第２実施形態では、一例を挙げて説明する。
上記の第１実施形態では、チタン酸リチウムを負極材料に用いる場合について説明した。チタン酸リチウムを負極材料に用いた場合は、Ｌｉ金属のデンドライト成長がなく、正極と負極との短絡が防止されるため、上記のリチウム電池１００は二次電池として極めて好適に用いることができる（もちろん、一次電池としても好適に用いることができる。）。しかしながら、本発明において、チタン酸リチウムは負極材料に限定されるものではない。正極材料に用いてもよい。この点について、第２実施形態では、一例を挙げて説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係るリチウム電池２００の構成例を示す断面図である。図７に示すように、このリチウム電池２００は、正極６０と、正極６０と対向して配置された負極７０と、正極６０と負極７０との間に配置されたセパレーター３０と、を備える。
ここで、正極６０は、透明基板１と、この透明基板１の負極７０と対向する面上に形成された透明集電層３と、この透明集電層３上に形成された正極材料５５と、を有する。図７では、透明基板１の負極７０と対向する面が断面視で下側を向いているため、透明基板１の下に透明集電層３が位置し、その下に正極材料５５が位置している。
ここで、正極６０は、透明基板１と、この透明基板１の負極７０と対向する面上に形成された透明集電層３と、この透明集電層３上に形成された正極材料５５と、を有する。図７では、透明基板１の負極７０と対向する面が断面視で下側を向いているため、透明基板１の下に透明集電層３が位置し、その下に正極材料５５が位置している。
この正極材料５５の組成、膜厚等は、第１実施形態で説明した負極材料５と同様である。即ち、この正極材料５５は、例えば、チタン酸リチウムと、導電助剤及び粘結剤を含むものである。導電助剤としては、例えば、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、アセチレンブラックなどが挙げられる。また、粘結剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が挙げられる。或いは、正極材料５５は、チタン酸リチウムのみで構成されていてもよい。一方、負極材料５は、例えば、金属リチウム（Ｌｉ）、又は、リチウム吸蔵黒鉛（ＬｉＣ６）等で構成されている。
上記負極材料５に金属リチウムやリチウム吸蔵黒鉛が用いられる場合、図６に示すような、リチウム電池１００の組み立ては、金属リチウムや過充電時にリチウム吸蔵黒鉛上に析出する金属リチウムとの反応性の高い窒素（Ｎ２）を除く不活性ガス雰囲気で行うのが好ましい。こうすることで、負極材料の変質を防ぐことができる。
上記負極材料５に金属リチウムやリチウム吸蔵黒鉛が用いられる場合、図６に示すような、リチウム電池１００の組み立ては、金属リチウムや過充電時にリチウム吸蔵黒鉛上に析出する金属リチウムとの反応性の高い窒素（Ｎ２）を除く不活性ガス雰囲気で行うのが好ましい。こうすることで、負極材料の変質を防ぐことができる。
このようなリチウム電池２００において、正極材料５５に含まれるチタン酸リチウムは、充放電の過程で（１）式に示した可逆反応が進行するため、その満充電時と完放電時とでは組成が異なる。即ち、リチウム電池２００の放電時には、負極７０から正極６０へＬｉ＋が移動し、下記（１Ｂ）式の反応が進行する。また、リチウム電池２００の充電時には、正極６０から負極７０へＬｉ＋が移動し、下記（１Ａ）式の反応が進行する。
放電時：Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ ＋ ３Ｌｉ＋ ＋ ３ｅ− ⇒ Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ｂ）
充電時：Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２ − ３Ｌｉ＋ − ３ｅ− ⇒ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ａ）
放電時：Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ ＋ ３Ｌｉ＋ ＋ ３ｅ− ⇒ Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ｂ）
充電時：Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２ − ３Ｌｉ＋ − ３ｅ− ⇒ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２…（１Ａ）
ここで、上述したように、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は白色を呈し、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２は青色を呈する。従って、リチウム電池２００の満充電時には、チタン酸リチウムについてＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の割合が最大となるため、正極材料５５はＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２が呈する白色に最も近い色となる。同様に、リチウム電池２００の完放電時には、チタン酸リチウムについてＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２の割合が最大となるため、正極材料５５はＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２が呈する青色に最も近い色となる。
図８は、リチウム電池２００の残容量と、正極材料５５の色との関係を示す図である。図８の縦軸はリチウム電池２００の残容量を示し、横軸は正極材料５５が呈する色を示す。第１実施形態で説明した負極材料５と同様、チタン酸リチウムの酸化又は還元は、正極材料５５の全域において、ほぼ均一に、且つ、徐々に進行するため、図８に示すように、リチウム電池２００の充放電に伴う正極材料５５の色の変化には線形性がある。従って、透明基板１及び透明集電層３を通して、正極材料５５の色を視認することによって、リチウム電池２００の残容量を把握することができる。
以上説明したように、本発明の第２実施形態によれば、正極材料５５に含まれるチタン酸リチウムは、満充電時に白色を呈し、完放電時に青色を呈する。従って、透明基板１及び透明集電層３を通して、正極材料５５の色を視認することによって、リチウム電池２００の残容量を把握することができる。第１実施形態と同様、残容量を把握するための電流積算回路等が必要ないため、コストの上昇を抑えることができる。上記のリチウム電池２００も、二次電池又は一次電池として好適に用いることができる。
（３）第３実施形態
上記の第１、第２実施形態では、チタン酸リチウムを含む電極材料（即ち、負極材料又は正極材料）の色を視認するによって、リチウム電池２００の残容量を把握することについて説明した。ここで、本発明では、透明基板１にインジケータを設けてもよい。
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係るリチウム電池３００の構成例（その１）を示す平面図である。図９（ａ）は満充電時又は完放電時の一方の状態を示し、図９（ｂ）は満充電時又は完放電時の他方の状態を示している。
上記の第１、第２実施形態では、チタン酸リチウムを含む電極材料（即ち、負極材料又は正極材料）の色を視認するによって、リチウム電池２００の残容量を把握することについて説明した。ここで、本発明では、透明基板１にインジケータを設けてもよい。
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係るリチウム電池３００の構成例（その１）を示す平面図である。図９（ａ）は満充電時又は完放電時の一方の状態を示し、図９（ｂ）は満充電時又は完放電時の他方の状態を示している。
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、このリチウム電池３００は、透明基板１に設けられたインジケータ８０、を備えている。このインジケータ８０は、リチウム電池３００の満充電時に電極材料９０が呈する色と同一色に着色された第１の着色領域８１と、リチウム電池３００の完放電時に電極材料９０が呈する色と同一色に着色された第２の着色領域８２と、リチウム電池３００の残容量が満充電量の約半分であるときに電極材料９０が呈する色と同一色に着色された第３の着色領域８３と、を含む。
具体的には、チタン酸リチウムを含む電極材料９０が負極材料である場合は、第１の着色領域８１は青色であり、第２の着色領域８２は白色であり、第３の着色領域８３は青と白の中間色である水色である。また、電極材料９０が正極材料として使用される場合は、第１の着色領域８１は白色であり、第２の着色領域８２は青色であり、第３の着色領域８３は白と青の中間色である水色である。
このような構成であれば、電極材料９０の色をインジケータ８０が有する着色領域８１、８２、８３と比較することによって、電極材料９０の色の見分けが容易となる。このため、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
このような構成であれば、電極材料９０の色をインジケータ８０が有する着色領域８１、８２、８３と比較することによって、電極材料９０の色の見分けが容易となる。このため、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
また、他の例について説明する。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係るリチウム電池３００の構成例（その２）を示す平面図である。図１０（ａ）は満充電時又は完放電時の一方の状態を示し、図１０（ｂ）はその他方の状態を示している。
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、この例では、インジケータ８０は、第１の着色領域８１から第２の着色領域８２にかけて、色が徐々に変化する一つのグラデーションで構成されている。具体的には、青色から白色にかけて色が徐々に変化する一つのグラデーションで構成されている。このような構成であっても、電極材料９０をインジケータ８０と比較することによって、電極材料９０の色の見分けが容易となる。このため、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係るリチウム電池３００の構成例（その２）を示す平面図である。図１０（ａ）は満充電時又は完放電時の一方の状態を示し、図１０（ｂ）はその他方の状態を示している。
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、この例では、インジケータ８０は、第１の着色領域８１から第２の着色領域８２にかけて、色が徐々に変化する一つのグラデーションで構成されている。具体的には、青色から白色にかけて色が徐々に変化する一つのグラデーションで構成されている。このような構成であっても、電極材料９０をインジケータ８０と比較することによって、電極材料９０の色の見分けが容易となる。このため、リチウム電池の残容量をより正確に把握することができる。
なお、図９（ａ）及び（ｂ）、又は、図１０（ａ）及び（ｂ）に示したインジケータ８０は、透明基板１の表面又は裏面に有色フィルムを添付したり、インクを塗布したりすることにより形成することができる。又は、透明基板１の内部に有色フィルムやインクを封入してもよい。
或いは、有色フィルムやインクの代わりに、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（スピネル構造、白色）とＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２（岩塩、青色）とを用いてもよい。例えば、図９（ａ）及び（ｂ）において、透明基板１の内部にＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２を封入して第１の着色領域８１とし、透明基板１の内部にＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を封入して第２の着色領域８２としてもよい。Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２とＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２とを１：１で混合したものを透明基板１の内部に封入して第３の着色領域８３としてもよい。このような構成であれば、インジケータ８０と電極材料９０との色のギャップを最小限に抑えることができるため、リチウム電池の残容量をよりいっそう正確に把握することができる。
或いは、有色フィルムやインクの代わりに、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（スピネル構造、白色）とＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２（岩塩、青色）とを用いてもよい。例えば、図９（ａ）及び（ｂ）において、透明基板１の内部にＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２を封入して第１の着色領域８１とし、透明基板１の内部にＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を封入して第２の着色領域８２としてもよい。Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２とＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２とを１：１で混合したものを透明基板１の内部に封入して第３の着色領域８３としてもよい。このような構成であれば、インジケータ８０と電極材料９０との色のギャップを最小限に抑えることができるため、リチウム電池の残容量をよりいっそう正確に把握することができる。
（４）その他
なお、上記の第１〜第３実施形態では、透明基板１及び透明集電層３がそれぞれ無色透明である場合を前提に説明した。しかしながら、本発明において、透明基板１及び透明集電層３は無色透明に限られることはなく、有色透明であってもよい。例えば、透明基板は、黄色の透明基板であってもよい。
このような構成であれば、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２の青色は緑色に見え、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の白色は黄色に見える。従って、この緑色から黄色の範囲で変化する色を視認することによって、リチウム電池の残容量を把握することができる。
なお、上記の第１〜第３実施形態では、透明基板１及び透明集電層３がそれぞれ無色透明である場合を前提に説明した。しかしながら、本発明において、透明基板１及び透明集電層３は無色透明に限られることはなく、有色透明であってもよい。例えば、透明基板は、黄色の透明基板であってもよい。
このような構成であれば、Ｌｉ７Ｔｉ５Ｏ１２の青色は緑色に見え、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の白色は黄色に見える。従って、この緑色から黄色の範囲で変化する色を視認することによって、リチウム電池の残容量を把握することができる。
１ 透明基板、３ 透明集電層、５ 負極材料、１０、７０ 負極、２０、６０ 正極、３０ セパレーター、４１ セル缶、４３ リング、４５ セル蓋、４７ ガスケット、４９ 導電ペースト、５１ （チタン酸リチウムの）粒子、５３ 有機電解液、５５ 正極材料、８０ インジケータ、８１ 第１の着色領域、８２ 第２の着色領域、８３ 第３の着色領域、９０ 電極材料、１００、２００、３００ リチウム電池
Claims (5)
- リチウム電池の正極又は負極として使用される電極であって、
透明基板と、
前記透明基板の一方の面側に設けられた電極材料と、を有し、
前記電極材料は、チタン酸リチウムを含み、
前記透明基板に設けられたインジケータ、をさらに有し、
前記インジケータは、少なくとも、前記リチウム電池の完放電時に前記電極材料が呈する色と同一色の領域を含むことを特徴とするリチウム電池電極。 - 前記透明基板の一方の面上に形成された透明集電層、をさらに有し、
前記透明集電層上に前記電極材料が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池電極。 - 前記電極材料における前記チタン酸リチウムの割合は、６０重量パーセント以上であり
、
前記電極材料の厚さは５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリチウム電池電極。 - 第１の電極と、
前記第１の電極と対向して配置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたセパレーターと、を備え、
前記第１の電極は、
透明基板と、
前記透明基板の前記第２の電極の側に設けられた電極材料と、を有し、
前記電極材料は、チタン酸リチウムを含むリチウム電池において、
前記透明基板に設けられたインジケータ、をさらに有し、
前記インジケータは、少なくとも、リチウム電池の完放電時に前記電極材料が呈する色と同一色の領域を含むことを特徴とするリチウム電池。 - 前記第１の電極は負極であり、前記第２の電極は正極であることを特徴とする請求項４に記載のリチウム電池。
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