JP7343116B1 - secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】レアメタルを使用していないが故に、製造コストが安価であり、しかも製造工程がシンプルである二次電池の構成を提供すること。【解決手段】正極1を構成する素材として銅を採用し、負極2を構成する素材としてアルミニウムを採用し、電解質として非水系電解液を採用することによって、前記課題を達成している二次電池。【選択図】図1An object of the present invention is to provide a configuration of a secondary battery that does not use rare metals, has low manufacturing costs, and has a simple manufacturing process. [Solution] A secondary battery that achieves the above-mentioned problems by using copper as the material constituting the positive electrode 1, aluminum as the material constituting the negative electrode 2, and using a non-aqueous electrolyte as the electrolyte. . [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、正極と負極との間に非水系電解液およびセパレータを備え、かつリチウムイオン電池と同様に小型高容量であって、かつ充放電の繰り返しが可能である二次電池を対象としている。 The present invention is directed to a secondary battery that is equipped with a non-aqueous electrolyte and a separator between a positive electrode and a negative electrode, has a small size and high capacity like a lithium ion battery, and can be repeatedly charged and discharged. .
小型高容量のリチウムイオン二次電池はノートパソコン、スマートフォン等の携帯型電子機器の電源として用いられているが、近年においては地球環境問題・脱炭素化の観点から再生化のエネルギー用蓄電池や電気自動車における二次電池としても採用されている。 Small, high-capacity lithium-ion secondary batteries are used as power sources for portable electronic devices such as notebook computers and smartphones, but in recent years, from the perspective of global environmental issues and decarbonization, renewable energy storage batteries and electricity It is also used as a secondary battery in automobiles.
リチウムイオン二次電池においては、正極活物質として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、三元系(Li(Ni,Co,Mn)O2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)等のリチウムの化合物を採用し、負極活物質として、ハードカーボン、黒鉛などの炭素材料、酸化ケイ素(SiO)、ケイ素(Si)などが採用されている。
しかし、リチウム、コバルト、ニッケルはレアメタルであることから、製造のコストが高い状態にあり、しかも鉄、アルミニウム等に比し、採掘量が乏しく、大幅な需要増に対し原料が不足する恐れがある。
In lithium ion secondary batteries, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), ternary system (Li(Ni,Co,Mn)O 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), iron phosphate are used as positive electrode active materials. Lithium compounds such as lithium (LiFePO 4 ) are used, and carbon materials such as hard carbon and graphite, silicon oxide (SiO), and silicon (Si) are used as negative electrode active materials.
However, since lithium, cobalt, and nickel are rare metals, their production costs are high, and compared to iron, aluminum, etc., they are mined in limited amounts, so there is a risk of a shortage of raw materials to meet the significant increase in demand. .
更には、正極活物質及び負極活物質は、それぞれ正極集電体及び負極集電体、即ち正極活物質及び負極活物質によって発生した電流を電池の外部に伝達する端子に塗布されることを必要不可欠としているが、このような塗布による製造工程は、決してシンプルではなく煩雑である。
因みに、典型的なリチウムイオン電池においては、正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末を正極集電体であるアルミ箔に塗布し、負極活物質である黒鉛粉末を負極集電体である銅箔に塗布しているが、これらの塗布作業は、相当煩雑である。
Furthermore, the positive electrode active material and the negative electrode active material need to be applied to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively, that is, the terminals that transmit the current generated by the positive electrode active material and the negative electrode active material to the outside of the battery. Although it is considered essential, the manufacturing process using such coating is by no means simple and complicated.
Incidentally, in a typical lithium-ion battery, lithium cobalt oxide powder, which is the positive electrode active material, is applied to aluminum foil, which is the positive electrode current collector, and graphite powder, which is the negative electrode active material, is applied to copper foil, which is the negative electrode current collector. However, these coating operations are quite complicated.
特許文献1は、正極として銅を採用し、負極としてアルミニウムを採用し、双方の間に電解質を介在させている構成(請求項1及び要約書)において、電解質の種類毎に所定の起電力が発生するデータを開示している(段落[0032]の表1、段落[0038]の表2、段落[0040]の表3)。
即ち、特許文献1は、正極として銅を採用し、負極としてアルミニウムを採用し、かつその間に所定の電解液を介在させた場合には、放電が可能な電池を開示している。しかし、特許文献1の電池はいわゆるアルミニウム空気電池であり、陰極からアルミニウムがアルミニウムイオンとして溶け出し電子を放出し、正極上で電子を受け取り水酸化イオンと反応し水酸化アルミニウム(Al(OH)3)が生成する反応による一次電池として機能している。
That is,
しかしながら、特許文献1においては、水溶液を含有する電解液を採用しており(請求項1)、このような電解質の場合には、正極及び負極に電圧を加えることによって充電を行おうとしても、電気分解によって正極から酸素及び負極から水素が発生し、安定した充電は不可能であり、かつ放電生成物である水酸化アルミニウムを還元することができないため、産業上利用し得る二次電池としての機能を発揮することができない。
However, in
このように、従来技術においては、製造コストが安価であり、しかも製造工程がシンプルであって、リチウムイオン電池に代置し得るような二次電池の構成は提示されていない。 As described above, the prior art does not propose a configuration of a secondary battery that is inexpensive to manufacture, has a simple manufacturing process, and can be substituted for a lithium ion battery.
本発明は、レアメタルを使用していないが故に、製造コストが安価であり、しかも製造工程がシンプルである二次電池の構成を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a secondary battery configuration that is inexpensive to manufacture and has a simple manufacturing process because it does not use rare metals.
前記課題の解決を目的として、発明者が想定し得た基本構成は、
(1)正極活物質として銅を採用し、負極活物質としてアルミニウムを採用し、電解質として非水系電解液を採用し、かつ当該非水系電解液中を、充電時に銅イオン(Cu
2+
)が正極から負極に移動し、放電時には銅イオン(Cu
2+
)が充電時と逆方向に移動することを特徴とする二次電池、
(2)銅が正極活物質及び正極集電体として作用し、アルミニウムが負極活物質及び負極集電体として作用することを特徴とする前記(1)の二次電池、
である。
The basic configuration envisioned by the inventor for the purpose of solving the above problem is as follows:
(1) Copper is used as the positive electrode active material, aluminum is used as the negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte is used as the electrolyte, and copper ions (Cu 2+ ) are transferred to the positive electrode during charging in the non-aqueous electrolyte. A secondary battery characterized in that copper ions (Cu 2+ ) move from the to the negative electrode, and during discharging, copper ions (
(2) The secondary battery of (1) above, characterized in that copper acts as a positive electrode active material and a positive electrode current collector, and aluminum acts as a negative electrode active material and a negative electrode current collector;
It is.
基本構成(1)は、銅及びアルミニウムがそれぞれ正極集電体及び負極集電体として作用している基本構成(2)の構成を包摂しているが、当該構成だけでなく、例えば、正極集電体として、銀箔又はアルミニウム箔を採用し、負極集電体として、銀箔又は銅箔を採用するような構成を包摂している。
但し、上記構成は例外的であって、基本構成(1)の実施形態の殆どは、基本構成(2)に立脚している。
尚、前記基本構成における「非水電解液」とは、水を含有せずに陽イオン(基本構成(1)、(2)の場合には、銅イオン)が充放電に際し伝導可能である電解質の趣旨である。
Basic configuration (1) includes the configuration of basic configuration (2) in which copper and aluminum act as a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, respectively. This includes configurations in which silver foil or aluminum foil is used as the electric body, and silver foil or copper foil is used as the negative electrode current collector.
However, the above configuration is exceptional, and most of the embodiments of basic configuration (1) are based on basic configuration (2).
In addition, the "non-aqueous electrolyte" in the above basic configuration is an electrolyte that does not contain water and can conduct cations (copper ions in the case of basic configurations (1) and (2)) during charging and discharging. This is the purpose of
前記基本構成(1)、(2)からも明らかなように、本発明は、銅、アルミニウム及び非水電解液と一体状態を形成しているセパレータという3要素によって構成され、リチウムイオン電池のようにレアメタルを採用していないが故に、製造コストが安価である。 As is clear from the above basic configurations (1) and (2), the present invention is composed of three elements: copper, aluminum, and a separator integrally formed with a non-aqueous electrolyte, and is suitable for use in batteries such as lithium ion batteries. Because it does not use rare metals, manufacturing costs are low.
しかも、基本構成(2)の場合には、正極の全ての素材が銅であり、負極の素材の全てがアルミニウムであることから、リチウムイオン電池の場合のような塗布工程は不要であって、製造工程は極めてシンプルである。 Moreover, in the case of basic configuration (2), all the materials for the positive electrode are copper and all the materials for the negative electrode are aluminum, so there is no need for a coating process as in the case of lithium ion batteries. The manufacturing process is extremely simple.
このような効果を伴う前記基本構成の作用は、以下の通りである。但し、電池反応自体は未だ明確に特定されている訳ではなく、あくまでも発明者の推定に立脚している。 The operation of the basic configuration with such effects is as follows. However, the battery reaction itself has not yet been clearly specified, and is based solely on the inventor's speculation.
実施例に即して後述するように、基本構成(1)及び(2)においては、銅が正極活物質として作用し、アルミニウムが負極活物質として作用することによって充電を実現することができる。
前記充電の段階では、正極において、
Cu→Cu2++2e-
という電離反応が実現し、正極から銅イオン(Cu2+)が負極側に移動し、電子(e-)が正極側に移動している。
As will be described later with reference to Examples, in basic configurations (1) and (2), charging can be achieved by copper acting as a positive electrode active material and aluminum acting as a negative electrode active material.
At the charging stage, at the positive electrode,
Cu→Cu 2+ +2e -
This ionization reaction is realized, and copper ions (Cu 2+ ) move from the positive electrode to the negative electrode, and electrons (e − ) move to the positive electrode.
これに対し、負極においては、
Cu2++2Al+2e- → CuAl2
のように、銅とアルミニウムが固溶し合って結晶構造を形成することによる合金が形成され、かつ電子(e-)が放出されることに帰する。
On the other hand, at the negative electrode,
Cu 2+ +2Al+2e − → CuAl 2
This is attributed to the fact that an alloy is formed by solid solution of copper and aluminum to form a crystal structure, and electrons (e − ) are emitted.
尚、1個の銅イオン(Cu2+)の単体に対し、2個のAlの単体又は結合し合うことによる合金を形成しているのは、上記の比率の場合に最も安定した結晶構造を実現し得ることに由来している。 In addition, the most stable crystal structure is achieved when the above ratio is used for one single copper ion (Cu 2+ ) to form an alloy of two Al alone or by bonding to each other. It comes from what can be done.
逆に、放電の場合には、正極においては、
Cu2++2e- → Cu
という銅イオンと電子との結合反応が行われると共に、負極においては、
CuAl2 → Cu2++2Al+2e-
という銅と電子との電離反応が実現し、このような放電が可能である。
Conversely, in the case of discharge, at the positive electrode,
Cu 2+ +2e − → Cu
At the same time, a bonding reaction between copper ions and electrons takes place, and at the negative electrode,
CuAl 2 → Cu 2+ +2Al+2e -
The ionization reaction between copper and electrons is realized, and this type of discharge is possible.
従って、前記充放電による全体の反応については、
Cu+2Al ⇔ CuAl2
という銅とアルミニウムとの合金化の実現及び双方の分離が実現していることに帰する。
Therefore, regarding the overall reaction due to the charging and discharging,
Cu+2Al ⇔ CuAl 2
This is attributed to the realization of alloying of copper and aluminum and the separation of both.
基本構成(1)、(2)において、銅が正極活物質として作用し、アルミニウムが負極活物質として作用しているが、基本構成(2)のように、銅を正極集電体として採用し、アルミニウムを負極集電体の端子として採用した場合には、正極及び負極は、それぞれ銅及びアルミニウムによって構成され、極めてシンプルな製造工程を実現することができる。 In basic configurations (1) and (2), copper acts as the positive electrode active material and aluminum acts as the negative electrode active material, but as in basic configuration (2), copper is used as the positive electrode current collector. When aluminum is used as the terminal of the negative electrode current collector, the positive electrode and the negative electrode are made of copper and aluminum, respectively, and an extremely simple manufacturing process can be realized.
正極活物質である銅の理論容量は約850mAh/gであるが、実施例において後述するように、放電における作動電圧が2.8Vの場合には、重量エネルギー密度は、850×2.8=2,380Wh/kgであって、密度が8.91の場合には、体積エネルギー密度は、約21,200Wh/Lである。 The theoretical capacity of copper, which is the positive electrode active material, is approximately 850 mAh/g, but as will be described later in the examples, when the operating voltage during discharge is 2.8 V, the gravimetric energy density is 850 x 2.8 = 2,380 Wh/kg and a density of 8.91, the volumetric energy density is approximately 21,200 Wh/L.
上記各密度の数値を、既存のリチウムイオン二次電池の正極材Li(Ni,Co,Mn)O2と対比した場合には、重量エネルギー密度において約3倍、体積エネルギー密度において約6倍の数値となる。 When comparing the above density values with the existing cathode material Li(Ni,Co,Mn)O 2 for lithium ion secondary batteries, the weight energy density is approximately 3 times higher, and the volumetric energy density is approximately 6 times higher. It becomes a numerical value.
図1に示すように、基本構成(1)は、正極1を構成する素材として銅を採用し、負極2を構成する素材としてアルミニウムを採用し、電解質として非水系電解液を採用した二次電池であり、基本構成(2)は、銅が正極活物質及び正極集電体として作用し、アルミニウムが負極活物質及び負極集電体として作用することを特徴とする前記(1)の二次電池である。
As shown in Figure 1, the basic configuration (1) is a secondary battery that uses copper as the material for the
基本構成(1)は、大抵の場合、基本構成(2)に立脚しているが、例外的に、正極集電体として、銅以外の金属の銅箔を採用し、負極集電体として、アルミニウム以外の金属箔を採用し得ることについては、既に課題を解決する手段の項において指摘した通りである。 Basic configuration (1) is based on basic configuration (2) in most cases, but in exceptional cases, copper foil of a metal other than copper is used as the positive electrode current collector, and as the negative electrode current collector, As already pointed out in the section on means for solving the problem, metal foil other than aluminum can be used.
図2に示す典型的なリチウムイオン電池の構成と対比した場合、基本構成(1)においては、正極において正極活物質4としてリチウム含有酸化物等ではなく、銅を採用していること、及び負極において負極活物質5として黒鉛等に代えて、アルミニウムを採用している点において相違しており、基本構成(2)においては、リチウムイオン電池の場合に、前記酸化物4が塗布されているアルミニウム箔による集電体6に代えて、銅による正極活物質が正極集電体を兼用していること、及び炭化リチウム又は前記炭素材料5が塗布されている銅箔による集電体7に代えて、アルミニウムによる負極活物質が負極集電体を兼用している点において相違している。
When compared with the configuration of a typical lithium-ion battery shown in FIG. The difference is that aluminum is used as the negative electrode
このような構成上の相違によって、基本構成(1)の場合には、リチウムイオン二次電池に対し、製造コストが安価であり、基本構成(2)の場合には、リチウムイオン二次電池に比し、製造工程がシンプルであることもまた既に指摘した通りである。 Due to these structural differences, basic configuration (1) is cheaper to manufacture than lithium ion secondary batteries, and basic configuration (2) is cheaper than lithium ion secondary batteries. As already pointed out, the manufacturing process is simple in comparison.
基本構成(1)、(2)においても、リチウムイオン二次電池の場合と同様に、非水電解液と一体に形成されているセパレータ3を正極1と負極2との間にて備えている。
In basic configurations (1) and (2), as in the case of lithium ion secondary batteries, a
但し、基本構成(1)、(2)におけるセパレータ3は、銅イオン(Cu2+)の透過を可能とする多孔質状態であることを必要不可欠としている。
However, it is essential that the
非水系電解液の典型例は、イオン液体及び有機電解液であって、何れにおいても銅イオン(Cu2+)及び電子(e-)とが充放電に際し流動することができる。 Typical examples of nonaqueous electrolytes are ionic liquids and organic electrolytes, in which copper ions (Cu 2+ ) and electrons (e − ) can flow during charging and discharging.
イオン液体については、通常100℃以下において陽イオンと陰イオンとが存在している液体と定義されている。 An ionic liquid is generally defined as a liquid in which cations and anions exist at temperatures below 100°C.
陽イオンの種類によって、カチオンの基本骨格から、イミダゾリウム塩、ピロリジニウム塩、ピリジニウム塩、ピペリジニウム塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩を挙げることができ、これらの陽イオンは何れも採用することができる。 Depending on the type of cation, imidazolium salts, pyrrolidinium salts, pyridinium salts, piperidinium salts, ammonium salts, and phosphonium salts can be mentioned based on the basic skeleton of the cation, and any of these cations can be employed.
陽イオンと共存する陰イオンとしては、臭化物イオンやトリフラート等のハロゲン系、テトラフェニルボレート等のホウ素系、ヘキサフルオロホスフェート等のリン系等を挙げることができる。 Examples of anions that coexist with cations include halogen-based ions such as bromide ions and triflates, boron-based ions such as tetraphenylborate, and phosphorus-based ions such as hexafluorophosphate.
イオン液体は不燃・不揮発であることから、非水系電解質としてイオン液体を採用した場合には、安全な二次電池を得ることができる。 Since ionic liquids are nonflammable and nonvolatile, safe secondary batteries can be obtained when ionic liquids are used as nonaqueous electrolytes.
有機電解液については、有機溶媒に電解質の塩、即ち、陽イオンと陰イオンの双方を溶解させた電解液と定義されている。 An organic electrolyte is defined as an electrolyte in which an electrolyte salt, that is, both cations and anions, are dissolved in an organic solvent.
当該有機溶媒としては、アセトニトリル、ジオキソラン、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、γ-ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等を挙げることができ、電解質塩としては、リチウムイオン等のアルカリ金属イオン、第4アルキルアンモニウム、カチオン及びハロゲンイオン、硫酸イオン、過塩素酸イオン等のアニオンを挙げることができる。 Examples of the organic solvent include acetonitrile, dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, propylene carbonate, ethylene carbonate, etc., and examples of the electrolyte salt include alkali metal ions such as lithium ions, Mention may be made of alkylammonium, cations and anions such as halogen ions, sulfate ions, perchlorate ions, and the like.
但し、有機電解液は、イオン液体に比し、不燃性及び不揮発性において劣るという傾向にある。 However, organic electrolytes tend to be inferior to ionic liquids in nonflammability and nonvolatility.
基本構成(1)及び(2)においては、正極1と負極2との間に非水系電解液を含侵したセパレータ3を採用している。セパレータは正極と負極の短絡を防止するため通常のリチウムイオン二次電池においても採用されている。
In the basic configurations (1) and (2), a
以下、実施例に即して説明する。 Hereinafter, description will be made based on examples.
実施例においては、正極1として30mm×40mm×20μm厚の銅による矩形板を採用し、負極2として30mm×40mm×20μm厚のアルミニウムによる矩形板を採用し、電解液にイミダゾリウム塩系イオン液体を採用し、35mm×35mm×200μm厚のガラスろ紙をセパレータとして採用した。
In the example, a rectangular copper plate measuring 30 mm x 40 mm x 20 μm thick is used as the
正極1及び負極2が向かい合う面積を30mm×30mmに設定し、上記各寸法による設計によって、セパレータ3を正極1及び負極2に挟んだ状態とした上で、外側を76mm×55mm×1.2mmのガラス板2枚で挟んで固定し、簡易評価セル状態の二次電池を作製した。
The area where the
25℃の環境温度の下に、電流10mA、終止電圧4.5Vとする条件による充電と、電流2mA、終止電圧1.5Vとする条件による放電とを繰り返すことによる充放電サイクル試験を行った。 A charge/discharge cycle test was conducted by repeating charging under the conditions of a current of 10 mA and a final voltage of 4.5 V and discharging under the conditions of a current of 2 mA and a final voltage of 1.5 V at an environmental temperature of 25°C.
前記充放電サイクル試験の状態を、図3の充放電曲線によって示す。 The state of the charge/discharge cycle test is shown by the charge/discharge curve in FIG. 3.
放電曲線においては、2.8V付近にプラトーによる電圧値、即ち比較的安定した状態の電圧値を観察できた。 In the discharge curve, a plateau voltage value near 2.8V, that is, a relatively stable voltage value could be observed.
このような観察結果によって、実施例に係る電池が単なる放電キャパシタではなく二次電池であることを確認することができる。
因みに、キャパシタの場合には、放電による電圧値は指数関数的に減衰し、前記のようなプラトーによる電圧値を実現することができない。
From such observation results, it can be confirmed that the battery according to the example is not a mere discharge capacitor but a secondary battery.
Incidentally, in the case of a capacitor, the voltage value due to discharge decays exponentially, making it impossible to realize the voltage value due to a plateau as described above.
更には、図3に示す充放電曲線からも明らかなように、前記簡易セル状態の二次電池の場合には、少なくとも10サイクルまで充放電可能であることを確認することができる。 Furthermore, as is clear from the charging and discharging curve shown in FIG. 3, it can be confirmed that the secondary battery in the simple cell state can be charged and discharged for at least 10 cycles.
このように、図3に示す充放電工程によって、本発明に係る二次電池の場合には、繰り返し充放電反応が可能であり、ひいては、レアメタルを必要としないことによって、製造コストが安価であり、しかもシンプルな製造工程による二次電池が実現可能であることが裏付けられている。 As described above, in the case of the secondary battery according to the present invention, repeated charging and discharging reactions are possible through the charging and discharging process shown in FIG. Moreover, it has been proven that a secondary battery can be realized using a simple manufacturing process.
前記実施例からも明らかなように、製造コストが安価であって、しかも構成がシンプルである本発明に係る二次電池は、充放電を、リチウムイオン電池と同程度の電流値及び電圧値によって実現可能である。 As is clear from the above examples, the secondary battery according to the present invention, which is inexpensive to manufacture and has a simple configuration, can be charged and discharged at the same current and voltage values as lithium ion batteries. It is possible.
その結果、本発明に係る二次電池は、各種携帯機器用の電源、電気自動車用の電源、再生可能エネルギーの電力標準化用の蓄電設備等広範な産業分野に利用することができる。 As a result, the secondary battery according to the present invention can be used in a wide range of industrial fields, such as power sources for various portable devices, power sources for electric vehicles, and power storage equipment for power standardization of renewable energy.
1 銅を素材とする正極
2 アルミニウムを素材とする負極
3 非水電解液を含侵したセパレータ
4 リチウムイオン電池における正極活物質
5 リチウムイオン電池における負極活物質
6 リチウムイオン電池におけるアルミニウムによる正極集電体
7 リチウムイオン電池における銅による負極集電体
1 Positive electrode made of
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