電池的制作方法
【專利說明】電池 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電池。更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及能夠適當(dāng)?shù)赜糜陔娮悠餍祷蚱嚨仁?用電池的各種用途的電池。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近來，在對環(huán)境問題的關(guān)心提高的背景下，在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中進行了從石油或煤 炭轉(zhuǎn)換為電氣的能源轉(zhuǎn)換，不僅在移動電話、筆記本電腦等電子器械領(lǐng)域，而且在以汽車、 航空器等領(lǐng)域為代表的各種領(lǐng)域中均顯示出電池、電容器等蓄電裝置的使用變得廣泛。在 這樣的背景下，對于在這些蓄電裝置中使用的材料，人們進行了活躍的研宄開發(fā)。
[0003] 在這樣的蓄電裝置中，目前普及最廣泛的是鋰離子電池，其作為移動電話、筆記本 電腦的電池等進行使用。但是，鋰離子電池的充放電容量還不能說充分，因而要求開發(fā)出充 放電容量更大的新型電池，近年來，理論容量大于鋰離子電池的鋰空氣電池引起了人們的 注意。關(guān)于鋰空氣電池，有人報告了使用有機系電解質(zhì)的方式（參見非專利文獻1)。
[0004] 【現(xiàn)有技術(shù)文獻】
[0005]【非專利文獻】
[0006] 非專利文獻1:小久見善八編著，《革新型蓄電池?玄<〇〉（革新型蓄電池匯總）、 工業(yè)調(diào)查會、2010年、59-61頁 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007] 【發(fā)明所要解決的課題】
[0008] 但是，鋰空氣電池盡管具有較大的理論能量密度，但在實際的電池中，僅能實現(xiàn)比 該理論能量密度小得多的能量密度。其主要原因在于，正極的放電生成物（Li 202或Li20)會 堵住多孔性正極（空氣電極）的氣孔，妨礙氧的供給。生成物所致的氣孔閉塞在充電時會 妨礙所生成的氧向外界的放出，還顯示出了難以充分充電這樣的妨礙效果。并且，在鋰空氣 電池這樣的金屬空氣電池還具有可靠性及處理上的困難。其原因在于，由于使用了外界與 氧發(fā)生交換的空氣電極，因而從機理上來說無法進行密封。
[0009] 本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)狀而進行的，其目的在于提供一種具有高理論電壓、理論容 量且能夠反復(fù)進行充放電的電池。
[0010] 【解決課題的手段】
[0011] 本發(fā)明人對于具有高理論電壓、理論容量、能夠反復(fù)進行充放電的電池進行了各 種研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用特定的堿金屬化合物作為電池的正極活性物質(zhì)、使用堿金屬作為 負(fù)極活性物質(zhì)時，隨著充放電，在正極堿金屬在A 20與A202 (A為堿金屬原子）之間發(fā)生變化， 能夠利用該反應(yīng)來構(gòu)成電池。該電池的理論容量大幅大于鋰離子電池，并且能夠進行不借 助于氧分子的充放電，因而能夠?qū)㈦姵孛芊?，還不會發(fā)生上述鋰空氣電池之類的空氣（氧） 的供給妨礙的問題。進而，由于即使不使用稀有金屬作為構(gòu)成電池的材料也能夠構(gòu)成電池， 因而從成本方面、環(huán)境適合性方面來看也是有利的。需要說明的是，在負(fù)極活性物質(zhì)為含有 選自由堿金屬、錫、鈦、硼、氮、硅以及碳組成的組中的至少一種而構(gòu)成的物質(zhì)時，也能夠發(fā) 揮出同樣的效果。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)新型電池具有這樣的各種特征，從而完成了本發(fā)明。
[0012] 即，本發(fā)明涉及一種電池，其為通過包含正極、負(fù)極以及電解質(zhì)而構(gòu)成的電池，其 特征在于，
[0013] 該正極含有正極活性物質(zhì)，該正極活性物質(zhì)包含下式（1)所表示的堿金屬化合物 而成，
[0014] AxOy ⑴
[0015] (式中，A表示堿金屬原子。x= 0? 5~2. 5、y= 0? 5~2. 5);該負(fù)極含有負(fù)極活 性物質(zhì)，該負(fù)極活性物質(zhì)包含選自由堿金屬、錫、鈦、硼、氮、硅以及碳組成的組中的至少一 種而成；該電池中，正極、負(fù)極以及電解質(zhì)被密封。
[0016] 以下詳述本發(fā)明。
[0017] 需要說明的是，將2個以上的下述記載的本發(fā)明的各優(yōu)選方式組合而成的方式也 是本發(fā)明的優(yōu)選方式。
[0018] 本發(fā)明的電池通過包含正極、負(fù)極以及電解質(zhì)而構(gòu)成，該正極含有正極活性物質(zhì)， 該正極活性物質(zhì)包含下式（1)所表示的堿金屬化合物而成，
[0019] AxOy ⑴
[0020] (式中，A表示堿金屬原子。x= 0? 5~2. 5、y= 0? 5~2. 5);該負(fù)極含有負(fù)極活 性物質(zhì)，該負(fù)極活性物質(zhì)包含選自由堿金屬、錫、鈦、硼、氮、硅以及碳組成的組中的至少一 種而成；該電池中，正極、負(fù)極以及電解質(zhì)被密封。
[0021] 本發(fā)明的電池中，通過使用含有包含特定堿金屬化合物而成的正極活性物質(zhì)的特 定正極，能夠進行不借助于氧分子的充放電，能夠?qū)㈦姵刂械碾姵貑卧ㄆ?P)密封，并且 成本低、環(huán)境適合性高，可制成能夠發(fā)揮出高電池性能的電池。
[0022] 需要說明的是，在本發(fā)明中，正極、負(fù)極以及電解質(zhì)被密封是指，除去在向電池外 部放電或向電池中充電時與外部連接的正極、負(fù)極的一部分，正極、負(fù)極的殘留部分以及電 解質(zhì)處于不與外氣接觸的狀態(tài)。
[0023] 此外，本發(fā)明的電池中，在各電極處的反應(yīng)以及將它們合在一起的整體反應(yīng)包括 如下所示的反應(yīng)（A表示堿金屬原子）。需要說明的是，在各反應(yīng)式中，均是從左側(cè)到右側(cè)的 反應(yīng)為放電反應(yīng)、反方向的反應(yīng)為充電反應(yīng)。
[0024] 負(fù)極上的反應(yīng)：A〇A++e- (I)
[0025] 正極上的反應(yīng)：A202+2A-+2c-<>2A20 (II)
[0026] 整體的反應(yīng)：A+1/2A202<>A20 (III)
[0027] 將這樣的正極、負(fù)極上的反應(yīng)組合的電池迄今為止尚不為人所知，本發(fā)明的電池 為基于這樣的新原理的電池。
[0028] 需要說明的是，作為A的堿金屬，例如在使用鋰的情況下，上述各反應(yīng)可以如下來 表不。
[0029] 負(fù)極上的反應(yīng)：Li< >Lr+c___
[0030] 正極上的反應(yīng)：Li202+2L「+2e-〈 >2Li20
[0031] 整體的反應(yīng)：Li+l/2Li202<>Li2〇
[0032] 本發(fā)明的電池中的正極含有包含下式（1)所表示的堿金屬化合物而成的正極活 性物質(zhì)，
[0033] AxOy (1)
[0034](式中，A表示堿金屬原子。x =0?5~2. 5、y =0?5~2. 5)。
[0035] 作為式（1)中的六的堿金屬原子，可以舉出1^、似、1(、詘、〇8、？1'。從理論容量的 方面考慮，優(yōu)選Li、Na、K，更優(yōu)選Li、Na，進一步優(yōu)選Li。
[0036] 式⑴中，優(yōu)選x=1或2,并且優(yōu)選y=1或2。
[0037] 作為上述堿金屬化合物，更優(yōu)選堿金屬氧化物（A20;即x = 2、y = 1)、堿金屬過氧 化物（八202;即x = 2、y = 2)、堿金屬超氧化物仏02;即x = 1、y = 2)，進一步優(yōu)選堿金屬 氧化物、堿金屬過氧化物。
[0038] 上述堿金屬化合物可以使用1種、也可以使用2種以上。
[0039] 本發(fā)明的電池中所用的正極活性物質(zhì)只要含有上述堿金屬化合物，也可以進一步 含有上述堿金屬化合物以外的其它化合物。
[0040] 上述正極通過包含集電體與活性物質(zhì)層而構(gòu)成，該活性物質(zhì)層中，相對于活性物 質(zhì)層的質(zhì)量，優(yōu)選含有0. 1質(zhì)量％以上的上述式（1)所表示的堿金屬化合物。
[0041] 從理論容量的方面考慮，上述式（1)所表示的堿金屬化合物的含量更優(yōu)選為1質(zhì) 量％以上、進一步優(yōu)選為3質(zhì)量％以上、特別優(yōu)選為5質(zhì)量％以上。并且，作為其上限沒有 特別限定，從電傳導(dǎo)性的方面考慮，優(yōu)選為99. 99質(zhì)量％以下、更優(yōu)選為99. 9質(zhì)量％以下。
[0042] 需要說明的是，在本說明書中，關(guān)于活性物質(zhì)層的質(zhì)量，在正極（或負(fù)極）由集電 體和活性物質(zhì)層構(gòu)成的情況下，其是指除去集電體的正極（或負(fù)極）整體的質(zhì)量。
[0043] 在上述正極活性物質(zhì)中，在完全充電時，相對于正極活性物質(zhì)層的質(zhì)量（100質(zhì) 量％ )，下式（2)所表示的堿金屬過氧化物優(yōu)選含有1質(zhì)量％以上，
[0044] A202 (2)
[0045](式中，A表示堿金屬原子）。通過以這樣的比例含有，上述反應(yīng)式（II)的反應(yīng)為 本發(fā)明電池的正極反應(yīng)的主反應(yīng)（正極反應(yīng)整體的50 %以上），本發(fā)明的電池能夠更充分 地發(fā)揮出上述優(yōu)點。
[0046] 上述式（2)所表示的堿金屬過氧化物相對于正極的活性物質(zhì)層的質(zhì)量的比例更 優(yōu)選為1質(zhì)量％~99. 999質(zhì)量％、進一步優(yōu)選為20質(zhì)量％~99. 9質(zhì)量％。
[0047] 作為上述式（2)中的A的堿金屬原子，可以舉出與上述式（1)中的A的堿金屬原 子的例不相同的堿金屬原子。
[0048] 此外，在本發(fā)明的電池中，在完全充電時，相對于正極所含有的下式（2)所表示的 堿金屬過氧化物，負(fù)極所含有的堿金屬的摩爾比優(yōu)選為100以下，
[0049] A202 (2)
[0050](式中，A表不堿金屬原子）。
[0051] 在本發(fā)明的電池中，在充電反應(yīng)時，在負(fù)極、正極分別發(fā)生上述反應(yīng)式（I)、（II) 的從右側(cè)到左側(cè)的反應(yīng)，在完全充電時，負(fù)極活性物質(zhì)全部從堿金屬離子變成堿金屬，正極 活性物質(zhì)成為上述式（2)所表示的A 202。如上所述，本發(fā)明的電池還可以使用堿金屬化合 物以外的其它化合物作為正極活性物質(zhì)，但優(yōu)選上述反應(yīng)式（II)所表示的反應(yīng)在正極反 應(yīng)整體中為主反應(yīng)（正極反應(yīng)整體的50 %以上），優(yōu)選在完全充電時的正極中以特定比例 含有A202。從而，負(fù)極所含有的堿金屬相對于完全充電時的上述式（2)所表示的堿金屬過 氧化物的摩爾比、即（A/A202)優(yōu)選為100以下。通過使（A/A20 2)為這樣的值，本發(fā)明電池的 上述各種特性更為優(yōu)異。需要說明的是，此處所說的"負(fù)極所含有的堿金屬"是指參與充放 電的堿金屬。即，其是指從完全充電時的負(fù)極所含有的堿金屬中扣除完全放電時的負(fù)極所 含有的堿金屬后的含義。
[0052] 含有包含上述堿金屬化合物而成的正極活性物質(zhì)的正極以及含有包含選自由堿 金屬、錫、鈦、硼、氮、硅以及碳組成的組中的至少一種而成的負(fù)極活性物質(zhì)的負(fù)極可以適合 地用作一次電池和二次電池的正極和負(fù)極。
[0053] 此外，由于使用堿金屬化合物作為正極活性物質(zhì)，使用選自由堿金屬、錫、鈦、硼、 氮、硅以及碳組成的組中的至少一種作為負(fù)極活性物質(zhì)，因而本發(fā)明的電池能夠在不使用 稀有金屬的情況下來構(gòu)成，能夠以低成本進行制造，在元素戰(zhàn)略性方面也是有利的電池。
[0054] 在使用上述堿金屬化合物作為正極、使用上述堿金屬作為負(fù)極來構(gòu)成電池時