負極活物質析出コントロール式電解液流通型２次電池
【課題】 負極活物質に充電時にデンドライトを生成しやすい金属を使用した場合でも、デンドライトの生成を防止するための２次電池の構造を実現すること。
【解決手段】 図１に示すような、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変とした負極構造を持ち、充電時に電流値が閾値を超えた場合には、３、４の間隔を狭め、そうでない場合には拡げることによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲で析出コントロールする負極活物質析出コントロール式電解液流通型２次電池。
【解決手段】 図１に示すような、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変とした負極構造を持ち、充電時に電流値が閾値を超えた場合には、３、４の間隔を狭め、そうでない場合には拡げることによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲で析出コントロールする負極活物質析出コントロール式電解液流通型２次電池。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】
この発明は、負極活物質に充電時にデンドライト（樹枝状晶）を生成しやすい金属（たとえば、リチウム、亜鉛等）を使用する２次電池において、充電時の析出コントロールによりデンドライト生成を防止する電解液流通型２次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次電池の負極活物質に充電時にデンドライトを生成しやすい金属を使用した場合、充電時に生成したデンドライトが最悪の場合にセパレータを貫通し正極に達することによるショート発生の問題があり、放電時にはデンドライトが電極から離脱することによる容量の減少や、リチウムのような表面にイオン伝導性の膜が生成する負極活物質の場合には、電気的に孤立する（いわゆる死んだリチウムの発生）という問題があった。
【本発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、負極活物質に充電時にデンドライトを生成しやすい金属を使用した場合でも、デンドライトの生成を防止できる２次電池を実現することを課題として研究を進めた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明を実現する手段を図１〜５について説明すれば、図１は負極構造の原理を示したもので、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変としたものである。図２は負極構造の実施例を示す断面図で、導電板Ａ５、導電板Ｂ６（ともに図１の構造体３に相当）で非導電性の弾性膜７（図１の非導電性の弾性構造体４に相当）を挟み込み、間にできる空間Ａ８、空間Ｂ９を可変とした構造であり、図１の原理的な構造を２つ合わせた機能を有している。図３は図２に示される負極構造を支持体１０で複数重ねて積層構造にした例を表している。
図４は電解液流通回路の一例を示したもので、負極構造中の空間Ａ８と空間Ｂ９に交互に液圧が掛かるようにポンプ１３と切換弁１１が設けてあり、負極構造からの戻り回路の途中には放電時に生成する可能性がある負極活物質の砕片を捕らえる導電性フィルタ１２が設けられている。
【作用】
【０００５】
本発明における、負極活物質の充電時におけるデンドライトの生成を防止する充電方法を図２および図５について説明すると、空間Ａ８について充電中の電流値が閾値を超えた場合には、導電板Ａ５に非導電性の弾性膜７を密着させ（空間Ｂ９に液圧を加える）、そうでない場合には、弾性膜７を開放する（空間Ａ７に液圧を加える）ことによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲でコントロールするものである。すなわち表面の凹凸レベルが非常に少なく平滑な状態では弾性膜７を開放し（僅かな量でも可）凹凸レベルが増えるのを許容しつつ充電を行い、凹凸レベルがデンドライト生成に至る前に弾性膜７を密着させて、凹と弾性膜７の間部分に残された電解液中のイオンを積極的に還元析出させることで、凹凸レベルを平滑方向に向かわせるものである。いわば、ブロックを積み上げるがごとく析出コントロールを行ない、デンドライト生成を防止しながら充電を行うものである。
なお、上記のペアとなる空間Ｂ９と導電板Ｂ６の側については、弾性膜７の密着と開放が時間的に逆になるだけで、充電方法としては同等である。
また、導電性フィルターによって捕らえられた負極活物質の砕片は、積極的な充電動作により表面のイオン伝導性の膜をからイオンを金属に還元することで、再放電可能な状態への移行が可能となる。
【効果】
【０００６】
上記のように本発明によれば、負極活物質に充電時にデンドライトの生成を起こしやすい金属を使用した場合でも、デンドライトの生成を防止できるため、単位重量あたりの電池容量が極めて大きな２次電池を構成することが可能であり、とくに負極活物質にリチウム金属を用いた場合は、現状のリチウムイオン２次電池をはるかに凌駕することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の負極構造の原理図である。
【図２】 同じく負極構造の実施例を示す断面図である。
【図３】 同じく負極の積層構造を示す断面図である。
【図４】 同じく電解液流通回路の一例を示す回路図である。
【図５】 同じく充電方法の概念を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 三次元曲面
２ 導電性を与えた部分
３ 構造体
４ 弾性構造体
５ 導電板Ａ
６ 導電板Ｂ
７ 非導電性の弾性膜
８ 空間Ａ
９ 空間Ｂ
１０ 支持体
１１ 切換弁
１２ 導電性フィルタ
１３ ポンプ
１４ リリーフ弁
１５ ストレーナ
１６ タンク
１７ 正極構造
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】
この発明は、負極活物質に充電時にデンドライト（樹枝状晶）を生成しやすい金属（たとえば、リチウム、亜鉛等）を使用する２次電池において、充電時の析出コントロールによりデンドライト生成を防止する電解液流通型２次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次電池の負極活物質に充電時にデンドライトを生成しやすい金属を使用した場合、充電時に生成したデンドライトが最悪の場合にセパレータを貫通し正極に達することによるショート発生の問題があり、放電時にはデンドライトが電極から離脱することによる容量の減少や、リチウムのような表面にイオン伝導性の膜が生成する負極活物質の場合には、電気的に孤立する（いわゆる死んだリチウムの発生）という問題があった。
【本発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、負極活物質に充電時にデンドライトを生成しやすい金属を使用した場合でも、デンドライトの生成を防止できる２次電池を実現することを課題として研究を進めた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明を実現する手段を図１〜５について説明すれば、図１は負極構造の原理を示したもので、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変としたものである。図２は負極構造の実施例を示す断面図で、導電板Ａ５、導電板Ｂ６（ともに図１の構造体３に相当）で非導電性の弾性膜７（図１の非導電性の弾性構造体４に相当）を挟み込み、間にできる空間Ａ８、空間Ｂ９を可変とした構造であり、図１の原理的な構造を２つ合わせた機能を有している。図３は図２に示される負極構造を支持体１０で複数重ねて積層構造にした例を表している。
図４は電解液流通回路の一例を示したもので、負極構造中の空間Ａ８と空間Ｂ９に交互に液圧が掛かるようにポンプ１３と切換弁１１が設けてあり、負極構造からの戻り回路の途中には放電時に生成する可能性がある負極活物質の砕片を捕らえる導電性フィルタ１２が設けられている。
【作用】
【０００５】
本発明における、負極活物質の充電時におけるデンドライトの生成を防止する充電方法を図２および図５について説明すると、空間Ａ８について充電中の電流値が閾値を超えた場合には、導電板Ａ５に非導電性の弾性膜７を密着させ（空間Ｂ９に液圧を加える）、そうでない場合には、弾性膜７を開放する（空間Ａ７に液圧を加える）ことによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲でコントロールするものである。すなわち表面の凹凸レベルが非常に少なく平滑な状態では弾性膜７を開放し（僅かな量でも可）凹凸レベルが増えるのを許容しつつ充電を行い、凹凸レベルがデンドライト生成に至る前に弾性膜７を密着させて、凹と弾性膜７の間部分に残された電解液中のイオンを積極的に還元析出させることで、凹凸レベルを平滑方向に向かわせるものである。いわば、ブロックを積み上げるがごとく析出コントロールを行ない、デンドライト生成を防止しながら充電を行うものである。
なお、上記のペアとなる空間Ｂ９と導電板Ｂ６の側については、弾性膜７の密着と開放が時間的に逆になるだけで、充電方法としては同等である。
また、導電性フィルターによって捕らえられた負極活物質の砕片は、積極的な充電動作により表面のイオン伝導性の膜をからイオンを金属に還元することで、再放電可能な状態への移行が可能となる。
【効果】
【０００６】
上記のように本発明によれば、負極活物質に充電時にデンドライトの生成を起こしやすい金属を使用した場合でも、デンドライトの生成を防止できるため、単位重量あたりの電池容量が極めて大きな２次電池を構成することが可能であり、とくに負極活物質にリチウム金属を用いた場合は、現状のリチウムイオン２次電池をはるかに凌駕することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の負極構造の原理図である。
【図２】 同じく負極構造の実施例を示す断面図である。
【図３】 同じく負極の積層構造を示す断面図である。
【図４】 同じく電解液流通回路の一例を示す回路図である。
【図５】 同じく充電方法の概念を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 三次元曲面
２ 導電性を与えた部分
３ 構造体
４ 弾性構造体
５ 導電板Ａ
６ 導電板Ｂ
７ 非導電性の弾性膜
８ 空間Ａ
９ 空間Ｂ
１０ 支持体
１１ 切換弁
１２ 導電性フィルタ
１３ ポンプ
１４ リリーフ弁
１５ ストレーナ
１６ タンク
１７ 正極構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
図１に示すような、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変とした負極構造を持ち、充電時に電流値が閾値を超えた場合には、３、４の間隔を狭め、そうでない場合には拡げることによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲で析出コントロールする負極活物質析出コントロール式電解液流通型２次電池。
【請求項１】
図１に示すような、構造体３は、それが有する三次元曲面１の上に任意の面積で導電性を与えた部分２を形成しており、三次元曲面１に対向する位置に非導電性の弾性構造体４を配し、３、４の間隔を任意に可変とした負極構造を持ち、充電時に電流値が閾値を超えた場合には、３、４の間隔を狭め、そうでない場合には拡げることによって、閾値の適切な調整を含めて、充電時の負極活物質の表面の凹凸レベルをデンドライト生成に至らない範囲で析出コントロールする負極活物質析出コントロール式電解液流通型２次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−８０４１７（Ｐ２０１０−８０４１７Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７２５０２（Ｐ２００８−２７２５０２）
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（５９５１１５０８６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（５９５１１５０８６）
【Ｆターム（参考）】
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