JPWO2019009017A1 - 金属電池用負極構造体およびそれを用いた金属電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記スペーサは、格子状、柱状および梯子状からなる群から選択される形状を有してもよい。
前記スペーサは、20μm以上1010μm以下の範囲の高さを有してもよい。
前記スペーサは、30μm以上500μm以下の範囲の高さを有してもよい。
前記スペーサは、50μm以上300μm以下の範囲の高さを有してもよい。
前記スペーサは、Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2、SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、Si3N4、AlNおよびAlOxN1−x(0<x<1)からなる群から選択される無機材料で形成されてもよい。
前記スペーサは、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂およびポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂からなる群から選択される有機材料で形成されてもよい。
前記ポリオレフィン系樹脂は、ポリエチレンおよび/またはポリプロピレンであってもよい。
前記ポリエステル系樹脂は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、および、ポリトリブチレンテレフタレート(PTT)からなる群から選択されてもよい。
前記スペーサは、絶縁性高分子でコートされていてもよい。
前記絶縁性高分子は、ポリエチレンオキサイド(PEO)であってもよい。
前記スペーサは、前記集電体の表面積のうち0.2%以上10%以下の面積と接触していてもよい。
前記金属層は、酸素を通過しない酸素バリア膜でコートされていてもよい。
前記酸素バリア膜は、ポリエチレンオキサイド(PEO)であってもよい。
前記空間には電解液が充填されていてもよい。
前記電解液は、アルカリ金属塩、および/または、アルカリ土類金属塩を含有する、水系または非水系電解液であってもよい。
前記セパレータは、合成樹脂またはセラミックからなる多孔質膜、ガラス繊維および不織布からなる群から選択されてもよい。
前記負極構造体は、前記空間に連通し、電解液を溜める液溜部をさらに備えてもよい。
前記集電体は、板状の形状を有し、前記金属層は、前記板状の集電体の両面に付与されていてもよい。
本発明による正極構造体と負極構造体とが交互に積層された金属電池は、前記負極構造体が上述の負極構造体であり、これにより上記課題を解決する。
前記正極構造体は、集電体と、前記集電体に接合された正極材とを備え、前記集電体または前記正極材に、一方の側面から対向する側面に連通するガス流路用の溝または孔を有してもよい。
実施の形態1では、本発明の金属電池用負極構造体およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の金属電池用負極構造体を示す模式図である。
図3は、別の例示的なスペーサを示す模式図である。
図4は、別の例示的なスペーサを示す模式図である。
例えば、リチウム塩を含有する水系電解液の場合、LiOH、LiCl、LiNO3、Li2SO4等を含有するものが挙げられる。水系電解液において、溶媒としては、水または水溶性の溶媒を用いることができる。当業者であれば、他の金属塩および水系電解液の組合せについても適宜採用することができる。
まず、集電体110を用意し、物理的気相成長法、化学的気相成長法、金属の溶湯塗布、ラミネート加工などによって金属層130を表面に被覆する。次に、金属層130上にスペーサ120を押し込むことで、集電体110上にスペーサ120を配置する。スペーサ120は、これを構成する材料を所望の形状にカットし、それを格子状、梯子状あるいは柱状に組み合わせて形成してもよい。また、前述の手順とは逆に、集電体110上に先にスペーサ120を配置し、金属溶湯塗布、物理的気相成長法や化学的気相成長法により金属層130を形成してもよい。この場合には、上述のカットした部材の組み合わせ以外にも、半導体におけるリソグラフィ技術、スプレー型の塗工機、3Dプリンタを使ってスペーサ120を形成することができる。
このようにして本発明の負極構造体100が得られる。得られた負極構造体100は、電池の構築前に上述の電解液に浸漬され、毛細管現象より、金属層130とスペーサ120とセパレータ140とで囲まれた空間150に電解液が充填される。
実施の形態2では、実施の形態1で説明した本発明の負極構造体を用いた金属電池について説明する。
実施例1では、スペーサを用いたコインセル(図6)を製造した。
図6は、実施例1によるコインセルを示す模式図である。
比較例2では、スペーサを用いないコインセル(図8)を製造した。
図8は、比較例2によるコインセルを示す模式図である。
実施例1と同様に、比較例2によるコインセル800を用いて、充放電を行い、充放電後のリチウム金属の表面を観察した。結果を図9に示す。
実施例3では、格子状の形状を有するスペーサを用いた負極構造体を製造した。
図10は、実施例3による負極構造体を示す模式図である。
実施例4では、柱状の形状を有するスペーサを用いた負極構造体を製造した。
図11は、実施例4による負極構造体を示す模式図である。
実施例5では、柱状の形状を有するスペーサを用い、液溜部を備えた負極構造体を製造した。
図12は、実施例5による負極構造体を示す模式図である。
110、520、635 集電体
120、210、310、410、650 スペーサ
130 金属層
140、660 セパレータ
150、670 空間
160、1230 液溜部
500 空気電池
510、620、1250 正極構造体
530 正極材
600、800 コインセル
630 コインセル型拘束具
640 リチウム金属
680 金属メッシュ
690 ケッチェンブラック(登録商標)
1210 型枠
1220 フィルム
1260 過酸化リチウム
Claims (20)
- 集電体と、
前記集電体表面に被覆され、アルカリ金属、および/または、アルカリ土類金属を含有する金属層と、
前記集電体上に配置され、前記金属層の厚さよりも大きな高さを有するスペーサと、
前記スペーサを介して、前記金属層を覆うセパレータと
を備え、前記金属層と前記スペーサと前記セパレータとで囲まれた空間を有する、金属電池用負極構造体。 - 前記スペーサは、格子状、柱状および梯子状からなる群から選択される形状を有する、請求項1に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、20μm以上1010μm以下の範囲の高さを有する、請求項1又は2に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、30μm以上500μm以下の範囲の高さを有する、請求項3に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、50μm以上300μm以下の範囲の高さを有する、請求項4に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2、SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、Si3N4、AlNおよびAlOxN1−x(0<x<1)からなる群から選択される無機材料で形成される、請求項1〜5のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂およびポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂からなる群から選択される有機材料で形成される、請求項1〜5のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記ポリオレフィン系樹脂は、ポリエチレンおよび/またはポリプロピレンである、請求項7に記載の負極構造体。
- 前記ポリエステル系樹脂は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、および、ポリトリブチレンテレフタレート(PTT)からなる群から選択される、請求項7に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、絶縁性高分子でコートされている、請求項1〜9のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記絶縁性高分子は、ポリエチレンオキサイド(PEO)である、請求項10に記載の負極構造体。
- 前記スペーサは、前記集電体の表面積のうち0.2%以上10%以下の面積と接触している、請求項1〜11のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記金属層は、酸素を通過しない酸素バリア膜でコートされている、請求項1〜12のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記空間には電解液が充填されている、請求項1〜13のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記電解液は、アルカリ金属塩、および/または、アルカリ土類金属塩を含有する、水系または非水系電解液である、請求項14に記載の負極構造体。
- 前記セパレータは、合成樹脂またはセラミックからなる多孔質膜、ガラス繊維および不織布からなる群から選択される、請求項1〜15のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記空間に連通し、電解液を溜める液溜部をさらに備える、請求項1〜16のいずれかに記載の負極構造体。
- 前記集電体は、板状の形状を有し、前記金属層は、前記板状の集電体の両面に付与されている、請求項1〜17のいずれかに記載の負極構造体。
- 正極構造体と負極構造体とが交互に積層された金属電池であって、
前記負極構造体は、請求項1〜18に記載の負極構造体である、金属電池。 - 前記正極構造体は、集電体と、前記集電体に接合された正極材とを備え、
前記集電体または前記正極材に、一方の側面から対向する側面に連通するガス流路用の溝または孔を有する、請求項19に記載の金属電池。
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