JP6361476B2 - リチウム空気電池、およびリチウム空気電池の負極複合体 - Google Patents
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Description
一方に対向する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体とを備える空気極とを備える。
図である。
なお、後述するように、負極層15に溝部を形成する場合は、理論放電容量の低下を防ぐため、隔離層12のうちの一方のみが分割されていることが好ましい。
特に、負極層15の厚さが厚い場合、放電による負極層15の薄化による影響が大きくなるが、本実施形態に係る負極複合体8Gによれば、負極層15が薄化しても放電電圧を長時間維持することができる。よって、負極複合体8Gは、通常よりも厚い負極層15を採用することが可能であり、それによりリチウム空気電池の容量を向上させることができる。例えば、本実施形態では、負極層15の厚さを、隔離層が分割されていない場合の負極層の厚さと比べて2倍程度に増加させても、高深度の放電による内部抵抗の増加を減少させることができる。
的な斜視図である。
図である。
(負極複合体の作製)
負極複合体108を、以下の手順で作製した。図19には、負極複合体の分解した状態と組み立てた状態を示す。
(1)負極複合体108の構成部材である固体電解質112(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム115(四角形、2枚、銅箔(負極集電体、1枚、四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、セルロースセパレータ117(四角形、2枚)、およびガスケットシート118(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質112の各々にガスケットシート118を貼り付けた。
(2)図19において下側に示される1枚の固体電解質112上に、セルロースセパレータ117を、ガスケットシート118の枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6)をセルロースセパレータ117に滴下して全体に染み込ませた。金属リチウム115を、セルロースセパレータ上に、ガスケットシート118の枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータ117を金属リチウム115上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ117に有機電解質を滴下し、全体に染み込ませた。
(3)(1)で作製した上側の固体電解質112を、(2)の作製物の上から被せ、上側と下側のガスケットシート118をずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート118の粘着性により密閉させた。負極複合体208の内部の構成部材同士が、特に固体電解質112と金属リチウム115とが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(4)エポキシ系接着剤119(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質112の間を密閉するように、固体電解質112の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤119を硬化させた。
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、カーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量0.25mg/cm2の空気極を作製した。空気極の集電体として、空気極のカーボンクロスを直方形の形状で延長させたものとした。
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の間に配置した。
負極複合体を収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体、水系電解質を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、リチウム空気電池のセルとした。
(負極複合体の作製)
負極複合体208を、次の手順で作製した。固体電解質212(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、1枚)の一面に窓材用のアルミラミネート包材202(PP樹脂/アルミ/PET樹脂、四角枠)を合成ゴム系接着剤で接着した。固体電解質212のもう一方の面に、緩衝層217としてセルロースセパレータを配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6)を染み込ませた。次いで、銅箔205の片面に貼り付けられた金属リチウム215を緩衝層217上に配置した。これらの部材を、窓材用のアルミラミネート包材202と外側用のアルミラミネート包材202(PP樹脂/アルミ/PET樹脂、四角形)との間に入れて包んで袋状のセルにするため、外側用と窓材用のアルミラミネート包材202の四辺の端部を重ね合わせた状態で熱溶着して密閉した。金属リチウムの使用量は実施例1とほぼ同一とした。
空気極209の作製は、実施例1と同様にして行った。空気極集電体206としてはアルミ箔を使用した。
水系電解質の調製は、実施例1と同様にして行った。
比較例1のセルの構造は、その分解された状態が図20に示されている。比較例1の負
極複合体208に、保水層219(水系電解質を滴下したセルロースシート)、および空気極209をこの順にズレが無いように重ねてリチウム空気電池201のセルとした。
実施例1および比較例1のセルにおいて、4mA/cm2(約0.1Cの放電レート)で放電した際の放電電圧をBAS社製 電気化学アナライザーALS608Aで6時間にわたって測定した。ここで、1Cは、公称容量を有するセルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電流値を指す。放電電圧の測定結果を図21に示す。図21に示されるように、実施例1のセルは、比較例1のセルと比べて全ての測定時間において高い放電電圧を示した。平均放電電圧は、実施例1のセル1.56V、比較例1のセルが0.65Vであり、実施例1のセルは2倍以上の値であった。
実施例1のセルと比較例1のセルの1MHz〜10mHzの範囲におけるインピーダンスをSolartron社製 周波数応答アナライザ(FRA)1255B型を用いて測定した。図22にその測定結果(ナイキストプロット)を示す。Z’は実数部を示し、Z’ ’は虚数部を示す。図22に示されるナイキストプロットから、実施例1のセルは、比較例1のセルよりもインピーダンスがおよそ半分という顕著に低い値を示すことが判明した。これにより、実施例1のセルと比較例1のセルは、同一条件で作製した空気極を使用しているため、実施例1のセルのインピーダンスの低さは、負極複合体における内部抵抗の低さに起因していると考えられる。また、実施例1のセルでは、負極複合体の内部抵抗が低いことにより、図21に示す放電電圧が高い値を示したと考えられる。
(負極複合体の作製)
負極複合体108A(理論容量336mAh相当)を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpでのArガスの雰囲気下で、以下の手順で作製した。図23には、複合負極体108Aの分解した状態と、組み立てた状態を示す。
(1)負極複合体108Aの構成部材である隔離層である固体電解質112A(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、負極層の金属リチウム115A(金属Li、四角形、2枚、2枚の銅箔105A(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の片面に1枚ずつ貼付)、接触保持層103A(ポリオレフィン系(PE樹脂)多孔質シート、四角形、1枚)、セルロースセパレータ117A(四角形、2枚)、およびガスケットシート118A(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。金属リチウム115Aは、実施例1の金属リチウム115の2倍の厚さのものを用いた。2枚の固体電解質112Aの各々にガスケットシート118Aを1枚ずつ貼り付けた。
(2)図23において下側に示される1枚目の固体電解質112A上に、緩衝層としてセルロースセパレータ117Aを、ガスケットシート118Aの枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6)をセルロースセパレータ117Aに滴下して全体に染み込ませた。金属リチウム115Aに、端子部を含む負極集電体の銅箔105Aを貼付したもの(金属リチウム115A−銅箔105A)をセルロースセパレータ117A上に、金属リチウム115Aがセルロースセパレータ117Aと接触し、かつガスケットシート118Aの枠内に入るように配置した。銅箔105A上に、接触保持層103Aとして、ポリオレフィン(PE樹脂)系多孔質シートを配置した。接触保持層103Aに、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6)を滴下して全体に染みこませた。その上に2つ目の金属リチウム115A−銅箔105Aを、銅箔105Aがポリオレフィン系多孔質シート103Aと接触するように配置し、2枚目のセルロースセパレータ117Aを金属リチウム115A上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ117Aに有機電解質を滴下し、全体に染み込ませ、このセルロースセパレータ117Aと金属リチウム115Aとが密着するのを確認した。
(3)図23において上側に示される2枚目の固体電解質112Aを、2枚目の固体電解質112Aに貼り付けられたガスケットシートと1枚目の固体電解質112Aに貼り付けられたガスケットシートとが重ね合わさるように、(2)の作製物上にずれのないように被せた。2枚のガスケットシート118Aを張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート118Aの粘着性により密閉させた。負極複合体内部の構成部材同士が、特に固体電解質112Aと金属リチウム115Aとが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。また、金属リチウム115Aに貼付された銅箔105A(負極集電体)の一部を負極端子として固体電解質112Aの外側に露出するようにした。
(4)エポキシ系接着剤119A(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質112Aの間を密閉するように、固体電解質112Aの外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤119Aを硬化させた。2枚の端子は、負極端子内側をろう付け部104Aで接合させて負極複合体108Aの外に出した。
空気極を、以下の手順で作製した。
(1)空気極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を20mgとを計り取り、N−メチルピロリドン(NMP)を3.0ml添加して混合溶媒を調製した。
(2)混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、カーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量およそ0.25mg/cm2の空気極を作製した。
(3)(2)の空気極において、白金が担持されたカーボンクロスをカットして作製した
。放電試験では、2枚の空気極を使用した。
4.24gのLiClを精製水500mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシート上に滴下し、空気極と負極複合体108Aとの間に配置した。
負極複合体108Aを収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体108A、水系電解質を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、実施例2のリチウム空気電池のセルとした。
実施例3のセルを、以下の手順により作製した。
(負極複合体の作製)
実施例3の負極複合体(理論容量336mAh相当)を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpでのArガスの雰囲気下で、以下の手順で作製した。構成部材の組み立ては、図19に示される実施例1のセルと同様にした。
(1)負極複合体の構成部材である固体電解質(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム(四角形、2枚、1枚の銅箔(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、セルロースセパレータ(四角形、2枚)、およびガスケットシート(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。金属リチウムの使用量は実施例2と同一とした。2枚の固体電解質の各々にガスケットシートを1枚ずつ貼り付けた。
(2)1枚目の固体電解質上に、セルロースセパレータを、ガスケットシートの枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6)をセルロースセパレータに滴下して全体に染み込ませた。金属リチウムをセルロースセパレータ上に、ガスケットシートの枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータを金属リチウム上に配置した。2枚目のセルロースセパレータに有機電解質を滴下し、全体に染み込ませ、このセルロースセパレータと金属リチウムが密着するのを確認した。
(3)2枚目の固体電解質に貼り付けられたガスケットシートと1枚目の固体電解質に貼り付けられたガスケットシートとが重ね合わさるように、(2)の作製物上にずれのないように被せた。2枚のガスケットシートを張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシートの粘着性により密閉させた。負極複合体内部の構成部材同士が、特に固体電解質と金属リチウムとが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。また、金属リチウムに貼付された銅箔(負極集電体)の一部が固体電解質の外側に露出するようにした。
(4)エポキシ系接着剤(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質の間を密閉するように、固体電解質の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤を硬化させた。
空気極の作製は、実施例2と同様にして行った。
水系電解質の調製は、実施例2と同様にして行った。
実施例3のセルを実施例2と同様の方法で作製した。
実施例2および実施例3の理論容量336mAh相当セルにおいて、理論容量に対して0.05C相当の電流密度4mA/cm2で放電した際の放電電圧を、20℃の温度で、BAS社製ALS608Aで測定した。放電電圧の測定結果を図24に示す。図24に示されるように、実施例2および実施例3のセルはいずれも長時間にわたる安定した放電電圧を示したが、実施例2のセルは、実施例3のセルよりもさらに放電電圧が高く、放電時間も長くなる結果となった。
実施例4のセル101Bを作製した。図25には、実施例4のセル101Bの構造を示す。なお、図25では、識別しやすいように各部材間の間に隙間を空けて示されているが、実際には各部材は接触している。空気極109Bは空気極と正極集電体とにより構成されている。また、図示は両略されているが、空気極109Bの開口は、ゴム、エラストマー、および接着剤等の蓋材により適切に閉塞されている。
負極複合体108Bを、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpでのArガスの雰囲気下で、以下の手順で作製した。
(1)隔離層の固体電解質112B(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)を準備した。2枚の固体電解質112Bのうち1枚を、縦横ともに半分に分割し、4枚の分割体とした。4枚の分割体を分割前の配置のまま、ラバーガスケット122Bおよびエポキシ系接着剤123Bを用いて、切断部分を貼り合せて、分割体間の隙間を密封した。ラバーガスケット122Bおよびエポキシ系接着剤123Bは、固体電解質112Bの片面に十字状に貼り付けた。
(2)負極層の金属リチウム115B(四角形、2枚、1枚の銅箔(負極集電体)105Bの両面に貼付)、緩衝層としてポリマー電解質117B(EC:EMC=1:1、1MのLiPF6+PEO6%)、およびガスケットシート118B(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。金属リチウム115Bは、実施例1の金属リチウム115の2倍の厚さのものを用いた。ガスケットシート118Bの外寸は、固体電解質112Bと同じサイズとした。分割していない固体電解質112B、および4枚の分割体を貼りあわせた固体電解質112Bの各々にガスケットシート118Bを貼り付けた。4枚の分割体を貼り合わせた固体電解質112Bにガスケットシート118Bを貼り付ける際は、分割体の貼り合わせに用いたラバーガスケット122Bが貼付している面とは反対の面に貼り付けた。
(3)1枚の固体電解質112B上に、緩衝層のポリマー電解質117Bを、ガスケットシート118Bの枠内に入れて配置した。金属リチウム115Bおよび負極集電体105Bを、緩衝層のポリマー電解質117B上に、ガスケットシート118Bの枠内に入るように配置した。2枚目の金属リチウム115Bおよび負極集電体105Bをその上に配置した。金属リチウム上に緩衝層のポリマー電解質117Bを入れて配置した。
(4)(1)で作製した固体電解質112Bを、(3)の作製物の上から被せ、2枚の固体電解質112Bに各々貼り付けられたガスケットシート118Bが重ね合わさるように、ずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート118Bの粘着性により密閉させた。負極複合体208Bの内部の構成部材同士が、特に固体電解質112Bと金属リチウム115Bとが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(5)エポキシ系接着剤119B(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質112Bの間を密閉および固定するように、固体電解質112Bの外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤119Bを硬化させた。
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、カーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて100℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量0.2mg/cm2の空気極を作製した。空気極の集電体として、アルミ箔を空気極に貼付した。
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した
。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の
間に配置した。
負極複合体を収容可能な大きさの、穴が開いたPP製のケース(図示を省略)に、4枚の空気極109B、負極複合体108B、保水層としてセルロースセパレータ107B、および4枚の空気極109Bの順に収容し、水系電解質(2MのLiCl水溶液)を、空気極108B、負極複合体108Bが十分に浸漬するまで注ぎ、ケースを閉じて、実施例4のリチウム空気電池のセルとした。
実施例5のリチウム空気電池のセルを、負極複合体の作製において、2枚の固体電解質として分割されていないものを使用した以外は実施例4と同様にして作製した。
負極複合体の作製において、固体電解質の分割および貼り合わせを次のように行った以外は実施例4と同様にして実施例6のリチウム空気電池のセルを作製した。2枚の固体電解質のうち1枚を、表2に示すように対角線上に半分に分割し、4枚の分割体とした。4枚の分割体を分割前の配置のまま、ラバーガスケットおよびエポキシ系接着剤を用いて、切断部分を貼り合せて、分割体間の隙間を密封した。ラバーガスケットおよびエポキシ系接着剤は、固体電解質の片面に対角線状に貼り付けた。
負極複合体の作製において、固体電解質の分割および貼り合わせを次のように行った以外は実施例4と同様にして実施例7のリチウム空気電池のセルを作製した。2枚の固体電解質のうち1枚を、表2に示すように横に半分に分割し、縦に三等分して6枚の分割体とした。また、2枚の固体電解質のうち1枚を、縦に半分に分割し、横に三等分して6枚の分割体としてもよい。6枚の分割体を分割前の配置のまま、ラバーガスケットおよびエポキシ系接着剤を用いて、切断部分を貼り合せて、分割体間の隙間を密封した。ラバーガスケットおよびエポキシ系接着剤は、固体電解質の片面に分割体の境界に沿って直線状に貼り付けた。
実施例4および実施例5のセルにおいて、理論容量に対して0.05C相当の電流密度
4mA/cm2で放電した際の放電電圧を、20℃の温度で、BAS社製ALS608A
で測定した。
放電電圧の測定結果を表1と図26に示す。表1に示されるように、実施例4および実施例5のセルは、いずれも高い放電電圧を安定に示したが、実施例4のセルは、放電容量が理論容量の76.0%という高い値を示し、その結果、放電電力量も高いことが確認された。
実施例4、実施例5に加えて実施例6、および実施例7のセルにおいても理論容量に対して0.05C相当の電流密度4mA/cm2で放電した際の放電電圧を、20℃の温度で、BAS社製ALS608Aで測定した。
一方、実施例4、実施例6、および実施例7のセルは、いずれも高い放電電圧で安定に推移した。隔離層を分割したことにより、放電の推移に伴う分厚い負極層の薄化に起因する内圧の減少に対応できたためである。実施例5は平均放電電圧が高いが、分厚い負極層を用いると長時間放電ができない構造であるためエネルギー密度の点では不利である。表2より、実施例4および実施例6は、エネルギー密度に優れ、また隔離層の亀裂が無く、長時間放電に特に向いている構造であることが確認された。これらの結果を鑑みると、隔離層の分割数が多くなるにつれて長時間放電に有利であるが、隔離層の表面積減少に伴う電流密度の減少で、放電電圧が低下したり、分割体の境界から負極複合体へ電解質等のリークや空気等の侵入のリスクが高いとも言える。したがって、1辺2インチのサイズの隔離層に関しては、エネルギー密度と隔離層の耐性の両立を考慮すると実施例4の構造が最も好ましいと考えられる。しかし、隔離層のサイズが大きくなった場合は、この限りではなく分割数を増やした方が好ましい場合もある。
(負極複合体の作製)
負極複合体108Cを、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中で、以下の手順で作製した。図27には、実施例8のセル101Cの構造を示す。なお、図27では、識別しやすいように各部材間の間に隙間を開けて示しているが、実際には隣接する各部材は接触している。空気極109Bは空気極と正極集電体とにより構成されている。また、図示は省略されているが、空気極109Cの開口は、ゴム、エラストマー、および接着剤等の蓋材により適切に閉塞されている。
(2)金属リチウム115Cが片面に貼付された負極集電体(銅箔)105C(本城金属社製)を、図28(a)に示すように、エの字型に切りだし、エの字の4つの端部を負極集電体105側に折り返すことにより、負極集電体105Cの一方の面に溝部を有さない金属リチウム115Cが貼付し、他方の面に十字状の溝部が設けられた金属リチウム115Cが貼付した負極(図28(b))を作製した。金属リチウム115Cの厚さは、実施例1の金属リチウム115の2倍の厚さであった。溝部の深さは、1枚の金属リチウム115Cと同一の厚さであり、溝部の幅は、金属リチウム一辺の長さの1/6とした。
(3)固体電解質112Cと外寸が同じサイズのガスケットシート118C(EPDM、四角枠、2枚)を用意し、分割していない固体電解質112C、および4枚の分割体を貼り合わせた固体電解質112Cの各々に貼り付けた。4枚の分割体を貼り合わせた固体電解質112Cにガスケットシート112Cを貼り付ける際は、分割体の貼り合わせに用いたラバーガスケット122Cが貼付している面とは反対の面に貼り付けた。
(4)分割していない固体電解質112C上に、セパレータ117Cを、ガスケットシート118Cの枠内に入れて配置した。上記(2)で作製した金属リチウム115Cと負極集電体105Cとを貼り合わせたものを、セパレータ117C上にガスケットシート118Cの枠内に入るように配置した。この際、溝部が形成されていない金属リチウム115Cが、分割していない固体電解質112Cに対面するように配置した。金属リチウム115C上に、セパレータ117Cを入れて配置した。非水系電解質(PC:DMC=1:1、1MのLiPF6+PEO4wt%)を加えたもの)を添加し、リチウム金属115Cが浸漬する程度に満たした。
(5)(3)で作製した分割体を貼り合わせた固体電解質112C上に2枚目のセパレータ117Cを配置し、非水系電解質(PC:DMC=1:1、1MのLiPF6+PEO4wt%)を染み込ませた。これを、(4)の作製物の上から被せ、2枚の固体電解質112Cに各々貼り付けられたガスケットシート118Cが重ね合わされるように、ずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート118Cの粘着性により密閉させた。分割体を貼り合わせた固体電解質112Cの内面は、金属リチウム115Cの溝部が形成されている面にセパレータ117Cを介して対面しており、固体電解質112Cの十字状の切断線と、金属リチウム115Cの十字状の貫通溝部とが、積層方向から見て重なる位置にあるようにした。負極複合体208Cの内部の構成部材同士が、密着性良く接触するように、外側から全体を押さえつけて固定させた。
(6)エポキシ系接着剤119C(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質112Bの間を密閉および固定するように、固体電解質112Cの外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤119Cを硬化させた。
空気極の作製は、白金重量で0.5mg/cm2を担持した点以外は、実施例4と同様にして行った。
水系電解質の調製は、実施例4と同様にして行った。
セルの作製は、実施例4と同様にして行った。
負極複合体の作製において、負極として、溝部が設けられていない金属リチウム(四角形、2枚)を負極集電体(銅箔)の両面にそれぞれ貼り付けたものを用いた以外は、実施例8と同様にして、実施例9のリチウム空気電池のセルを作製した。
実施例8および9のセルにおいて、理論容量に対して0.02C相当の電流密度約2mA/cm2で放電した際の放電電圧を、25℃の温度で、BAS社製ALS608Aで測定した。放電電圧の測定結果を表3に示す。
2 ケース
3 接触保持層
4 集電体接合部
5、5a、5b 負極集電体
5a1、5b2 負極端子部
5c 折り返し部
6、6A 空気極集電体
7 電解質
8、8A、8B、8C、8D、8E、8F、8G、8H 負極複合体
9、9A 空気極
11 空気電池セル
12 隔離層
13、13A 空気極層
13a 折り目
13b 平面部
15 負極層
15c 折り返し部
15e 溝部
16 接合部
17 緩衝層
18 ガスケット
19 外周封止部材
20 ガスケット合わせ面
22 ガスケット
23 接着剤
101B、101C リチウム空気電池
105、105A、105B、105C 負極集電体(銅箔)
107B、107C セルロースセパレータ
108、108A、108B、108C 負極複合体
109B、109C 空気極
112、112A、112B、112C 隔離層(固体電解質)
103A 接触保持層
104A ろう付け部
115、115A、115B、115C 負極層(金属リチウム)
117、117A 緩衝層(セルロースセパレータ)
117B、117C 緩衝層(ポリマー電解質)
118、118A、118B、118C ガスケットシート
119、119A、119B、119C エポキシ系接着剤
122B、122C ラバーガスケット
123B、123C エポキシ系接着剤
201 リチウム空気電池
202 アルミラミネート包材
205 負極集電体(銅箔)
206 空気極集電体
208 負極複合体
209 空気極
212 隔離層(固体電解質)
215 負極層(金属リチウム)
217 緩衝層
219 保水層
Claims (17)
- 板状または線状の負極集電体と、
金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、
前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、
前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉する内側封止部材と
を備える負極複合体と、
導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、
前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体と
を備える空気極と
を備え、前記2つの隔離層の一方または両方が、前記負極層に隣接する面内の第1の分割線および第2の分割線で各々分割されており、前記分割により形成された分割体が分割前の位置に配置されたまま、前記分割体間の隙間が隔離層封止部材により封止されているリチウム空気電池。 - 前記分割体から構成される前記隔離層と対向する前記負極層が、積層方向から見て前記分割線と重なる位置に形成された溝部を有する、請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記負極集電体が、板状の第1の負極集電体と板状の第2の負極集電体とで構成され、前記第1の負極集電体と前記第2の負極集電体との間に、リチウムイオン伝導性を有する膨潤性の接触保持層を備えるようにしてなる、請求項1または2に記載のリチウム空気電池。
- 板状または線状の負極集電体と、
金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、
前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、
前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉する内側封止部材と
を備え、前記負極集電体が、板状の第1の負極集電体と板状の第2の負極集電体とで構成され、前記第1の負極集電体と前記第2の負極集電体との間に、リチウムイオン伝導性を有する膨潤性の接触保持層を備えるようにしてなるリチウム空気電池の負極複合体。 - 前記2つの隔離層間を密閉封止する外周封止部材を、前記2つの隔離層の外周部にさらに備える請求項4に記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記内側封止部材が、ガスケットである、請求項4または5に記載の負極複合体。
- 前記ガスケットが、エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムまたはエラストマー、またはフッ素系のゴムまたはエラストマーである、請求項6に記載の負極複合体。
- 前記負極層と前記隔離層との間に、緩衝層をさらに備える、請求項4〜7のいずれかに記載の負極複合体。
- 前記接触保持層が、樹脂もしくはゴムの多孔質シート、ゲル状のポリマー電解質、またはゲル状のポリマー電解質を含有する多孔質シートで形成されている、請求項4〜8のいずれかに記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記第1の負極集電体および前記第2の負極集電体が一体形成されており、前記接触保持層と隣接する2つの平面部を連結する折り返し部を備える、請求項4〜9のいずれかに記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記第1の負極集電体および第2の負極集電体の一方または両方が、前記ガスケットの外側に導出される負極端子部と接続されているか、前記負極端子部と一体形成されている、請求項6または7に記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記2つの負極層が一体形成されており、前記隔離層と隣接する2つの平面部を連結する折り返し部を備える、請求項4〜11のいずれかに記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記2つの隔離層の一方または両方が、前記負極層に隣接する面内の第1の分割線および第2の分割線で、各々分割されており、前記分割により形成された分割体が分割前の位置に配置されたまま、前記分割体間の隙間が隔離層封止部材により封止されている、請求項4〜12のいずれかに記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記分割体から構成される前記隔離層と対向する前記負極層が、積層方向から見て前記分割線と重なる位置に形成された溝部を有する、請求項13に記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記第1の分割線および第2の分割線で分割された隔離層が、さらなる1つ以上の前記面内の分割線で分割されており、前記分割により形成された分割体が、分割前の配置のまま、前記分割体間の隙間が隔離層封止部材により封止されている、請求項13に記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 前記隔離層封止部材が、ゴム製またはエラストマー製のガスケット、接着剤、またはこれらの組み合わせである、請求項13〜15のいずれかに記載のリチウム空気電池の負極複合体。
- 請求項4〜12のいずれかに記載の負極複合体と、
導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、
前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体と
を備える空気極と
を備えるリチウム空気電池。
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