JP6809909B2 - 電気化学素子、電気化学素子を含む電池モジュール、および電池モジュールを含む電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電気化学素子、電気化学素子を含む電池モジュール、および電池モジュールを含む電池パックに関する。

二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、一次電池とは異なり、充電および放電を反復的に行う電池である。小容量の二次電池は、携帯電話機やノートパソコンおよびカムコーダーのように携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）などの動力源としても用いられることができる。

最近、二次電池の中でも、正極活物質として空気中の酸素を用いる金属−空気電池が活発に研究されている。金属−空気電池は、イオンの吸蔵／放出が可能な負極と、空気中の酸素を活物質として用いる正極とを含む電池である。

金属−空気電池の場合、正極では外部から流入される酸素の還元／酸化反応が起こり、負極では金属の酸化／還元反応が起こり、この時に発生する化学的エネルギーを電気的エネルギーとして取り出す。例えば、金属−空気電池は、放電時に酸素を吸収し、充電時には酸素を放出する。このように金属−空気電池が大気中に存在する酸素を利用するため、電池のエネルギー密度を飛躍的に向上させることができる。例えば、金属−空気電池は、既存のリチウムイオン電池のエネルギー密度より数倍以上高いエネルギー密度を有することができる。

また、金属−空気電池は、高温による発火の可能性が低いため、優れた安定性を有し、重金属を用いる必要なしに酸素の吸収／放出のみによって動作するため、環境汚染を引き起こす可能性も低い。このような多様な長所により、現在金属−空気電池に対する多様な研究が行われている。

米国特許出願公開第２０１１／００８６２７８号明細書 米国特許出願公開第２０１２／００５８４０２号明細書 特開２０１４−３８７７０号公報

本発明の目的は、電気化学素子の体積を増加させることなく、効率的に空気を供給することが可能な一方、正極において酸素および電流密度が均一に分布し、高いエネルギー密度を有する電気化学素子、電池モジュール、および電池パックを提供することにある。

本発明の一実施形態によると、少なくとも酸素を含む空気が注入される注入部、排ガスが排出される排出部、および前記注入部と前記排出部とを一つの経路で連結する流路を含む正極集電体と、前記正極集電体と隣接して配置され、酸素を活物質として用いる正極層、前記正極層を挟んで前記正極集電体の反対側に配置される負極金属層、および前記正極層と前記負極金属層との間に配置される電解質膜を含む単セルと、を含む電気化学素子が提供される。

前記単セルは、一対設けられ、前記正極集電体を挟んで対向するように配置されてもよい。

前記流路は、蛇行形状からなってもよい。

前記正極層は、前記正極集電体の一面と接触してもよい。

前記流路は、少なくとも一部が前記正極層表面に向いて開放されていてもよい。

前記正極集電体は、２以上の第１突起が形成された第１フレームと、２以上の第２突起が形成された第２フレームとを含み、前記第１突起と前記第２突起とは、互いに離隔して対向するように配置される。

前記第１突起と前記第２突起は、第１方向に沿って交互に配置されてもよい。

前記第１突起および前記第２突起は、互いに対応する形状に形成することができる。

前記負極金属層は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、鉄、およびアルミニウムの中から選択されたいずれか一つまたはこれらの組み合わせを含むことができる。

前記電解質膜は、酸素を遮断しかつ金属イオンに対して伝導性を有する分離膜と、金属イオンを伝達するための電解質とを含むことができる。

前記分離膜は、多孔性フィルムを含み、前記電解質は、前記多孔性フィルムの孔内に含浸されていてもよい。

前記単セルは、前記負極金属層を挟んで前記電解質膜の反対側に配置される負極集電体をさらに含むことができる。

前記単セルは、前記正極層と前記正極集電体との間に配置されるガス拡散層をさらに含み、前記ガス拡散層の第１面は、前記正極集電体と接触してもよい。

前記正極層、前記負極金属層、および前記電解質膜は、前記ガス拡散層における前記第１面を除いた残りの面の少なくとも一面を覆うように折り曲げられていてもよい。

前記ガス拡散層は、２以上設けられかつ互いに離隔して配置され、前記正極層、前記負極金属層、および前記電解質膜は、前記２以上のガス拡散層の前記第１面を除いた残りの面のすべてを覆うように繰り返し折り曲げられていてもよい。

前記負極金属層の部位が互いに隣接して配置されるように、隣接したガス拡散層の間の位置で、前記正極層、前記負極金属層、および前記電解質膜が１８０度に折り曲げられていてもよい。

前記電気化学素子は、前記負極金属層を挟んで前記電解質膜の反対側に配置される負極集電体をさらに含み、前記負極集電体の部位が互いに隣接して配置されるように、隣接したガス拡散層の間の位置で、前記正極層、前記負極金属層、前記電解質膜、および前記負極集電体が１８０度に折り曲げられていてもよい。

前記単セルは、一対設けられ、前記正極集電体を挟んで対向するように配置されてもよい。

一方、本発明の別の実施形態によると、前記電気化学素子を２以上含む電池モジュールであって、互いに隣接して配置される前記２以上の電気化学素子と、前記２以上の電気化学素子のそれぞれの流路と連結されて前記空気を供給する供給マニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）と、前記２以上の電気化学素子のそれぞれの流路と連結されて排ガスを排出する排気マニホールドと、を含む電池モジュールが提供される。

一方、本発明のまた別の実施形態によると、前記電池モジュールを２以上含む電池パックであって、互いに隣接して配置される前記２以上の電池モジュールと、前記２以上の電池モジュールのそれぞれの供給マニホールドと連結される供給部と、前記２以上の電池モジュールのそれぞれの排気マニホールドと連結される排気部と、を含む電池パックが提供される。

本発明によると、素子の体積を増加させることなく、効率的に空気を供給することが可能な電気化学素子、電池モジュール、および電池パックを提供することができる。

前記電気化学素子、前記電池モジュール、および前記電池パックは、正極において酸素および電流密度が均一に分布し、高いエネルギー密度を有する。

一実施形態に係る電気化学素子を示した分解斜視図である。 一実施形態に係る電気化学素子を示した斜視図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに関する断面図である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の変形例を示した図面である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の別の変形例を示した図面である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の別の変形例を示した図面である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の別の変形例を示した図面である。 別の実施形態に係る電気化学素子を示した分解斜視図である。 別の実施形態に係る電気化学素子の断面図である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の位置別の酸素濃度分布を示した図面である。 一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の位置毎の電流密度分布を示した図面である。 比較例による正極集電体の位置毎の酸素濃度分布を示した図面である。 一実施形態に係る電気化学素子を２以上含む電池モジュールを示した斜視図である。 図１３の電池モジュールを２以上含む電池パックを示した斜視図である。

以下、実施形態について本技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、多様な異なる形態において実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似する部分については同一の図面符号を付した。層、膜、領域、プレートなどの要素が他の要素の「上」にあるという時、これは他の要素に「直接的に接触」している場合だけでなく、その間に介在する要素がある場合も含む。反対に、ある要素が他の要素に「直接的に接触」しているという場合にはその間に介在する要素がないことを意味する。

一実施形態で、「空気（ａｉｒ）」とは、少なくとも酸素（Ｏ_２）を含むが、必ずしも大気中の空気に制限されるのではなく、多様な範囲の酸素分率を有する酸素含気体の組み合わせ、または純粋な酸素気体からなることもできるものと定義される。

以下、図１〜図３を参照して一実施形態に係る電気化学素子の構造を説明する。

図１は、一実施形態に係る電気化学素子を示した分解斜視図であり、図２は、一実施形態に係る電気化学素子が組み立てられた状態を示した斜視図である。

図１と図２を共に参照すると、一実施形態に係る電気化学素子１００は、金属を含むあるいは金属からなる負極金属層２３と、酸素を正極活物質として用いる正極層２１と、電解質膜２２とを含んでいる。電気化学素子１００は、電解質膜２２内部の電解質が電気化学反応において金属イオンを吸蔵／放出できる金属−空気電池であってもよい。

電気化学素子１００は、流路１４が形成された正極集電体１０と、正極集電体１０を挟んで対向するように配置される一対の単セル２０とを含む。単セル２０のそれぞれは、正極層２１、負極金属層２３、電解質膜２２および負極集電体２４を含む。

正極集電体１０は、本体となるフレーム１１と、フレーム１１の一側に形成されて空気が注入される注入部１２と、他側に形成されて排ガスを電気化学素子の外部に排出する排出部１３とを含む。

フレーム１１は、所定の厚さを有するプレート型構造体であってもよい。フレーム１１は、正極集電体１０が一定の外形と体積を維持できるように、例えばステレンス鋼、ニッケル、アルミニウムなどの金属プレートを用いることができる。ただし、実施形態は、必ずしもこれに限定されるものではない。

フレーム１１は、継続的に空気に露出されるため、注入部１２、排出部１３が形成される部分の表面と、流路１４が形成される内壁とに、酸化防止膜を形成することもできる。酸化防止膜は、有機、無機、有／無機混合、または耐酸化性金属や合金からなる被膜であってもよい。

フレーム１１が有する断面形状は、図１に示した長方形以外にも、フレーム１１内部に形成される流路１４の経路、流路１４の大きさ、単セル２０の形状などに応じて、正方形、菱形、三角形、六角形、円形、楕円形などの多様な形状を有することができる。

一方、流路１４は、フレーム１１の内部に形成される一つの空間であり、注入部１２と排出部１３とは、図１に示すように流路１４により互いに連結されている。

流路１４は、フレーム１１の内部に形成されるが、少なくとも一部が正極層２１表面に向いて開放されていてもよい。一実施形態で、流路１４は、相対する一対の正極層２１の表面に向いてそれぞれ開放されていてもよい。つまり、流路１４は、図１に示すように、それぞれの正極層２１に向いている面が全部開放された形態を有する、開放型流路であってもよい。

このように流路１４が正極層２１に向いて開放された開放型構造を有することによって、注入部１２に注入された空気が流路１４の経路に沿って排出部１３に向かって案内されて流れながら、隣接した正極層２１に連続的に酸素を供給することができる。

一方、流路１４は、注入部１２と排出部１３とを分岐していない単一の経路で連結することができる。つまり、注入部１２と排出部１３とは、分岐していない単一の流路１４により連結されていてもよい。

このように空気を単一の経路に沿って案内して流路１４を通過させることによって、電気化学素子１００の正極層２１に伝達される酸素は、流路１４によって定義される経路に沿って線形的かつ均一に分布することが可能であり、そのため、電気化学素子１００内部の電流密度も線形的かつ均一に分布することが可能である。

また、一実施形態で、注入部１２と排出部１３とは、それぞれフレーム１１の上側と下側とに形成されたり、すべてが上側、またはすべてが下側に形成されてもよく、流路１４は、注入部１２と排出部１３とを連結する蛇行形状からなることができる。

このように蛇行形状を有する流路１４を形成することによって、正極集電体１０の全体の体積を増加させることなく正極集電体１０の全体の体積に対する流路１４が占める比率を極大化することができる。つまり、流路１４を拡張する設計に依存する正極集電体１０の体積増加がなくても、高いエネルギー密度を有する電気化学素子１００を提供することができる。

ただし、一実施形態に係る流路１４の具体的な形状、流路１４が形成される方向などは、必ずしもこれに限定されるものではなく、フレーム１１の種類、電気化学素子１００全体の形状、流路１４の体積に応じて多様に設計することができる。一実施形態の多様な流路１４の形状およびフレーム１１の設計を通じた流路１４の形成などに対する具体的な流路１４の設計事項と、一実施形態の流路１４を単一の経路で連結することによって現れる線形的に均一な排出特性については後述する。

一実施形態に係る電気化学素子１００は、一対の単セル２０が図１に示すように、正極集電体１０を挟んで対向するように配置されている。つまり、単セル２０のそれぞれは、正極集電体１０と隣接した位置から正極層２１、電解質膜２２、負極金属層２３、および負極集電体２４が順次に配置されるが、一対の単セル２０は、正極集電体１０に対して互いに対称な位置に来るように配置され得る。

単セル２０のそれぞれは、正極層２１、電解質膜２２、負極金属層２３、および負極集電体２４がそれぞれ薄形ないしプレート形状に積層されており、全体的にみると薄形またはプレート形状を有することができる。単セル２０がこのような形状を有することによって、単セル２０を正極集電体１０を挟んで一対配置するとしても電気化学素子１００の体積増加を最小化することができる。

ただし、一実施形態に係る単セル２０の形状は、必ずしもこれに限定されるものではなく、少なくともいずれか一つの単セル２０の正極層２１、電解質膜２２、負極金属層２３および負極集電体２４が繰り返し折返された構造を、有してもよい。このような単セル２０の他の形状については後述する。

図３は、一実施形態の電気化学素子１００の上部面に隣接する領域（図１と図２の破線領域）を通過する流路１４と、流路１４に隣接する一対の単セル２０との線ＩＩＩ−ＩＩＩに関する断面図である。

図３を参照すると、流路１４の直近に正極層２１が位置しており、流路１４は正極層２１に向いて開放されている。また図３に直接示してはいないが、フレーム１１のうち、流路１４が形成されない部分は正極層２１と接触している。つまり、正極層２１が正極集電体１０の一面と接触するように配置されているため、開放型構造を有する流路１４を通過して流路１４に沿って流れていた酸素が、迅速に正極層２１に拡散され得る。

また、正極層２１と接触しているフレーム１１は、正極層２１における酸素還元反応に必要な電子を正極層２１に供給しかつ酸素酸化反応により発生する電子を集める正極集電体１０の機能を、果たすことができる。

一方、一実施形態で、酸素を正極活物質として用いる正極層２１の材料として、導電性材料を用いることができる。また前記導電性材料は多孔性であってもよい。したがって、正極層２１として多孔性および導電性を有するものであれば、制限なしに用いることができ、例えば多孔性を有する炭素系材料を用いることができる。このような炭素系材料としては、カーボンブラック類、グラファイト類、グラフェン類、活性炭類、カーボン繊維類、カーボンナノチューブ類、カーボンナノロッド類などを用いることができる。また、金属繊維、金属メッシュなどの金属性導電性材料を用いることができる。また、銅、銀、ニッケル、アルミニウムなどの金属性粉末を含むことができる。ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。前記導電性材料は、単独または混合して用いることができる。

正極層２１には、酸素の酸化／還元のための触媒が添加されることもできる。正極層２１に添加される触媒としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウムのような貴金属系触媒、マンガン酸化物、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物などのような酸化物系触媒、またはコバルトフタロシアニンのような有機金属系触媒を用いることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、当該技術分野で酸素の酸化／還元触媒として用いることができるものであればすべて可能である。

前記触媒は、担体に担持されてもよい。前記担体は、酸化物、ゼオライト、粘土系鉱物、カーボンなどであってもよい。前記酸化物は、アルミナ、シリカ、酸化ジルコニウム、二酸化チタンなどの酸化物を一つ以上含むことができる。また、セリウム、プラセオジミウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、ツリウム、イッテルビウム、アンチモン、ビスマス、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデンおよびタングステンから選択される一つ以上の金属を含む酸化物であってもよい。

前記カーボンは、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャネルブラック、ランプブラックなどのカーボンブラック類、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛類、活性炭類、炭素繊維類などであってもよいが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、当該技術分野で担体として用いることができるものであればすべて可能である。

正極層２１は、バインダーを追加的に含むことができる。前記バインダーは、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を含むことができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレン−ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体などを単独または混合して用いることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、当該技術分野でバインダーとして用いることができるものであればすべて可能である。

正極層２１は、例えば、前記酸素酸化／還元触媒、導電性材料およびバインダーを混合した後において、適当な溶媒を添加して正極スラリーを調製し、集電体表面に塗布および乾燥することによって、あるいは、電極密度の向上のために集電体に圧縮成形することによって形成することもできる。正極層２１は、リチウム酸化物を含む場合、酸素酸化／還元触媒を省略することもできる。また、正極層２１に、多様な大きさの孔が２以上形成されることによって、酸素の還元反応による副生成物が、多孔性材料内部の孔を詰まらせずに薄膜の形態で正極層２１に付着可能であると共に、酸素が正極層２１に対して円滑に移動することができる。

負極金属層２３は、正極層２１を挟んで正極集電体１０の反対側に配置されている。負極金属層２３は、金属イオンを吸蔵／放出する役割を果たすものであり、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、鉄、およびアルミニウムの中から選択されたいずれか一つまたはこれらの合金を含むことができる。

負極金属層２３も、前述した正極層２１と同様にバインダーを追加的に含むことができる。バインダーの種類などについては前述した正極層２１に記載した内容と同一であるため、詳細な説明は省略する。

電解質膜２２は、正極層２１と負極金属層２３との間に配置されている。

電解質膜２２は、金属イオンを正極層２１に伝達する役割を果たす。そのために、電解質膜２２は、金属塩を溶媒に溶解して形成された電解質を含むことができる。電解質は、通常、有機電解質、無機電解質、またはこれらを混合した複合電解質を含む固体状であるか、イオン性液体、またはイオン性ゲル（ｇｅｌ）であってもよく、後述する工程のために曲がれるように製造される。例えば、金属塩としては、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＮ（ＳＯ_３ＣＦ_３）_２、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＡｌＣｌ_４、または、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）などのようなリチウム塩を用いることができ、前述したリチウム塩にＡｌＣｌ_３、ＭｇＣｌ_２、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣａＣｌ_２などのような他の金属塩をさらに追加することもできる。溶媒は、このようなリチウム塩および金属塩を溶解可能な如何なる材料でも用いることができる。

また、電解質膜２２は、酸素の透過を防止しかつ金属イオンに対して伝導性を有する分離膜２２ａを含むことができる。分離膜２２ａは、屈曲可能な有機分離膜を用いることができる。例えば、分離膜としては、ポリプロピレン材の不織布やポリフェニレンスルフィド材の不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の多孔性フィルムなどを用いることができる。

このような分離膜と電解質とは、それぞれ別個の層として形成されることもできるが、電解質膜２２は、多孔性分離膜２２ａの孔内に電解質を含浸させて一つの層として形成されることもできる。例えば、ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｏｘｉｄｅ；ＰＥＯ）とＬｉＴＦＳＩを混合して形成された電解質を多孔性分離膜の孔内に含浸させて電解質膜２２を形成することができる。

負極集電体２４は、負極金属層２３を挟んで電解質膜２２の反対側に配置されていてもよい。つまり、負極集電体２４は、単セル２０の構成要素において、正極集電体１０と最遠位置に配置されてもよい。負極集電体２４は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、銅、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタニウム、またはこれらの合金からなることができる。負極集電体２４は、図１〜図３に示すようなプレート形状で形成されてもよいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、負極集電体２４の全体的な形状が、メッシュ（ｍｅｓｈ）、またはグリッド（ｇｒｉｄ）形状に形成されることもできる。

一般的な電気化学素子は、正極集電体、正極、電解質膜、負極および負極集電体を含む一つの単位体からなる。ただし、例えば金属−空気電池の場合、比較的大きい体積を占める空気供給流路のため、２以上の単位体を互いに隣接するように配置すると、体積が大幅に増加する点が指摘される。

しかし、一実施形態に係る電気化学素子１００は、一対の単セル２０が図１に示すように、正極集電体１０を間に置いて互いに相対するように配置されている。これによって、単一の流路１４を用いて二つの単セル２０に酸素を供給することができるように構成されることによって、一般的な電気化学素子に比べて同一体積に対する高いエネルギー密度を有する電気化学素子１００を提供することができる。

また、一実施形態の電気化学素子１００を２以上隣接するように配置させて電池モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）または電池パック（ｐａｃｋ）を構成する場合、前記電池モジュールまたは電池パックのスリム（ｓｌｉｍ）化および／またはコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）化が可能である。

つまり、一実施形態によると、一般的な電気化学素子に比べて、同一体積に対する高いエネルギー密度を有する電気化学素子１００を提供することができる。

以下、図４〜図７を参照して一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体に対する多様な変形例を説明する。

図４は、第１変形例による電気化学素子の正極集電体１０’を示した図面であり、図５は、第２変形例による電気化学素子の正極集電体１０’’を示した図面である。

第１変形例による電気化学素子の正極集電体１０’は、図４に示すように、注入部１２と排出部１３とが前述した図１と異なり、フレーム１１の両側部に形成されており、流路１４は、注入部１２と排出部１３とを一つの経路で連結している。つまり、前述した図１の正極集電体１０と比べて、注入部１２と排出部１３との形成位置と、これを連結する流路１４の蛇行方向とは、異なるように形成されていてもよい。

一方、第２変形例による電気化学素子の正極集電体１０’’は、図５に示すように、流路１４の具体的な蛇行パターンが、前述した図１と異なるように形成されていてもよい。

つまり、一実施形態に係る正極集電体１０は、第１、第２変形例による正極集電体１０’、１０’’のように、注入部１２および排出部１３の位置、流路１４の蛇行パターン、蛇行方向などを、電気化学素子１００の用途、電気化学素子１００の形状、空気供給装置または排ガス排出装置との連結関係などに応じて、多様な形態に変形して実現することができる。

図６は、第３変形例による電気化学素子の正極集電体１０’’’の第１フレームと第２フレームとを示した図面であり、図７は、図６の第１フレームと第２フレームとが互いに隣接するように配置されて流路を形成するものを示した図面である。

図６および図７を参照すると、第３変形例による電気化学素子の正極集電体１０’’’は、２以上の第１突起１１ｂが形成された第１フレーム１１ａと、２以上の第２突起１１ｄが形成された第２フレーム１１ｃとを含む。

つまり、一実施形態に係る正極集電体１０のフレーム１１が単一体のプレート型構造体で形成されているのとは異なり、第３変形例の正極集電体１０’’’のフレームが第１フレーム１１ａと第２フレーム１１ｃとからなり、互いに分離していてもよい。

第１フレーム１１ａと第２フレーム１１ｃとは、互いに離間し、それぞれ突起が形成された面同士が対向するように配置されており、第１突起１１ｂと第２突起１１ｄとは、第１方向Ｄ１に沿って交互に配置されている。

図７を参照すると、第１突起１１ｂの体積は、第２突起１１ｄの体積より大きく形成されてもよいが、第１突起１１ｂの体積と第２突起１１ｄの体積とは多様に調節可能である。

また、図７に示すように、第１フレーム１１ａと第２フレーム１１ｃとが隣接するように配置することによって、第１突起１１ｂと第２突起１１ｄとの体積差に対応する空間が流路１４として機能することができ、形成される流路１４の体積は、電気化学反応条件に応じて多様に調節可能である。

また、第１突起１１ｂと第２突起１１ｄとは、互いに対応する形状に形成されてもよい。例えば、第１突起１１ｂと第２突起１１ｄとは、図７に示すように四角形状の断面を有するように形成されることもできるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、三角形状、六角形状、島形状など多様な形状に形成されてもよい。第１突起１１ｂと第２突起１１ｄとが互いに対応する形状に形成されることによって、図７に示すように流路１４の幅が一定に形成され得る。

つまり、第３変形例に係る正極集電体１０’’’は、第１フレーム１１ａと第２フレーム１１ｃとに分割されたフレームを用いて流路１４を形成することによって、一実施形態に係る正極集電体１０と同一の機能を実現することができる。

以下、図８および図９を参照して別の実施形態に係る電気化学素子の構造を説明する。

図８は、別の実施形態に係る電気化学素子を示した分解斜視図であり、図９は、別の実施形態に係る電気化学素子の断面図である。図９においては、図８に開示された流路１４の縦方向を中心にして電気化学素子が切断されており、一対の単セル２０’が流路１４を挟んで互いに相対するように配置されている。

つまり、別の実施形態に係る電気化学素子１００’は、前述した電気化学素子１００の正極集電体１０と同一の正極集電体１０を含むが、正極集電体１０の長さあるいは高さ方向に沿って数回繰り返して折り曲げられた形状を有する一対の単セル２０’が、正極集電体１０を挟んで互いに相対するように配置されている。

別の実施形態に係る単セル２０’は、前述した単セル２０と異なり、正極層２１と正極集電体１０との間に配置されるガス拡散層２５をさらに含む。

ガス拡散層２５は、流路１４に沿って流れる空気中の酸素を吸収して正極層２１に提供することができる。そのために、ガス拡散層２５は、酸素を円滑に拡散させることができるように多孔性構造を有することができる。

別の実施形態に係るガス拡散層２５は、例えば炭素繊維を用いたカーボン紙（ｃａｒｂｏｎｐａｐｅｒ）、カーボン織物（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）、カーボンフェルト（ｃａｒｂｏｎ ｆｅｌｔ）、スポンジ状の発泡金属や金属繊維マットのうちのいずれか一つ、またはこれらの組み合わせを含むことができ、高い電気伝導度を有する。

ガス拡散層２５の少なくとも第１面２５ａは、正極集電体１０の表面と接触することができる。これによって、流路１４からガス拡散層２５に酸素が容易に拡散することができる。

ガス拡散層２５は、図８に示すように、正極集電体１０の一部を覆うように形成されてもよい。この場合、ガス拡散層２５は、図８に示すように、長方形断面を有する棒形状に形成されてもよいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、三角形、正方形、菱形、六角形のような多角形以外にも、弓形など、曲線を含む断面を有する棒形状からなることができる。

正極層２１、負極金属層２３、電解質膜２２は、ガス拡散層２５における第１面２５ａを除いた残りの面の少なくとも一面を囲むように折り曲げられていてもよい。一方、図８に示すように、正極層２１、電解質膜２２、負極金属層２３が順次に積層された積層体が、ガス拡散層２５における第１面２５ａを除いた残りの面全部を、覆うように折り曲げられていてもよい。

ガス拡散層２５が２以上互いに離隔して配置される場合、前記積層体は、２以上のガス拡散層２５における第１面２５ａを除いた残りの面全部を囲むように数回繰り返して折り曲げられていてもよい。

このように、ガス拡散層２５を正極集電体１０と正極層２１との間に配置し、ガス拡散層２５の表面を、正極層２１、電解質膜２２、負極金属層２３が順次に積層された積層体によって囲んで、正極層２１とガス拡散層２５との接触面積をより広げることによって、ガス拡散層２５が単に正極集電体１０の全部を覆うように形成される時と比較し、より広い面積の正極層２１に酸素が拡散され得る。つまり、積層体を折り曲げる度に、図９に示すように、正極層２１とガス拡散層２５との接触面積が広くなり、積層体の折り曲げ回数と折り曲げられる方向は、電気化学素子１００’の体積、電気化学素子１００’が適用される多様な機器、または装置に応じて多様に設定することができる。

一方、別の実施形態に係る電気化学素子１００’は、負極金属層２３を挟んで電解質膜２２の反対側に配置される負極集電体２４をさらに含むことができる。この場合、隣接したガス拡散層２５の間において、負極集電体２４の折り曲げられた部位が図８に示すように互いに重なり得るように、正極層２１、負極金属層２３、電解質膜２２および負極集電体２４が１８０度に折り曲げられていてもよい。つまり、負極集電体２４は、正極層２１、負極金属層２３、電解質膜２２と共に折り曲げられていてもよい。

ただし、別の実施形態に係る電気化学素子１００’は、必ずしもこのような構成に限定されるものではなく、隣接したガス拡散層の間で、負極金属層の折り曲げられた部位が互いに重なり得るように、正極層、負極金属層および電解質膜からなる積層体が１８０度に折り曲げられていてもよい。この場合、積層体が一回折り曲げられた単位体を折曲体とすれば、負極集電体は、負極金属層と隣接して配置されるが、折曲体が２以上配列された方向に沿って延長された薄形またはプレート形状の構造体であってもよい。つまり、負極集電体は、別途曲げることなく、２以上の折曲体の表面とそれぞれ接触するように配置することもできる。

一方、別の実施形態に係る電気化学素子１００’においては、正極集電体１０を挟んで前述した一実施形態のプレート形状の単セル２０と、別の実施形態に係る折り曲げられた形状の単セル２０’とが、互いに相対するように配置されることもできる。このように、電気化学素子１００’の適用位置などにより、正極集電体１０を挟んで異なる構造を有する単セル２０、２０’を、互いに相対するように配置することもできる。

以下、図１０〜図１２を参照して一実施形態に係る電気化学素子の酸素および電流が線形的かつ均一に分布する効果を説明する。

図１０は、一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の位置毎の酸素濃度分布を示した図面であり、図１１は、一実施形態に係る電気化学素子の正極集電体の位置毎の電流密度分布を示した図面であり、図１２は、比較例による正極集電体の位置毎の酸素濃度分布を示した図面である。

図１０〜図１２における数字「ｅ^ｎ（ｎは実数）」のような表記は、１０の指数である「１０^ｎ（ｎは実数）」を意味する。

前述した一実施形態の電気化学素子１００に対して、酸素飽和度７０％、流量１．５×１０^−５ｍ^３／ｓの空気を注入し、電気化学反応を含む流動解析を実施した結果を、図１０（酸素濃度分布）と図１１（電流密度分布）とにそれぞれ示す。

一方、比較例として、内部に２以上の互いに平行な流路が形成され、それぞれの流路がマニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）により連結されて空気の供給を受ける正極集電体構造を有する点を除き、一実施形態と同一な一対の単セルを有する電気化学素子を準備した。以下において、マニホールドに酸素飽和度４０％、流量１．８×１０^−５ｍ^３／ｓの空気を注入し、電気化学反応を含む流動解析を実施した結果を、図１２（酸素濃度分布）に示す。

まず、比較例の場合、図１２を参照すると、２以上の平行な流路のうち、それぞれ上側と下側に位置する流路の酸素は均一であるのに比べて、中心側に行くほど酸素濃度が急激に減ることを確認することができる。つまり、比較例の場合、各流路毎の酸素濃度差が存在しており、線形的な酸素供給が行われなかったことを確認することができる。

これは、注入部側マニホールドを通じて供給された空気がそれぞれの流路に均一に供給されなかったためと解釈される。つまり、２以上の平行な流路のうち、中心側に行くほど流路内部での相対的な流速減少が発生すると、これによって酸素滞留時間（ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ）が増加し、電気化学反応による酸素消費量を増加させるため、当該領域の酸素濃度および電流密度分布の均一性の低下を招く。

したがって、このように正極集電体が２以上の経路を含む場合、均一に空気を供給できるようにマニホールドを追加的に設計しなければならないため、電気化学素子全体の体積が増加する一方、体積に対するエネルギー密度は低下することが把握される。

ただし、一実施形態に係る電気化学素子の場合、注入部に空気が注入されると、空気は流路の蛇行経路に沿って排出部方向に向かって流れるようになる。この時、一実施形態に係る電気化学素子は、図１０および図１１にそれぞれ示すように、注入部に近い側から離間するほど酸素濃度と電流密度とが線形的に減少する分布を示すことを確認することができる。

つまり、一実施形態においては、電気化学素子の正極集電体内部に蛇行形状を有する単一の流路を適用することによって、正極層に線形的かつ均一な酸素供給が可能であり、その結果、正極層に対して相対的に均一な放電特性が得られることを確認することができる。

一方、一実施形態においては、図１１のように、正極集電体の上端と下端との一部において電流密度が０と示されるが、これは、正極集電体の上端と下端とを除いた部分が一対の単セルにより覆われた状態で、電流密度を測定したためと把握される。

ただし、一実施形態は、必ずしもこれに限定されるものではなく、単セルが正極集電体のすべての領域を覆うように配置されることもでき、この場合にも図１１のように線形的に減少する電流密度の分布を確認することができる。

以上で説明したとおり、一実施形態に係る電気化学素子は、正極集電体内部に蛇行形状を有する単一の流路を適用することによって、線形的かつ均一な放電特性を有し、そのため、体積に対する高いエネルギー密度を有する電気化学素子を提供することができる。

以下、図１３および図１４を参照して、一実施形態に係る電気化学素子を含む電池モジュールおよび電池パックについて説明する。

図１３は、一実施形態に係る電気化学素子を２以上含む電池モジュールを示した斜視図である。

一実施形態に係る電池モジュール２００は、前述した電気化学素子１００が２以上互いに隣接するように配置されている構造を有する。２以上の電気化学素子１００のそれぞれの注入部は、空気を供給できる供給マニホールド１１０と連結されており、それぞれの排出部は、排ガスを排出できる排気マニホールド１２０と連結されている。

２以上の電気化学素子１００は、図１３に示すように、電気的に並列に連結されるように配置されていてもよいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、電池モジュール２００の用途などに応じて、多様な形態に変形して具現化することができる。つまり、２以上の電気化学素子１００は、電気的に直列に連結されるように配置されることもでき、直列に連結される部分と並列に連結される部分とを含むこともできる。

一方、一実施形態に係る電池モジュール２００において、空気を供給できる供給マニホールド１１０と排ガスを排出できる排気マニホールド１２０とを通じて空気が流れる方向は、図１３に示される方向に制限されるものではなく、電池モジュール２００の用途、設置場所、空気供給装置または排ガス排出装置との連結関係などに応じて、同じ方向や異なる方向など、多様に設定することができる。

一実施形態に係る電気化学素子１００は、正極集電体１０を挟んで配置される一対の単セル２０を含むため、一般的な電気化学素子の２つを隣接して連結した構造に比べて、比較的大きい体積を占める流路、およびこれを含む正極集電体の一つを省略することができる。

また、電池モジュール２００内における電気化学素子１００の個数が増加するほど、同一体積に対する高いエネルギー密度を有することができ、電気化学素子１００と同様に、電池モジュール２００も電気化学素子１００間の均一な放電特性を有することができる。つまり、一実施形態によると、電気化学素子は、体積に対する高いエネルギー密度を有し、電気化学素子１００間の均一な放電特性を有する電池モジュール２００を提供することができる。

図１４は、図１３の電池モジュールを２以上含む電池パックを示した斜視図である。

一実施形態に係る電池パック３００は、前述した電池モジュール２００が２以上互いに隣接して配置されている構造を有する。２以上の電池モジュール２００のそれぞれの供給マニホールドは、空気を供給する供給部２１０と連結されており、それぞれの排気マニホールドは、排ガスを排出できる排気部２２０と連結されている。

一実施形態に係る電池パック３００の場合も、前述のように高いエネルギー密度を有する電池モジュール２００を２以上隣接するように配置することができる。一実施形態に係る電池パック３００の場合、図１４に示すように、直列に連結される電池モジュール２００と並列に連結される電池モジュール２００と含むことができ、また、電池モジュール２００は、直列のみ、または並列のみで連結されていてもよく、さらに、電池パック３００は、電池モジュール２００を２層以上積層して配置した構造であってもよい。

電池パック３００内部における電池モジュール２００の供給部２１０と排気部２２０との間の配置関係は、電池パック３００の用途、設置場所、空気供給装置または排ガス排出装置との連結関係などに応じて、多様な形態に変形して具現化することができる。

一実施形態の電池パック３００も、同一体積に対する高いエネルギー密度を有する電池モジュール２００を互いに隣接するように配置することによって、電池パック３００内の電池モジュール２００の個数が増加するほど、同一体積に対する高いエネルギー密度を有することができる。

以上で説明したとおり、一実施形態に係る電気化学素子１００は、電気化学素子の体積を増加させることなく、効率的に空気を供給することが可能な一方、同一体積に対する高いエネルギー密度を有すると同時に、電気化学素子１００と同様に、電池パック３００においても、内部の電気化学素子１００および電池モジュール２００間の均一な放電特性を有することができる。つまり、一実施形態によると、電気化学素子の体積に対する高いエネルギー密度を有し、均一な放電特性を有する電池パック３００を提供することができる。

また、これを含む電池モジュール２００および電池パック３００の場合、前述した電気化学素子１００を２以上含むことによって同一体積に対する高いエネルギー密度を有し、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）などに適用される大容量電池のエネルギー密度を容易に満足させながらも、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）などのスリム（ｓｌｉｍ）化および／またはコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）化が可能である。

以上のように、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も、本発明の権利範囲に属する。

１０ 正極集電体、
１４ 流路、
２０ 単セル、
２１ 正極層、
２２ 電解質膜、
２３ 負極金属層、
２４ 負極集電体、
２５ ガス拡散層、
１００ 電気化学素子、
２００ 電池モジュール、
３００ 電池パック。

Claims (19)

1. 少なくとも酸素を含む空気が注入される注入部、排ガスが排出される排出部、および前記注入部と前記排出部とを一つの経路で連結する流路を含む正極集電体と、
   前記正極集電体と隣接して配置され、酸素を活物質として用いる正極層、前記正極層を挟んで前記正極集電体の反対側に配置される負極金属層、および前記正極層と前記負極金属層との間に配置される電解質膜を含む単セルと、
   を含み、
   前記単セルは、一対設けられ、前記正極集電体を挟んで対向するように配置され、
   前記流路は、前記対向する一対の単セルのそれぞれの正極層の表面に向いて開放されている、電気化学素子。
2. 前記流路は、蛇行形状からなる、請求項１に記載の電気化学素子。
3. 前記正極層は、前記正極集電体の一面と接触している、請求項１又は２に記載の電気化学素子。
4. 前記流路は、少なくとも一部が前記正極層表面に向いて開放されている、請求項３に記載の電気化学素子。
5. 少なくとも酸素を含む空気が注入される注入部、排ガスが排出される排出部、および前記注入部と前記排出部とを一つの経路で連結する流路を含む正極集電体と、
   前記正極集電体と隣接して配置され、酸素を活物質として用いる正極層、前記正極層を挟んで前記正極集電体の反対側に配置される負極金属層、および前記正極層と前記負極金属層との間に配置される電解質膜を含む単セルと、
   を含み、
   前記正極集電体は、
   ２以上の第１突起が形成された第１フレームと、２以上の第２突起が形成された第２フレームとを含み、
   前記第１突起と前記第２突起とは、互いに離隔して対向するように配置されている、電気化学素子。
6. 前記第１突起と前記第２突起は、第１方向に沿って交互に配置される、請求項５に記載の電気化学素子。
7. 前記第１突起および前記第２突起は、互いに対応する形状に形成されている、請求項５又は請求項６に記載の電気化学素子。
8. 前記負極金属層は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、鉄、およびアルミニウムの中から選択されたいずれか一つまたはこれらの組み合わせを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気化学素子。
9. 前記電解質膜は、
   酸素を遮断しかつ金属イオンに対して伝導性を有する分離膜と、
   金属イオンを伝達するための電解質と、を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気化学素子。
10. 前記分離膜は、多孔性フィルムを含み、前記電解質は、前記多孔性フィルムの孔内に含浸されている、請求項９に記載の電気化学素子。
11. 前記単セルは、
    前記負極金属層を挟んで前記電解質膜の反対側に配置される負極集電体をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気化学素子。
12. 前記単セルは、前記正極層と前記正極集電体との間に配置されるガス拡散層をさらに含み、
    前記ガス拡散層の第１面は、前記正極集電体と接触している、請求項１に記載の電気化学素子。
13. 前記正極層、前記負極金属層および前記電解質膜は、前記ガス拡散層における前記第１面を除いた残りの面のうちの少なくとも一面を覆うように折り曲げられている、請求項１２に記載の電気化学素子。
14. 前記ガス拡散層は、２以上設けられかつ互いに離隔して配置され、
    前記正極層、前記負極金属層および前記電解質膜は、前記２以上設けられたガス拡散層の前記第１面を除いた残りの面のすべてを覆うように繰り返し折り曲げられている、請求項１２に記載の電気化学素子。
15. 前記負極金属層の部位が互いに隣接して配置されるように、隣接したガス拡散層の間の位置で、前記正極層、前記負極金属層、および前記電解質膜が１８０度に折り曲げられている、請求項１４に記載の電気化学素子。
16. 前記負極金属層を挟んで前記電解質膜の反対側に配置される負極集電体をさらに含み、
    前記負極集電体の部位が互いに隣接して配置されるように、隣接したガス拡散層の間の位置で、前記正極層、前記負極金属層、前記電解質膜、および前記負極集電体が１８０度に折り曲げられている、請求項１４に記載の電気化学素子。
17. 前記単セルは、一対設けられ、前記正極集電体を挟んで対向するように配置される、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の電気化学素子。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電気化学素子が互いに隣接して配置される２以上の電気化学素子と、
    前記２以上の電気化学素子のそれぞれの流路と連結されて前記空気を供給する供給マニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）と、
    前記２以上の電気化学素子のそれぞれの流路と連結されて排ガスを排出する排気マニホールドと、
    を含む電池モジュール。
19. 請求項１８に記載の電池モジュールが互いに隣接して配置される２以上の電池モジュールと、
    前記２以上の電池モジュールのそれぞれの供給マニホールドと連結される供給部と、
    前記２以上の電池モジュールのそれぞれの排気マニホールドと連結される排気部と、
    を含む電池パック。