TWI527290B - 蓄電裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種蓄電裝置及其製造方法。
另外，蓄電裝置是指具有蓄電功能的所有元件以及裝置。
近年來，對鋰離子二次電池及鋰離子電容器等的蓄電裝置進行了開發。
另外，作為使用固體電解質的蓄電裝置，已對將在聚氧化乙烯中溶解有鋰鹽的離子導電性高的高分子化合物用於電解質進行了研討。
另外，為了提高離子導電性高的高分子化合物的離子導電性，提出了如下蓄電裝置：將由金屬氧化物形成的中孔體填料作為離子導電路徑設置在電極之間，且在中孔體填料之間填充離子導電性高的高分子化合物(例如，專利文獻1)。
[專利文獻1] 日本專利申請公開第2006-40853號公報
但是，雖然可以藉由將由金屬氧化物形成的中孔體填料作為離子導電路徑設置在電極之間而提高電解質的導電率，但是蓄電裝置的充放電容量依然沒有得到提高。
鑒於上述問題，本發明的一個方式的目的在於：提供在具有固體電解質的蓄電裝置中可以提高充放電容量的蓄電裝置及其製造方法。
本發明的一個方式是一種蓄電裝置，包括：正極；固體電解質；以及負極，其中電解質具有離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽，並且在電解質中，相對於高分子化合物與無機氧化物的總和，包含的無機氧化物的比率為高於30wt%且50wt%以下，更佳為33wt%以上50wt%以下。
另外，本發明的一個方式是一種蓄電裝置，包括：正極；固體電解質；以及負極，其中電解質具有離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽，並且包含在正極或負極中的活性物質層具有其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物作為黏合劑。另外，包含在正極或負極中的活性物質層也可以使用離子導電高分子化合物作為黏合劑。或者，也可以具有與包含在電解質中的離子導電高分子化合物相同的材料的離子導電高分子化合物作為黏合劑。
本發明的一個方式是一種蓄電裝置的製造方法，包括如下步驟：將離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽混合並在基板上塗敷該混合物而使它乾燥，以形成電解質，然後，從基板剝離該電解質，由正極和負極夾持剝離了的電解質，在比離子導電高分子化合物的軟化點高的溫度下在上述正極與負極之間進行一次充電及放電，以黏合電解質、第一活性物質層以及第二活性物質層。
作為離子導電高分子化合物的典型例子，有聚氧化烷烯。作為聚氧化烷烯的典型例子，有聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚氧化苯撐等。
作為包含在電解質中的無機氧化物，有選自氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氧化鋅、氧化鐵、氧化鈰、氧化鎂、氧化銻、氧化鍺、氧化鋰、氧化石墨、鈦酸鋇以及偏矽酸鋰中的一個或多個。
作為鹼金屬鹽的典型例子，有鋰鹽、鈉鹽等。作為鋰鹽的典型例子，有LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiSCN、LiN(CF3SO2)2(也稱為LiTFSI)、LiN(C2F5SO2)2(也稱為LiBETI)等。
根據本發明的一個方式，可以製造即使在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點低的溫度下充放電容量也高的蓄電裝置。
以下，參照圖式說明本發明的實施方式的一個例子。但是，本發明不侷限於以下說明，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在下述實施方式及實施例所記載的內容中。另外，當在說明中參照圖式時，有時在不同的圖式中也共同使用相同的圖式標記來表示相同的部分。另外，當表示相同的部分時有時使用同樣的陰影線，而不特別附加圖式標記。
在本實施方式中，說明本發明的一個方式的蓄電裝置及其製造方法。
以下，參照圖1說明本實施方式的蓄電裝置的一個方式。這裏，作為蓄電裝置，將對二次電池的剖面結構進行說明。
作為二次電池，使用含鋰金屬氧化物的鋰離子二次電池具有高容量和高安全性。這裏，對二次電池的典型例子的鋰離子二次電池的結構進行說明。
圖1是蓄電裝置100的剖面圖。
蓄電裝置100由負極101、正極111以及被負極101及正極111夾持的固體電解質(以下稱為電解質121)構成。另外，負極101也可以由負極集電器102及負極活性物質層103構成。正極111也可以由正極集電器112及正極活性物質層113構成。另外，電解質121與負極活性物質層103及正極活性物質層113接觸。
負極集電器102和正極集電器112分別與不同的外部端子連接。另外，負極101、電解質121以及正極111被未圖示的外封裝部件覆蓋。
另外，活性物質是指有關作為載子的離子的插入及脫離的物質，而不是包含使用葡萄糖等而得到的碳層等的物質。在利用後面說明的塗敷法製造正極及負極等電極時，將與被碳層覆蓋的活性物質一起混合的導電助劑、黏合劑或溶劑等其他材料的物質作為活性物質層形成在集電器上。由此區別“活性物質”與“活性物質層”。
首先，說明包含在本實施方式所示的蓄電裝置100中的電解質121。
電解質121包含離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽。另外，電解質121也可以具有多個離子導電高分子化合物。另外，電解質121也可以具有多個無機氧化物。另外，電解質121也可以具有多個鹼金屬鹽。
作為離子導電高分子化合物的典型例子，有分子量為1萬以上100萬以下的聚氧化烷烯。作為聚氧化烷烯的典型例子，有聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚氧化苯撐等。
作為無機氧化物，有氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氧化鋅、氧化鐵、氧化鈰、氧化鎂、氧化銻、氧化鍺、氧化鋰、氧化石墨、鈦酸鋇以及偏矽酸鋰等。
無機氧化物的粒子的直徑較佳為50nm以上10μm以下。
作為鹼金屬鹽，有鋰鹽、鈉鹽等。作為鋰鹽的典型例子，有LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiSCN、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2等。作為鈉鹽的典型例子，有NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaC(CF3SO2)3等。
在電解質中，離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽分別以15至65wt%、12至80wt%以及5至50wt%的比率且以整體成為100wt%的方式混合。另外，藉由在電解質中包含相對於離子導電高分子化合物與無機氧化物的總和的高於30wt%且50wt%以下，更佳為33wt%以上50wt%以下的無機氧化物，可以抑制包含在電解質中的離子導電高分子化合物的結晶化，從而使電解質的離子導電率得到提高。其結果，可動離子在正極與負極之間容易遷移，而可以提高充放電容量。另外，即使在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點低的溫度下，也可以得到高充放電容量。
接著，說明包含在本實施方式所示的蓄電裝置100中的負極101。
作為負極集電器102，可以使用銅、不鏽鋼、鐵、鎳等的具有高導電性的材料。作為負極集電器102，可以適當地使用箔狀、板狀、網狀等的形狀。
作為負極活性物質層103，使用能夠進行鋰離子的吸留及釋放的材料。典型地說，使用鋰、鋁、黑鉛、矽、錫以及鍺等。也可以分別使用單體的負極活性物質層103作為負極，而不使用負極集電器102。與黑鉛相比，鍺、矽、鋰、鋁的理論鋰吸留容量(theoretical lithium occlusion capacity)大。當吸留容量大時，即使面積小也可以充分進行充放電，並起到負極的作用，而可以實現成本的降低及二次電池的小型化。然而，由於矽等的體積因鋰吸留而增加到4倍左右，因此，需要注意材料本身易損壞的問題。
另外，也可以對負極活性物質層103進行鋰的預摻雜。作為鋰的預摻雜的方法，也可以利用濺射法在負極活性物質層103表面形成鋰層。或者，可以藉由在負極活性物質層103表面設置鋰箔，對負極活性物質層103進行鋰的預摻雜。
至於負極活性物質層103的厚度，選擇20μm以上100μm以下的所希望的厚度。
另外，負極活性物質層103也可以具有黏合劑和導電助劑。
作為黏合劑，有如下物質：澱粉、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、再生纖維素、二乙酸纖維素等多糖類；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer：乙烯丙烯二烴單體)、磺化EPDM橡膠、丁苯橡膠、聚丁橡膠、氟橡膠等乙烯聚合物；或聚氧化乙烯等聚醚等。
作為導電助劑，可以使用本身為電子導體且不會與蓄電裝置中的其他材料引起化學變化的材料。例如，可以使用：黑鉛、碳纖維、炭黑、乙炔黑、VGCF(註冊商標)等的碳類材料；銅、鎳、鋁或銀等的金屬材料；或上述物質的混合物的粉末、纖維等。導電助劑是指促進活性物質之間的導電性的物質，並是指填充在分開的活性物質之間且實現活性物質之間的導通的材料。
接著，說明包含在本實施方式所示的蓄電裝置100中的正極111。
作為正極集電器112，可以使用鉑、鋁、銅、鈦、不鏽鋼等導電性高的材料。作為正極集電器112，可以適當地使用箔狀、板狀、網狀等的形狀。
作為正極活性物質層113，可以使用如下材料：LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMn2PO4、Li1-x1Fey1M1-y1PO4(x1為0以上1以下)(M為Mn、Co以及Ni中的一種以上)(y1為0以上小於1)、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、V2O5、Cr2O5、MnO2等；以及其他材料。
至於正極活性物質層113的厚度，選擇20μm以上100μm以下的所希望的厚度。較佳的是，適當地調節正極活性物質層113的厚度，以避免裂紋和剝離的發生。
另外，與負極活性物質層103同樣，正極活性物質層113也可以具有黏合劑及導電助劑。作為黏合劑及導電助劑，可以適當地使用在負極活性物質層103中舉出的黏合劑及導電助劑。
在鋰離子二次電池中，記憶效應小，能量密度高且容量大。另外，輸出電壓高。由此，可以實現小型化及輕量化。另外，因重複充放電而導致的劣化少，因此可以長時間地使用而可以縮減成本。另外，在本實施方式中，因為電解質不但具有離子導電高分子化合物還具有無機氧化物，所以離子導電高分子化合物的結晶化被抑制，從而使電解質的離子導電率得到提高。其結果，可動離子在正極與負極之間容易遷移，而可以提高充放電容量。
接著，參照圖2及圖3說明本實施方式所示的蓄電裝置100的製造方法。
如圖2的製程S301所示，製造電解質、正極以及負極。
首先，參照圖3及圖4A至4D說明電解質的製造方法。
作為電解質的材料，分別稱量離子導電高分子化合物、無機氧化物以及鹼金屬鹽。另外，稱量溶劑。作為溶劑，可以使用脫水乙腈、乳酸酯或N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)等。
這裏，使用聚氧化乙烯作為離子導電高分子化合物，使用氧化矽、氧化鈦以及氧化鋁的混合物作為無機氧化物，並且使用LiTFSI作為鹼金屬鹽。另外，使用脫水乙腈作為溶劑。
接著，如圖3的製程S201所示，混合電解質的材料及溶劑，以形成混合溶液。
這裏，參照圖4A至4D說明在該製程中均勻地混合電解質的材料的一個方式。這裏，藉由使用對放入有材料的容器同時進行自轉及公轉的攪拌裝置，可以均勻地攪拌。
如圖4A所示，將放入有電解質的材料的容器251固定於攪拌裝置，邊使容器251進行自轉，邊使容器251進行右旋的公轉。圖4B、圖4C以及圖4D分別示出使容器251從圖4A的位置以90°、180°以及270°進行公轉的狀態。像這樣，藉由邊使容器251進行自轉邊使容器251進行公轉，可以均勻地混合材料，而在攪拌電解質的材料時不使空氣進入。這裏，雖然進行了右旋的公轉，但是也可以進行左旋的公轉。另外，可以適當地進行右旋或左旋的自轉。
接著，如圖3的製程S211所示，在基板上塗敷混合溶液。作為基板，可以適當地使用能夠耐受之後的乾燥製程的溫度的基板。作為基板的典型例子，有玻璃基板、薄片基板以及塑膠基板等。這裏，使用玻璃基板作為基板。另外，將基板固定於自動塗敷機，以將上述混合溶液塗敷在基板上。
接著，如圖3的製程S221所示，使塗敷在基板上的混合溶液乾燥。這裏，只要在溶劑蒸發的溫度下進行加熱，即可。這裏，在通風乾燥機中使溶劑蒸發並乾燥。結果，在基板上形成固體的電解質。
接著，如圖3的製程S231所示，從基板剝離電解質。藉由在電解質中混入無機氧化物，可以將電解質容易地從基板剝離。這裏，使用鑷子從基板剝離電解質。
之後，可以進一步進行乾燥處理。其結果，可以從電解質去除水分或溶劑等。
藉由上述製程，可以製造電解質。
接著，說明負極的製造方法。
藉由在負極集電器102上利用塗敷法、濺射法或蒸鍍法等形成負極活性物質層103，可以製造負極。或者，作為負極，可以使用箔狀、板狀或網狀的鋰、鋁、黑鉛以及矽。或者，可以使用進行了鋰的預摻雜的黑鉛。這裏，對黑鉛進行鋰的預摻雜而製造負極。
接著，說明正極的製造方法。
藉由在正極集電器112上利用塗敷法、濺射法或蒸鍍法等形成正極活性物質層113，可以製造正極。
接著，如圖2的製程S311所示，依次層疊正極、電解質以及負極，而由正極及負極夾持電解質，以製造蓄電單元。
接著，如製程S321所示，邊加熱蓄電單元，邊進行一次充電及放電。這裏，邊在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點高的溫度下進行加熱，邊進行一次充放電。藉由上述製程，可以製造蓄電裝置。
在本實施方式中製造的蓄電單元中，藉由邊在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點高的溫度下進行加熱邊進行一次充放電，使電解質、正極以及負極的黏合性得到提高。結果，可以降低電解質、正極以及負極的介面的電阻。另外，藉由對電解質混合相對於離子導電高分子化合物與無機氧化物的總和的高於30wt%且50wt%以下，更佳33wt%以上50wt%以下的無機氧化物，可以抑制包含在電解質中的離子導電高分子化合物的結晶化，從而使電解質的離子導電率得到提高。其結果，可動離子在正極與負極之間容易遷移，而可以提高充放電容量。另外，即使在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點低的溫度下，也可以得到高充放電容量。
本實施方式的特徵在於：為了得到高於實施方式1所示的蓄電裝置的充放電容量，在實施方式1所示的蓄電裝置中，利用塗敷法製造正極和負極中的一個以上，並使用其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物作為正極活性物質層和負極活性物質層中的一個以上的黏合劑。
在本實施方式中將說明的蓄電裝置由正極、電解質以及負極構成。電解質可以適當地使用實施方式1所示的電解質。
另外，構成負極的負極活性物質層具有成為活性物質的鋁、黑鉛、矽、錫、鍺等的粒子；導電助劑；以及黏合劑，作為黏合劑，使用其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物。
作為構成正極的正極活性物質層，具有成為活性物質層的LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMn2PO4、Li1-x1Fey1M1-y1PO4(x1為0以上1以下)(M為Mn、Co以及Ni中的一種以上)(y1為0以上小於1)、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、V2O5、Cr2O5或MnO2等；導電助劑；以及黏合劑。再者，作為黏合劑，使用其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物。
作為其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物，使用丁苯共聚物。
另外，作為黏合劑，也可以使用其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的離子導電高分子化合物代替其軟化點為包含在電解質中的高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物。在此情況下，包含在電解質中的離子導電高分子化合物和包含在正極活性物質層中的黏合劑既可都是同一離子導電高分子化合物，又可彼此不同。
另外，在本實施方式中，只要在正極活性物質層和負極活性物質層中的至少一個中使用其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物，即可。
接著，參照圖2說明本實施方式所示的蓄電裝置的製造方法。
如圖2的製程S301所示，製造電解質、正極以及負極。可以與實施方式1同樣製造電解質。
接著，說明負極及正極的製造方法。
首先，說明本實施方式所示的負極的製造方法。
將負極活性物質、導電助劑、黏合劑以及溶劑混合。另外，作為黏合劑，可以適當地使用本實施方式所述的其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物。
將負極活性物質、導電助劑及黏合劑分別以80至96wt%、2至10wt%及2至10wt%的比率混合，並且使整體成為100wt%。並且，將其體積與活性物質、導電助劑及黏合劑的混合物的體積大致相同的有機溶劑混合到混合物中，形成漿料。以以下方式適當地調節活性物質、導電助劑與黏合劑的比率：例如當之後形成的活性物質層的活性物質和導電助劑的黏合性低時，增加黏合劑的量，而當活性物質的電阻高時，增加導電助劑的量。
接著，在負極集電器上利用澆鑄法或塗敷法等將漿料塗敷並擴展到薄層，並利用輥壓機使漿料進一步延伸，以得到均勻的厚度，然後進行真空乾燥(10Pa以下)或加熱乾燥(150至280℃)，來在負極集電器上形成負極活性物質層。
另外，至於正極，與負極同樣，將正極活性物質層、導電助劑、黏合劑以及溶劑加入並混合，以形成漿料，然後將該漿料塗敷在正極集電器上並使它乾燥，來在正極集電器上形成正極活性物質層。另外，作為黏合劑，可以適當地使用本實施方式所述的其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物。
接著，如圖2的製程S311所示，依次層疊正極、電解質以及負極，而由正極及負極夾持電解質。
接著，如製程S321所示，邊加熱蓄電單元，邊進行一次充電及放電。這裏，在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點高的溫度下進行加熱。藉由上述製程，可以製造蓄電單元。
在本實施方式中製造的蓄電單元中，藉由邊在比包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點高的溫度下進行加熱邊進行一次充放電，使電解質、正極以及負極的黏合性得到提高。這裏，因為正極和負極中的一個以上作為黏合劑包含其軟化點為包含在電解質中的離子導電高分子化合物的軟化點以下的高分子化合物，所以當邊在比高分子化合物的軟化點高的溫度下進行加熱邊進行一次充放電時，包含在正極和負極之一中的黏合劑和包含在電解質中的離子導電高分子化合物熔合，從而與實施方式1相比，正極和負極之一與電解質的黏合性得到提高。其結果，可以降低電解質、正極以及負極的介面的電阻。另外，藉由混合相對於離子導電高分子化合物與無機氧化物的總和的30wt%至50wt%(不包括30wt%)，更佳33wt%以上50wt%以下的無機氧化物，可以抑制包含在電解質中的離子導電高分子化合物的結晶化，從而使電解質的離子導電率得到提高。其結果，可動離子在正極與負極之間容易遷移，而可以提高充放電容量。
在本實施方式中，使用圖5A和圖5B對在實施方式1及實施方式2中說明的蓄電裝置的應用方式進行說明。
可以將實施方式1及實施方式2所示的蓄電裝置用於數位相機、數碼攝像機等影像拍攝裝置、數碼相框、行動電話機(也稱為行動電話、手機)、可攜式遊戲機、移動資訊終端、聲音再現裝置等的電子裝置。另外，還可以將實施方式1及實施方式2所示的蓄電裝置用於電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車、電動輪椅等的電力牽引車輛。在此，對電力牽引車輛的例子進行說明。
圖5A示出電力牽引車輛中之一種的四輪汽車500的結構。汽車500是電動汽車或混合動力汽車。在此，示出汽車500的底部設置有蓄電裝置502的例子。為了明確顯示汽車500中的蓄電裝置502的位置，圖5B示出只表示出輪廓的汽車500以及設置在汽車500的底部的蓄電裝置502。可以將在實施方式1及實施方式2中說明的蓄電裝置用於蓄電裝置502。藉由利用插件技術或無線供電系統從外部供給電力來可以給蓄電裝置502充電。
在本實施方式中，使用圖6及圖7的方塊圖對將根據本發明的一個方式的蓄電裝置的一個例子的二次電池用於無線供電系統(以下也稱為RF供電系統)時的一個例子進行說明。注意，雖然在各個方塊圖中根據功能將受電裝置及供電裝置內的構成要素分類並作為彼此獨立的方塊圖而示出，但是實際上難以根據功能將構成要素完全分類，一個構成要素有時與多個功能有關。
首先，使用圖6對RF供電系統進行說明。
受電裝置600是利用從供電裝置700供給的電力而驅動的電子裝置或電力牽引車輛，但是也可以適當地應用於其他利用電力驅動的設備。作為電子裝置的典型例子，有數位相機、數碼攝像機等影像拍攝裝置、數碼相框、行動電話機、可攜式遊戲機、移動資訊終端、聲音再現裝置、顯示裝置、電腦等。另外，作為電力牽引車輛的典型例子，有電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車、電動輪椅等。另外，供電裝置700具有向受電裝置600供給電力的功能。
在圖6中，受電裝置600具有受電裝置部601和電源負載部610。受電裝置部601至少具有受電裝置用天線電路602、信號處理電路603、二次電池604。另外，供電裝置700至少具有供電裝置用天線電路701和信號處理電路702。
受電裝置用天線電路602具有接收供電裝置用天線電路701所發送的信號或對供電裝置用天線電路701發送信號的功能。信號處理電路603具有處理受電裝置用天線電路602所接收的信號，並控制二次電池604的充電以及從二次電池604供給到電源負載部610的電力的功能。另外，信號處理電路603具有控制受電裝置用天線電路602的工作的功能。這樣，可以控制從受電裝置用天線電路602發送的信號的強度、頻率等。電源負載部610是從二次電池604接收電力並驅動受電裝置600的驅動部。作為電源負載部610的典型例子有電動機、驅動電路等，但是可以適當地使用其他的接收電力來驅動受電裝置600的裝置。另外，供電裝置用天線電路701具有對受電裝置用天線電路602發送信號或接收來自受電裝置用天線電路602的信號的功能。信號處理電路702具有處理供電裝置用天線電路701所接收的信號的功能。另外，信號處理電路702具有控制供電裝置用天線電路701的工作的功能。這樣，可以控制從供電裝置用天線電路701發送的信號的強度、頻率等。
根據本發明的一個方式的二次電池被用作在圖6說明的RF供電系統中的受電裝置600所具有的二次電池604。
藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統，與現有的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量(也稱為蓄電量)。因此，可以延長無線供電的時間間隔(即，可以省去多次供電的步驟)。
另外，藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統，如果該二次電池的用來驅動電源負載部610的放電容量或充電容量與現有的二次電池相同，則可以實現受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。
接著，使用圖7對RF供電系統的其他例子進行說明。
在圖7中，受電裝置600具有受電裝置部601和電源負載部610。受電裝置部601至少具有受電裝置用天線電路602、信號處理電路603、二次電池604、整流電路605、調變電路606、電源電路607。另外，供電裝置700至少具有供電裝置用天線電路701、信號處理電路702、整流電路703、調變電路704、解調變電路705、振盪電路706。
受電裝置用天線電路602具有接收供電裝置用天線電路701所發送的信號或對供電裝置用天線電路701發送信號的功能。當接收供電裝置用天線電路701所發送的信號時，整流電路605具有利用受電裝置用天線電路602所接收的信號生成直流電壓的功能。信號處理電路603具有處理受電裝置用天線電路602所接收的信號，並控制二次電池604的充電以及從二次電池604供給到電源電路607的電力的功能。電源電路607具有將二次電池604所儲蓄的電壓轉換為電源負載部610所需的電壓的功能。當從受電裝置600將回應發送到供電裝置700時使用調變電路606。
藉由具有電源電路607，可以控制供給到電源負載部610的電力。由此，可以降低施加到電源負載部610的過電壓，從而可以降低受電裝置600的劣化或損壞。
另外，藉由具有調變電路606，可以從受電裝置600對供電裝置700發送信號。由此，可以判斷受電裝置600的充電量，當進行了一定量的充電時從受電裝置600對供電裝置700發送信號，而停止從供電裝置700對受電裝置600供電。其結果，藉由不對二次電池604進行100%的充電，可以增加二次電池604的充電次數。
另外，供電裝置用天線電路701具有對受電裝置用天線電路602發送信號或從受電裝置用天線電路602接收信號的功能。當對受電裝置用天線電路602發送信號時，信號處理電路702具有生成發送到受電裝置的信號的功能。振盪電路706具有生成一定頻率的信號的功能。調變電路704具有根據信號處理電路702所生成的信號和振盪電路706所生成的一定頻率的信號對供電裝置用天線電路701施加電壓的功能。由此，從供電裝置用天線電路701輸出信號。另一方面，當從受電裝置用天線電路602接收信號時，整流電路703具有對所接收的信號進行整流的功能。解調變電路705具有從由整流電路703進行了整流的信號抽出受電裝置600對供電裝置700發送的信號的功能。信號處理電路702具有對由解調變電路705抽出的信號進行分析的功能。
另外，只要能夠進行RF供電，就可以在各電路之間設置任何電路。例如，也可以在受電裝置600接收信號且在整流電路605中生成直流電壓之後利用設置在後級的DC-DC轉換器或調整器等的電路生成恆壓。由此，可以抑制受電裝置600內部被施加過電壓。
根據本發明的一個方式的二次電池被用作圖7所說明的RF供電系統中的受電裝置600所具有的二次電池604。
藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統，與現有的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量(也稱為蓄電量)。因此，可以延長無線供電的時間間隔(即，可以省去多次供電的步驟)。
另外，藉由將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統，如果該二次電池的用來驅動電源負載部610的放電容量或充電容量與現有的二次電池相同，則可以實現受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。
另外，當將根據本發明的一個方式的二次電池用於RF供電系統並將受電裝置用天線電路602和二次電池604重疊時，較佳不使如下狀態發生，該狀態就是：因二次電池604的充放電而導致二次電池604的形狀變化；並且由於該變形導致的天線變形而使受電裝置用天線電路602的阻抗發生變化。這是因為如果天線的阻抗發生變化則有可能不能實現充分的電力供給。例如，將二次電池604裝在金屬或陶瓷的電池組即可。另外，此時較佳受電裝置用天線電路602和電池組離開幾十μm以上。
另外，在本實施方式中，對充電用信號的頻率沒有特別的限制，只要是能夠傳送電力的頻率，就可以是任何帶域的頻率。充電用信號的頻率例如可以是135kHz的LF帶(長波)、13.56MHz的HF帶(短波)、900MHz至1GHz的UHF帶(極超短波)、2.45GHz的微波帶。
另外，作為信號的傳送方式，有電磁耦合方式、電磁感應方式、共振方式、微波方式等的各種種類，適當地選擇即可。然而，為了抑制雨、泥等的含水的異物所引起的能量損失，較佳使用電磁感應方式、共振方式，這些方式利用了頻率低的頻帶，明確而言，短波的3MHz至30MHz、中波的300kHz至3MHz、長波的30kHz至300kHz及超長波的3kHz至30kHz的頻率。
本實施方式可以與上述實施方式組合而實施。
在本實施例中，參照圖8A和8B說明電解質中的無機氧化物的添加的有無和蓄電裝置的充放電特性的關係。
首先，作為蓄電裝置，說明鋰離子二次電池的製造製程及結構。
作為電解質1至6的材料，稱量表1所示重量的聚氧化乙烯(以下稱為PEO，軟化點為65至67℃)；LiTFSI；以及包含SiO2、Li2O以及Al2O3中的一種以上的無機氧化物。這裏，以使包含在PEO中的氧原子和包含在LiTFSI中的鋰離子的比例成為20：1的方式分別決定各重量。接著，在PEO、LiTFSI以及無機氧化物的混合物的每一個中作為溶劑混合15ml的脫水乙腈，以形成混合溶液。
接著，在自動塗敷機中設置玻璃基板，然後在玻璃基板上分別塗敷混合溶液。此時的混合溶液的厚度為300μm。
接著，在室溫下的通風乾燥機中設置上述基板，並對混合溶液進行自然乾燥，以形成電解質1至6。表1示出相對於包含在電解質1至6中的PEO與無機氧化物的總和的無機氧化物的重量比；以及相對於電解質的無機氧化物的重量比。
接著，從玻璃基板剝離電解質1至6，然後在由兩個氟樹脂片夾持電解質的狀態下在真空乾燥機中以80℃加熱3小時，以使電解質1至6中的溶劑乾燥。藉由上述製程，製造具有PEO、LiTFSI以及無機氧化物的電解質。
稱量1g的PEO以及0.1724g的LiPF6。接著，藉由與上述電解質1至6同樣的製程，形成具有PEO及LiPF6的對比電解質。
作為活性物質層的材料，混合79.4g的LiFePO4、14.8g的乙炔黑、5g的PEO以及0.8g的LiPF6，以形成漿料。
接著，在作為集電器的鋁箔上塗敷漿料，然後利用真空乾燥及加熱乾燥形成活性物質層。藉由上述製程，在集電器上形成具有活性物質層的正極。
這裏，作為負極，準備了鋰箔。
接著，描述本實施例的二次電池的製造製程。
藉由用正極及負極夾持上述電解質1至6中的任何一個或對比電解質來形成二次電池。
接著，測定二次電池的充電及放電特性。圖8A和8B示出此時的電特性。
圖8A示出具有電解質1的二次電池(以下稱為二次電池1)在50℃或40℃的溫度下進行充放電時；以及具有電解質2的二次電池(以下稱為二次電池2)在30℃的溫度下進行充放電時的容量及電壓的關係。另外，這裏，示出每個二次電池的進行兩次充放電之後的第三次充放電的測定結果。
如圖8A所示，二次電池1在50℃的溫度下進行充放電時的放電容量為187mAh/g，其超過正極(LiFePO4)的理論放電容量的170mAh/g。另外，二次電池1在40℃的溫度下進行充放電時的放電容量為133mAh/g，而二次電池2在30℃的溫度下進行充放電時的放電容量為92mAh/g。
另一方面，圖8B示出使用對比電解質的對比二次電池的充電及放電特性。圖8B分別示出對比二次電池在50℃或55℃的溫度下進行充放電時的容量及電壓的關係。
在55℃的溫度下進行充放電時的放電容量為76mAh/g，而在50℃的溫度下進行充放電時的放電容量為17mAh/g。
藉由對圖8A和圖8B進行比較可知：藉由對電解質添加相對於PEO與無機氧化物的總和的33wt%或50wt%的無機氧化物(這裏，氧化矽)，即使在包含在電解質中的離子導電高分子化合物的PEO的軟化點以下的50℃的溫度下進行充放電，充放電容量也急劇增加。另外，雖然未圖示，但是在30℃及40℃的溫度下進行充放電時也能得到較高的充放電容量。由此可知：藉由對電解質添加無機氧化物，即使在比離子導電高分子化合物的軟化點低的溫度下也可以使二次電池的充放電容量接近理論容量。
接著，測定具有電解質3的二次電池(以下稱為二次電池3)的充電及放電特性。圖9示出此時的電特性。這裏，示出在將二次電池3在50℃的溫度下放置1小時之後，進行一次室溫下的充放電，以黏合各電極的活性物質層及電解質，接著進一步進行兩次室溫下的充放電，然後進行第四次的室溫下的充放電時的測定結果。
如圖9所示，二次電池3在室溫下進行充放電時的放電容量為51mAh/g。
由圖9可知：藉由對電解質添加相對於PEO與無機氧化物的總和的44wt%的無機氧化物(這裏，氧化矽)，即使在室溫下進行充放電，也可以得到充放電容量。
接著，測定具有電解質4的二次電池(以下稱為二次電池4)的充電及放電特性。圖10示出此時的電特性。這裏，進行與二次電池3同樣的處理，並示出進行第四次的室溫下的充放電時的測定結果。
如圖10所示，對二次電池4進行室溫下的充放電時的二次電池4的放電容量為55mAh/g。
由圖10可知：藉由對電解質添加相對於PEO與無機氧化物的總和的33wt%的無機氧化物(這裏，氧化鋰)，即使在室溫下進行充放電，也可以得到充放電容量。
接著，測定具有電解質5的二次電池(以下稱為二次電池5)的充電及放電特性。圖11示出此時的電特性。這裏，進行與二次電池3同樣的處理，並示出進行第四次的室溫下的充放電時的測定結果。
如圖11所示，對二次電池5進行室溫下的充放電時的二次電池5的放電容量為43mAh/g。
由圖11可知：藉由對電解質添加相對於PEO與無機氧化物的總和的50wt%的無機氧化物(這裏，氧化矽、氧化鋰以及氧化鋁)，即使在室溫下進行充放電，也可以得到充放電容量。
接著，測定具有電解質6的二次電池(以下稱為二次電池6)的充電及放電特性。圖12示出此時的電特性。這裏，進行與二次電池3同樣的處理，並示出進行第四次的室溫下的充放電時的測定結果。
如圖12所示，對二次電池6進行室溫下的充放電時的二次電池6的放電容量為53mAh/g。
由圖12可知：藉由對電解質添加相對於PEO與無機氧化物的總和的33wt%的無機氧化物(這裏，氧化矽、氧化鋰以及氧化鋁)，即使在室溫下進行充放電，也可以得到充放電容量。
就是說，具有包含相對於離子導電高分子化合物與無機氧化物的總和的33wt%以上且50wt%以下的無機氧化物的電解質的二次電池即使在低於離子導電高分子化合物的軟化點的溫度下也可以得到充放電容量，再者即使在室溫下也可以進行充放電。
在本實施例中，參照圖13A至13D說明電解質中的無機氧化物的添加的有無與正極及負極和電解質的介面的電阻的關係。
首先，以下說明二次電池的製造方法。
作為電解質的材料，稱量1g的PEO、0.1724g的LiPF6以及1g的氧化矽，然後利用與實施例1同樣的製造方法形成電解質。然後，用與實施例1同樣的正極及負極夾持上述電解質，製造電池單元。
接著，在將電池單元的溫度保持為70℃的狀態下，進行一次充放電，以製造二次電池。
接著，以下示出對比二次電池的製造方法。
作為對比電解質的材料，稱量從上述電解質的材料中去除了氧化矽的1g的PEO以及0.1724g的LiPF6。接著，藉由利用與實施例1同樣的製造方法，形成對比電解質。接著用與實施例1同樣的正極及負極夾持上述對比電解質，製造對比電池單元。
接著，在將電池單元的溫度保持為70℃的狀態下，進行一次充放電，以製造對比二次電池。
接著，在將二次電池及對比二次電池的溫度分別保持為40℃、50℃、60℃或70℃的狀態下，測定各個二次電池的阻抗。這裏，使用由日本北斗電工株式會社製造的電化學測定系統HZ-5000進行恆電位交流阻抗測定。此時，採用如下測定條件：起始頻率為20kHz；AC(交流)振幅為10mV；終止頻率為100mHz；測定時間為1小時；採樣間隔為10秒。
圖13A示出40℃的溫度下的測定結果，圖13B示出50℃的溫度下的測定結果，圖13C示出60℃的溫度下的測定結果，並且圖13D示出70℃的溫度下的測定結果。另外，在各圖表中，三角形表示二次電池的阻抗Z，而菱形表示對比二次電池的阻抗Z。另外，橫軸表示阻抗Z的實部，而縱軸表示阻抗Z的虛部。
根據圖13A至13D可知：與對比二次電池相比，二次電池的阻抗Z的虛部下降。尤其是，如圖13A及13B所示，在40℃或50℃的比PEO的軟化點低的溫度下，阻抗Z的實部大幅度下降。
由此可知：藉由將無機氧化物添加到電解質，可以使電解質和正極及負極的介面的電阻下降。另外，藉由在比離子導電高分子化合物的PEO的軟化點高的溫度下進行一次充放電，可以使電解質和正極及負極的介面的電阻下降。
100．．．蓄電裝置
101．．．負極
102．．．負極集電器
103．．．負極活性物質層
111．．．正極
112．．．正極集電器
113．．．正極活性物質層
121．．．電解質
500．．．汽車
502．．．蓄電裝置
600．．．受電裝置
601．．．受電裝置部
602．．．受電裝置用天線電路
603．．．信號處理電路
604．．．二次電池
605．．．整流電路
606．．．調變電路
607．．．電源電路
610．．．電源負載部
700．．．供電裝置
701．．．供電裝置用天線電路
702．．．信號處理電路
703．．．整流電路
704．．．調變電路
705．．．解調變電路
706．．．振盪電路
在圖式中：
圖1是用來說明蓄電裝置的剖面圖；
圖2是用來說明蓄電裝置的製造方法的圖；
圖3是用來說明蓄電裝置的電解質的製造方法的圖；
圖4A至4D是用來說明蓄電裝置的電解質的製造方法的圖；
圖5A和5B是蓄電裝置的應用方式的透視圖；
圖6是示出無線供電系統的結構的例子的圖；
圖7是示出無線供電系統的結構的例子的圖；
圖8A和8B是用來說明二次電池的充放電特性的圖；
圖9是用來說明二次電池的充放電特性的圖；
圖10是用來說明二次電池的充放電特性的圖；
圖11是用來說明二次電池的充放電特性的圖；
圖12是用來說明二次電池的充放電特性的圖；
圖13A至13D是用來說明二次電池的阻抗的圖。
100．．．蓄電裝置
101．．．負極
102．．．負極集電器
103．．．負極活性物質層
111．．．正極
112．．．正極集電器
113．．．正極活性物質層
121．．．電解質
Claims (10)
- 一種蓄電裝置，包括：正極；負極；以及該正極與該負極之間的電解質，其中，該電解質包含離子導電高分子化合物、無機氧化物、以及鋰鹽，以及其中，該無機氧化物是氧化鋰，且相對於該離子導電高分子化合物與該無機氧化物的總和，包含在該電解質中的該無機氧化物高於30wt%且50wt%以下。
- 根據申請專利範圍第1項之蓄電裝置，其中該離子導電高分子化合物為選自聚氧化乙烯和聚氧化丙烯所構成的群組中的一種。
- 根據申請專利範圍第1項之蓄電裝置，其中該鋰鹽為選自由LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiSCN、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiClO4、以及其組合所構成的群組。
- 根據申請專利範圍第1項之蓄電裝置，其中該正極和該負極中的至少一個包括在集電器上的活性物質層，以及其中該活性物質層包含該離子導電高分子化合物。
- 一種蓄電裝置的製造方法，包括如下步驟：混合離子導電高分子化合物、無機氧化物、以及鋰鹽，以形成漿料； 以該漿料塗敷基板；使該漿料乾燥，以形成電解質；從該基板分離該電解質；以及將該電解質夾在正極與負極之間，其中，該無機氧化物是氧化鋰，且相對於該離子導電高分子化合物與該無機氧化物的總和，包含在該電解質中的該無機氧化物為高於30wt%且50wt%以下。
- 一種蓄電裝置的製造方法，包括如下步驟：混合離子導電高分子化合物、無機氧化物、以及鋰鹽，以形成漿料；使該漿料乾燥，以形成電解質；使該電解質與正極和負極中的一方黏合，以形成蓄電單元；以及在比該離子導電高分子化合物的軟化溫度高的溫度下，使該蓄電單元進行充電及放電。
- 根據申請專利範圍第5或6項之蓄電裝置的製造方法，其中該正極和該負極中的至少一方在集電器上包括活性物質層。
- 根據申請專利範圍第5或6項之蓄電裝置的製造方法，其中該離子導電高分子化合物為選自由聚氧化乙烯和聚氧化丙烯所構成的群組中的一種。
- 根據申請專利範圍第6項之蓄電裝置的製造方法，其中該無機氧化物為選自由氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氧化鋅、氧化鐵、氧化鈰、氧化鎂、氧化銻、氧化 鍺、氧化鋰、氧化石墨、鈦酸鋇、偏矽酸鋰、以及其組合所構成的群組。
- 根據申請專利範圍第5或6項之蓄電裝置的製造方法，其中該鋰鹽為選自由LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiSCN、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiClO4、以及其組合所構成的群組。
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