JP6141528B2 - リチウムイオン蓄電池用のリチウム電極及びその製造方法 - Google Patents
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Description
従来、いわゆる「ロッキングチェア」型の蓄電池が公知となっている。これは、アノード材料として炭素材料を、例えばグラファイトを用いるものであり、この炭素材料は、充電を行う際に、当該炭素材料の、炭素原子によって六員環の形態で形成される格子面の吸着位置に、リチウムイオンをインターカレーション(堆積)させる能力を有する。活性カソード材料としては、例えばLiCoC2、LiNiO2又はLiMn2O4等のリチウム吸着材料乃至リチウムインターカレーション材料を使用するのが典型的である。斯かる材料は、充電中にリチウムイオンをその吸着位置からデインターカレーション(放出)する能力を有し、これにより、リチウムイオンが充放電サイクル中に吸着電極間を往復移動する。
本発明に係るリチウム電極は、第1のリチウム層と、当該第1のリチウム層の第1面上に配置された電流引出部と、当該第1のリチウム層の当該第1面とは反対側の第2面上に配置されたリチウムイオン伝導性保護層とを有する。第1のリチウム層と保護層との間に中間層が配置され、この中間層は第1のリチウム層の第2面を完全に覆う。保護層及び中間層は双方とも、10−10S/cm未満の電気伝導率を有する。即ち、これらの層は非導電体である。中間層は、リチウム層の表面における安定化支持マトリクスとして機能する。このマトリクスの役割は、第1のリチウム層の体積運動に起因して脆性の保護層に応力が伝わらないように、リチウムに被着された保護層を機械的に支持することである。こうするために有利なのは、中間層が連続する中実の材料から成るのではなく、細孔及び/又は開口を有することである。特に有利なのは、中間層の少なくとも10体積%が、細孔及び/又は開口から成ることである。さらに、中間層が第1のリチウム層と保護層との間に貫通する開口を有するのが、特に有利である。第1のリチウム層と保護層との十分な接触を確立すべく、上述の開口にリチウムを充填することができる。こうするために特に非常に有利なのは、貫通開口の直径が10μmから1000μmまでの範囲内であることである。
従来のリチウムイオン蓄電池10の概略的な断面図を、図1に示す。アノード20は、活性アノード材料とアノード引出部とを有する。カソード30は、活性カノード材料とカノード引出部とを有する。セパレータ40が、両電極20,30を相互に離隔して電気的に相互に絶縁することにより、電極20,30間の内部短絡の発生を防止する。両電極20,30間に電解液50が設けられている。この電解液50は典型的には、溶剤とリチウム含有塩と含む。両電極20,30、セパレータ40及び電解液50は、共に1つの筐体60内に配置されている。アノード20の引出部分及びカソード30の引出部分はそれぞれ筐体60を貫通し、これにより、アノード20とカソード30とを電気的にコンタクトさせることができる。図2は、図1のリチウムイオン蓄電池のアノードの断面図である。これは、アノード引出部21と、リチウム層22と、保護層23とから成る。保護層23は、電気絶縁性かつリチウムイオン伝導性の材料から成る。保護層23は、リチウム層22と電解液50との接触を阻止するものである。リチウムイオン蓄電池10の動作時には、リチウムが溶解してリチウム層22に再析出するので、保護層23は常時、リチウム層22の表面と連動して運動しなければならない。これにより、保護層23に破断や亀裂が生じる。
Claims (8)
- リチウム又はリチウム合金から成る第1のリチウム層(22)と、
前記第1のリチウム層の第1面上に配置された電流引出部(21)と、
前記第1のリチウム層の前記第1面とは反対側の第2面上に配置されたリチウムイオン伝導性の保護層(23)と、
を有するリチウム電極において、
前記第1のリチウム層(22)と前記保護層(23)との間に中間層(24)が配置され、当該中間層(24)は前記第1のリチウム層(22)の前記第2面を完全に覆い、
前記保護層(23)及び前記中間層(24)は双方とも、それぞれ10−10S/cm未満の電気伝導率を有し、
前記中間層(24)は、前記第1のリチウム層(22)と前記保護層(23)との間に貫通開口(241)を有し、前記貫通開口(241)にリチウム(242)が充填されている、
及び/又は、
前記中間層(24)は、多孔性かつリチウムイオン伝導性のセラミックから成る、
ことを特徴とするリチウム電極。 - 前記中間層(24)の少なくとも10体積%は、細孔及び/又は開口から成る、
請求項1に記載のリチウム電極。 - 前記貫通開口(241)は、10μmから1000μmまでの範囲内の直径を有する、
請求項1又は2に記載のリチウム電極。 - 前記貫通開口を有する前記中間層(24)は、ポリマー、セラミック及びこれらの混合物から成る群から選択された材料から成る、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のリチウム電極。 - 前記中間層(24)は、0.1μmから100μmまでの範囲内の厚さdを有する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のリチウム電極。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のリチウム電極をアノード(20)として備えているリチウムイオン蓄電池(10)。
- リチウム電極の製造方法であって、
リチウム又はリチウム合金から成る第1のリチウム層(22)を電流引出部(21)上に設けるステップと、
電気伝導率が10−10S/cm未満である中間層(24)が前記第1のリチウム層(22)を完全に覆うように、当該中間層(24)を前記第1のリチウム層(22)上に設けるステップと、
電気伝導率が10−10S/cm未満であるリチウムイオン伝導性の保護層(23)を、前記中間層(24)上に設けるステップと、
を有する、前記製造方法において、
前記中間層(24)は、前記第1のリチウム層(22)と前記保護層(23)との間に貫通開口(241)を有し、前記貫通開口(241)にリチウム(242)が充填されるように、前記中間層(24)を前記第1のリチウム層(22)に押し込む、
及び/又は、
前記中間層(24)は、多孔性かつリチウムイオン伝導性のセラミックから成る、
ことを特徴とする製造方法。 - 前記中間層(24)を前記第1のリチウム層上に設けた後、前記保護層(23)を設ける前に、当該中間層(24)上に、リチウムから成る第2のリチウム層(25)を設け、
前記保護層(23)を設けた後、前記第2のリチウム層(25)を電気化学的に除去する、
請求項7に記載の製造方法。
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