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二次電池 UPDATE

国内特許コード P180015232
整理番号 1870
掲載日 2018年8月28日
出願番号 特願2017-001386
公開番号 特開2018-113108
出願日 平成29年1月6日(2017.1.6)
公開日 平成30年7月19日(2018.7.19)
発明者
  • 野田 優
出願人
  • 学校法人早稲田大学
発明の名称 二次電池 UPDATE
発明の概要 【課題】充放電の際に電池全体の安定性を維持でき、容量密度の高い二次電池を提供する。
【解決手段】放電時または充電時に膨張または収縮して体積が変化する正極20と、前記正極20とは逆に体積が変化する負極30とがセパレータ12を介して設けられた電極構造体10を備え、前記正極20および前記負極30は、膨張時の体積を収縮時の体積で割った値である体積比が1.1以上であり、前記正極20または前記負極30は、前記体積比が1.9以上であり、前記放電時における前記正極20と前記負極30との合計体積、および前記充電時における前記正極20の体積と前記負極30の体積との合計体積のうち、大きい値で小さい値を割った値である合計体積比が1.2以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、高エネルギー密度二次電池の開発が活発に行われているが、エネルギーシステムを本格的に支えるには、更なる高容化と低コスト化が要求される。リチウムイオン二次電池は、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO2)等のリチウム遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質に黒鉛(C)等の炭素材料を用い、活物質の結晶構造の隙間にリチウムイオン(Li)を挿入・脱離することにより、正極・負極ともに体積変化が小さく、安定な充放電が実現されている。しかしながら、リチウム遷移金属複合酸化物および炭素材料は、保持できるリチウムイオンに対する質量や体積が大きく、さらなる高容量密度化は困難である。



そこで、活物質に、硫黄、シリコン、スズ等の、リチウムと反応して化合物を形成する材料を用いた、高容量電池の研究が進められている。硫黄やシリコンからなる活物質を用いた場合には、活物質に対して反応するリチウムイオンの量が多いため、高容量密度が実現できる一方、充放電時の体積変化が大きい。体積変化は、電池や電極の構造の劣化の原因となる。体積変化を抑制するために、活物質をシェル材料で覆うなどの複合化技術が研究されているが、追加材料により、電極の質量や体積が増加してしまう。また、活物質が膨張できる空隙を電極内に予め設けることで、電極の体積変化を抑える技術も研究されているが、電極体積あたりの容量密度が低下してしまう。電極の体積変化を抑制しつつ、電池容量密度を増加させることは難しい。



リチウムイオン二次電池において、正極に用いる導電材の凝集を防止し、正極活物質の導通を確実なものとするとともに、容量密度を大きくし、高出力における容量密度の低下を抑制するために、カーボンナノチューブ(以下、CNTと称する)を導電材として用いた正極が提案されている(例えば、特許文献1)。



しかしながら、充放電時における正極および負極それぞれの体積変化に起因した電池全体の劣化を抑制でき、しかも高容量密度の二次電池は未だ得られていない。

産業上の利用分野


本発明は、二次電池に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
放電時または充電時に膨張または収縮して体積が変化する正極と、前記正極とは逆に体積が変化する負極とがセパレータを介して設けられた電極構造体を備え、
前記正極および前記負極は、膨張時の体積を収縮時の体積で割った値である体積比が1.1以上であり、
前記正極または前記負極は、前記体積比が1.9以上であり、
前記放電時における前記正極と前記負極との合計体積、および前記充電時における前記正極の体積と前記負極の体積との合計体積のうち、大きい値で小さい値を割った値である合計体積比が1.2以下である
ことを特徴とする二次電池。

【請求項2】
前記正極は、カーボンナノチューブのスポンジ状構造体からなる第1の三次元集電体と、前記第1の三次元集電体の内部に包含された正極活物質とを備え、
前記負極は、カーボンナノチューブのスポンジ状構造体からなる第2の三次元集電体と、前記第2の三次元集電体の内部に包含された負極活物質とを備える
ことを特徴とする請求項1記載の二次電池。

【請求項3】
前記正極および前記負極は、空隙率が5%以上80%未満であることを特徴とする請求項1または2記載の二次電池。

【請求項4】
前記正極および前記負極は、金属箔を含まないことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項記載の二次電池。

【請求項5】
前記二次電池はリチウム二次電池であり、前記正極または前記負極はLiを含み、前記Liの質量は、前記二次電池の5%以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項記載の二次電池。

【請求項6】
前記正極はSを含み、前記Sの質量は、前記二次電池の12%以上であることを特徴とする請求項5記載の二次電池。

【請求項7】
前記負極はSiを含み、前記Siの質量は、前記二次電池の6%以上であることを特徴とする請求項5または6記載の二次電池。

【請求項8】
質量容量密度が400Wh/kg以上であり、体積容量密度が700Wh/L以上であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項記載の二次電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2017001386thum.jpg
出願権利状態 公開
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