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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-30
(54)【発明の名称】再充電可能な電池セル
(51)【国際特許分類】
H01M 10/0563 20100101AFI20220623BHJP
H01M 4/58 20100101ALI20220623BHJP
H01M 4/136 20100101ALI20220623BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20220623BHJP
H01M 4/80 20060101ALI20220623BHJP
H01M 4/62 20060101ALI20220623BHJP
H01M 4/133 20100101ALI20220623BHJP
H01M 10/0568 20100101ALI20220623BHJP
H01M 10/0585 20100101ALI20220623BHJP
H01M 10/0525 20100101ALI20220623BHJP
【ＦＩ】
H01M10/0563
H01M4/58
H01M4/136
H01M4/13
H01M4/80 C
H01M4/62 Z
H01M4/133
H01M10/0568
H01M10/0585
H01M10/0525
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021564387
(86)(22)【出願日】2020-04-07
(85)【翻訳文提出日】2021-12-27
(86)【国際出願番号】 EP2020059913
(87)【国際公開番号】W WO2020221564
(87)【国際公開日】2020-11-05
(31)【優先権主張番号】19171866.7
(32)【優先日】2019-04-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521380247
【氏名又は名称】インノリス・テクノロジー・アー・ゲー
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＮＯＬＩＴＨ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】ＨＩＲＺＢＯＤＥＮＷＥＧ ９５， ４０５２ ＢＡＳＥＬ， ＳＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】ツィンク，ローラン
(72)【発明者】
【氏名】プスツォッラ，クリスチアン
【テーマコード（参考）】
5H017
5H029
5H050
【Ｆターム（参考）】
5H017AA03
5H017CC28
5H017EE01
5H017HH05
5H029AJ01
5H029AJ02
5H029AJ05
5H029AJ14
5H029AK01
5H029AL01
5H029AL02
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL11
5H029AL12
5H029AM01
5H029AM07
5H029BJ13
5H029DJ04
5H029DJ07
5H029DJ08
5H029DJ12
5H029DJ13
5H029EJ01
5H029EJ12
5H029HJ01
5H029HJ02
5H029HJ04
5H029HJ07
5H029HJ09
5H029HJ12
5H029HJ17
5H050AA01
5H050AA02
5H050AA03
5H050AA04
5H050AA07
5H050AA19
5H050BA15
5H050BA16
5H050BA17
5H050CA01
5H050CB01
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB11
5H050CB12
5H050DA04
5H050DA11
5H050DA19
5H050EA10
5H050EA23
5H050EA24
5H050EA28
5H050FA04
5H050FA13
5H050HA01
5H050HA02
5H050HA04
5H050HA07
5H050HA10
5H050HA12
5H050HA17
(57)【要約】
本発明は、ハウジング（１）、少なくとも１つの正極（４）、少なくとも１つの負極（５）、および少なくとも１つの導電性塩を含む電解質を有する再充電可能な電池セルに関し、前記電解質がＳＯ２をベースとし、かつ前記正極が、組成ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）の活物質を含む再充電可能な電池セルであって、Ａが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表の１２族の金属、またはアルミニウム、好ましくはナトリウム、カルシウム、亜鉛、特に好ましくはリチウムであり、Ｍ’が、元素のチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、Ｍ”が、周期表の２、３、４、５、６、１０、１１、１２、１３、１４、１５、および１６族の金属からなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、Ｘが、元素のリンとケイ素からなる群から選択され、ｘが０より大きく、ｙが０より大きく、ｚが０以上であり、ｎが０より大きく、ならびにｍがｎ以下である再充電可能な電池セルに関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハウジング（１）、少なくとも１つの正極（４）、少なくとも１つの負極（５）、および少なくとも１つの導電性塩を含む電解質を有する再充電可能な電池セルであって、前記電解質がＳＯ２をベースとし、かつ、
前記正極が、組成ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）の活物質を含む再充電可能な電池セルにおいて、
Ａが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表の１２族の金属、またはアルミニウム、好ましくはナトリウム、カルシウム、亜鉛、特に好ましくはリチウムであり、
Ｍ’が、元素のチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、
Ｍ”が、周期表の２、３、４、５、６、１０、１１、１２、１３、１４、１５、および１６族の金属からなる群から選択される少なくとも１つの金属であり、
Ｘが、元素のリンとケイ素からなる群から選択され、
ｘが０より大きく、
ｙが０より大きく、
ｚが０以上であり、
ｎが０より大きく、ならびに、
ｍがｎ以下である、再充電可能な電池セル。
【請求項2】
ｍが、少なくとも０．００１の値、好ましくは少なくとも０．００５の値、さらに好ましくは少なくとも０．０１の値、さらに好ましくは少なくとも０．０５の値、および特に好ましくは少なくとも０．１の値を取ることを特徴とする、請求項１に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項3】
前記活物質ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）のＡが金属のリチウムであり、Ｘが元素のリンであり、かつＭ’が金属の鉄であることを特徴とする、請求項１または２に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項4】
前記正極（４）の厚さが、少なくとも０．２５ｍｍ、好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、および特に好ましくは少なくとも０．６ｍｍであることを特徴とする、請求項１～３のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項5】
前記正極（４）が、その面積に基づいて、少なくとも３０ｍｇ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも４０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも６０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも８０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも１００ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも１２０ｍｇ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１４０ｍｇ／ｃｍ２の活物質を含むことを特徴とする、請求項１～４のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項6】
許容電流が、前記正極（４）の面積に基づいて、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも５０ｍＡ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項１～５のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項7】
前記正極（４）および／または前記負極（５）が多孔質であり、前記正極の空隙率が、好ましくは多くとも５０％、さらに好ましくは多くとも４５％、さらに好ましくは多くとも４０％、さらに好ましくは多くとも３５％、さらに好ましくは多くとも３０％、さらに好ましくは多くとも２０％、および特に好ましくは多くとも１０％であることを特徴とする、請求項１～６のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項8】
前記正極（４）および／または前記負極（５）が、特に金属発泡体の形態で三次元多孔質金属構造を有する集電体を有し、前記多孔質金属構造が、好ましくは、実質的に前記正極（４）および／または前記負極（５）の厚さ全体にわたって延在することを特徴とする、請求項１～７のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項9】
前記正極（４）および／または前記負極（５）の前記活物質が、前記多孔質金属構造中に実質的に均一に分散していることを特徴とする、請求項８に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項10】
前記正極（４）および／または前記負極（５）が、バインダー、好ましくはフッ素化バインダー、特にポリフッ化ビニリデン、ならびに／もしくはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデンのターポリマー、または、共役カルボン酸のモノマー構造単位、もしくはこの共役カルボン酸のアルカリ塩、アルカリ土類塩、もしくはアンモニウム塩、もしくはこれらの組み合わせから構成されるポリマーからなるバインダー、または、
スチレンおよびブタジエンのモノマー構造単位をベースとするポリマーからなるバインダー、または、
カルボキシアルキルセルロース類の群からのバインダーを含み、
前記バインダーが、前記電極の総重量に基づいて、多くとも２０重量％、さらに好ましくは多くとも１５重量％、さらに好ましくは多くとも１０重量％、さらに好ましくは多くとも７重量％、さらに好ましくは多くとも５％、および特に好ましくは多くとも２重量％の濃度で存在することを特徴とする、請求項１～９のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項11】
前記負極（５）が、活物質として炭素、特に黒鉛化した炭素を含むことを特徴とする、請求項１～１０のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項12】
前記負極（５）の厚さが、少なくとも０．２ｍｍ、好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、および特に好ましくは少なくとも０．６ｍｍであることを特徴とする、請求項１～１１のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項13】
前記負極（５）の前記活物質の量が、その面積に基づいて、少なくとも１０ｍｇ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも２０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも４０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも６０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも８０ｍｇ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１００ｍｇ／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項14】
前記二酸化硫黄をベースとする電解質が、導電性塩１モル当たり、少なくとも１．５モルのＳＯ２、２モルのＳＯ２、好ましくは少なくとも２．５モルのＳＯ２、さらに好ましくは少なくとも３モルのＳＯ２、および特に好ましくは少なくとも４モルのＳＯ２を含有することを特徴とする、請求項１～１３のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項15】
前記導電性塩が、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のアルミン酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、ヒ酸塩、もしくは没食子酸塩、好ましくはリチウムテトラハロゲンアルミネート、特に好ましくはリチウムテトラクロロアルミネートであることを特徴とする、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【請求項16】
前記再充電可能な電池セルが、前記ハウジング（１）内に交互に積み重ねられて配置されている複数の負極（５）および複数の正極（４）を含み、各正極（４）が被覆に覆われていることを特徴とする、請求項１～１５のうちいずれか一項に記載の再充電可能な電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ハウジング、少なくとも１つの正極、少なくとも１つの負極、および少なくとも１つの導電性塩を含む電解質を有する再充電可能な電池セルに関する。
【背景技術】
【0002】
再充電可能な電池セルは、多くの技術分野で非常に重要である。こうした電池セルはしばしば、比較的わずかの電流強度しか必要でない用途に、例えば携帯電話の運用において使用される。それに加え、大電流用途向けの電池セルに対する需要も大きく、この場合、エネルギーの大量貯蔵がとりわけ重要となる。
【0003】
このような再充電可能な電池セルで重要な要件となるのが、高いエネルギー密度である。つまり、再充電可能な電池セルが、単位重量および単位体積当たり、できるだけ多くの電気エネルギーを内蔵することである。これには、活性金属であるリチウムが特に有利であることがわかっている。再充電可能な電池セルの活性金属とされるのは、再充電可能な電池セルの充放電時に、電解質内で負極または正極に移動し、そこで直接的または間接的に外部回路に電子を放出、または外部回路から電子を受け取るという電気化学的プロセスに関与するイオンを有する金属である。このため、実用において再充電可能な電池セルは、ほぼリチウムイオンセルのみである。リチウムイオンセルの正極も負極も挿入電極として形成されている。本発明の意味において、「挿入電極」という用語は、再充電可能な電池セルの作動時に、活物質のイオンがその中に流入および流出できる結晶構造を有する電極と理解される。つまり、電極の表面だけでなく、結晶構造内部でも電極プロセスが起こり得る。リチウムイオンセルの負極は、銅からなる集電体に炭素コーティングを施して構成されている。リチウムイオンセルの正極は、アルミニウムからなる集電体にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を塗布して構成されている。いずれの電極も、通常、厚さが１００μｍ未満であり、ゆえに非常に薄く形成されている。リチウムイオンセルの充電時には、活性金属のイオンが正極から流出し、負極に流入する。リチウムイオンセルの放電時には逆のプロセスが進行する。電極間のイオンの移動は、必要なイオン移動度を保証する電解質を介して行われる。先行技術から既知のリチウムイオンセルは、有機溶媒または混合溶媒に溶解した導電性塩からなる電解質を含む。導電性塩は、例えば六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）のようなリチウム塩である。混合溶媒は、例えば炭酸エチレンを含有し得る。有機溶媒または混合溶媒を用いることから、このようなリチウムイオンセルは「有機リチウムイオンセル」とも呼ばれる。
【0004】
有機リチウムイオンセルは、安定性および長期動作信頼性に関して問題がある。特に、有機溶媒または混合溶媒の可燃性によって安全性リスクが生じる。有機リチウムイオンセルが発火あるいは爆発すると、電解質の有機溶媒は可燃材料となる。そうした安全性リスクを回避するために、追加的な措置を講じる必要がある。こうした措置には、とりわけ有機リチウムイオンセルの充放電プロセスの極めて正確な制御や最適な電池構成がある。さらに、有機リチウムイオンセルは、火災時に融解する構成要素を含んでおり、この場合、融解した合成樹脂とともに有機リチウムイオンセルがあふれ出る可能性がある。しかしながら、こうした措置により、有機リチウムイオンセルを生産する際の製造コストが上昇し、体積と重量も増加する。さらに、こうした措置によって有機リチウムイオンセルのエネルギー密度が低下する。
【0005】
安全性および長期動作信頼性に関する前述の問題は、大電流用途向けの有機リチウムイオンセルの開発において、とりわけ深刻である。
【0006】
したがって、先行技術から既知の継続開発では、再充電可能な電池セルに、二酸化硫黄（ＳＯ２）をベースとする電解質を使用するものとする。ＳＯ２をベースとする電解質を有する再充電可能な電池セルは、とりわけ高いイオン伝導性を示す。「ＳＯ２をベースとする電解質」という用語は、本発明の範囲において、ＳＯ２を低濃度の添加物として含有するだけでなく、電解質に含有されて電荷移動をもたらす導電性塩のイオンの移動度の少なくとも一部、大部分、またはすべてがＳＯ２によって保証される電解質を意味する。
【0007】
例えば、特許文献１は、ハウジング、正極、負極、および電解質を有する再充電可能な電池セルを開示している。この再充電可能な電池セルの電解質はＳＯ２をベースとし、導電性塩を含有している。この再充電可能な電池セルにおけるエネルギー貯蔵の少なくとも一部を担っている正極の活物質は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）からなる。このような再充電可能な電池セルは、電解質が不燃性であることに加え、許容電流、ならびに正極の理論容量の可用性に関して良好な電気性能データを有する。さらに、再充電可能な電池セルは、可能な充放電サイクル数の多さと自己放電の少なさによって特徴づけられる。例えば、さまざまな電流負荷で、正極とＳＯ２をベースとする電解質とを用いたハーフセル測定から、とりわけ、放電電流値が１Ｃの時に容量が約１５５ｍＡｈ／ｇ、ならびに放電電流値が４Ｃの時に容量が約１３０ｍＡｈ／ｇであることが明らかとなった。定義上、放電レートが１Ｃの時、セルの定格容量が１時間で放電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】欧州特許第２５３４７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ＳＯ２をベースとする電解質を有する再充電可能な電池セルの適用可能性と性質をさらに向上させるために、本発明は、先行技術から既知の再充電可能な電池セルと比べて、
－電気性能データが向上した、特に、高エネルギー密度と大電流の取り出し（高出力密度）が同時に実現する、
－自動車内の過酷な環境条件下でも動作信頼性が高い、
－寿命が延長した、特に、使用可能な充放電サイクル数が多い、
－必要な出発原料と生産方法に関して製造コストが低下した、ならびに
－過充電性と過放電性が改善した、
再充電可能な電池セルを提供することを課題とする。このような再充電可能な電池セルは、特に、大電流用途にも適しているとされる。本発明の意味において大電流セルとは、定格電圧において、電極面積に基づく許容電流（以下、「単位面積当たりの許容電流」という）が、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも５０ｍＡ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２である再充電可能な電池セルを指す。
－電気性能データが向上した、特に、高エネルギー密度と大電流の取り出し（高出力密度）が同時に実現する、
－自動車内の過酷な環境条件下でも動作信頼性が高い、
－寿命が延長した、特に、使用可能な充放電サイクル数が多い、
－必要な出発原料と生産方法に関して製造コストが低下した、ならびに
－過充電性と過放電性が改善した、
再充電可能な電池セルを提供することを課題とする。このような再充電可能な電池セルは、特に、大電流用途にも適しているとされる。本発明の意味において大電流セルとは、定格電圧において、電極面積に基づく許容電流（以下、「単位面積当たりの許容電流」という）が、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも５０ｍＡ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２である再充電可能な電池セルを指す。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題は、請求項１の特徴を備える再充電可能な電池セルによって解決される。有利な実施形態および別の形態は、請求項２～１６に定義する。
【0011】
本発明による再充電可能な電池セルは、ハウジング、少なくとも１つの正極、少なくとも１つの負極、および少なくとも１つの導電性塩を含む電解質を有する。電解質はＳＯ２をベースとする。正極は、組成ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）の活物質を含む。上式で、Ａは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表の１２族の金属、またはアルミニウムである。好ましくは、Ａは、ナトリウム、カルシウム、亜鉛、特に好ましくはリチウムである。Ｍ’は、元素のチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの金属である。Ｍ”は、周期表の２、３、４、５、６、１０、１１、１２、１３、１４、１５、および１６族の金属からなる群から選択される少なくとも１つの金属である。Ｘは、元素のリンとケイ素からなる群から選択される。ｘは０より大きい。ｙは０より大きい。ｚは０以上である。ｎは０より大きい。ｍはｎ以下である。Ｓは元素の硫黄である。
【0012】
「少なくとも１つの金属」という用語は、本発明の意味において、構成要素Ｍ’およびＭ”が、それぞれ、挙げられた金属の１つ、または２つ以上で構成され得ると理解すべきである。この時、添数ｙおよびｚは、Ｍ’またはＭ”によって表される金属全体のモル数を表す。
【0013】
当然のことながら、一般式ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）に関して、電荷の中性条件を考慮する必要がある。つまり、構成要素Ａ、Ｍ’、およびＭ”の正電荷の合計が、構成要素（ＸＯ４－ｍＳｎ）の負電荷の合計と同じでなければならない。添数ｘ、ｙ、ｚ、（４－ｍ）、およびｎは、式ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）の構成要素Ａ、Ｍ’、Ｍ”、Ｘ、Ｏ、およびＳのそれぞれのモル数を表す。ｎは、前述の式における硫黄原子のモル数を表す。ｍは、４モルの酸素原子がそのモル数だけ減じることを表す。ｎ＝ｍの場合、電荷が中性であるため、置換された酸素の負電荷は、硫黄の負電荷によって置換される必要がある。つまり、酸素Ｏ２－は硫黄Ｓ２－によって置換される。ｎがｍより大きい場合、電荷の中立性が保たれなくなるため、一部の硫黄原子は電荷を持つことができない。つまり、この場合、化合物中には帯電したＳ２－イオンと帯電していないＳ原子がともに存在することになる。
【0014】
正極
以下に、正極に関する本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を説明する。
以下に、正極に関する本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を説明する。
【0015】
本発明による再充電可能な電池セルの第１の有利な実施形態では、ｍが、少なくとも０．００１の値、好ましくは少なくとも０．００５の値、さらに好ましくは少なくとも０．０１の値、さらに好ましくは少なくとも０．０５の値、および特に好ましくは少なくとも０．１の値を取るものとする。
【0016】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態において、活物質ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）のＡは金属のリチウムであり、Ｘは元素のリンであり、Ｍ’は金属の鉄である。好ましくは、正極の活物質は、式ＬｉＦｅ（ＰＯ４－ｍＳｎ）の化合物でもあり、この時、ｎは０より大きく、ｍはｎ以下である。この式の化合物の例に、ＬｉＰＯ４Ｓ０．０２５、ＬｉＦｅＰＯ３．９５Ｓ０．０５、ＬｉＦｅＰＯ３．９７５Ｓ０．０２５、またはＬｉＦｅＰＯ３．９７５Ｓ０．０５がある。以下、式ＬｉＦｅ（ＰＯ４－ｍＳｎ）の化合物は、硫黄をドープしたリン酸鉄リチウム（ＬＥＰＳ）とも呼ぶ。
【0017】
すでに前述したように、正極の活物質ＡｘＭ’ｙＭ”ｚ（ＸＯ４－ｍＳｎ）は、とりわけ、活性金属として要素Ａを有する。要素Ａは、好ましくはアルカリ金属、特にリチウムであり得る。この場合、再充電可能な電池セルは、アルカリ金属セルまたはリチウムセルとして形成される。以下、ＳＯ２をベースとする電解質を含むリチウムセルは（一般原則を制限することなく）、リチウムＳＯ２セルと呼ぶ。
【0018】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、正極の厚さは、少なくとも０．２５ｍｍ、好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、および特に好ましくは少なくとも０．６ｍｍである。したがって正極は、有機リチウムイオンセルで用いられている電極と比べてはるかに厚い。このように厚さが厚いと、単位面積当たりの容量を大きくすることが可能となる。「単位面積当たりの容量」という用語は、正極の面積に基づく正極の容量を指す。正極の単位面積当たりの容量は、好ましくは少なくとも５ｍＡｈ／ｃｍ２であり、この時、以下の最小値が、この順でより好ましい：７．５ｍＡｈ／ｃｍ２、１０ｍＡｈ／ｃｍ２、１２．５ｍＡｈ／ｃｍ２、１５ｍＡｈ／ｃｍ２、２０ｍＡｈ／ｃｍ２、２５ｍＡｈ／ｃｍ２。正極の最大厚さは、５．０ｍｍ、好ましくは３．０ｍｍ、およびさらに好ましくは１．０ｍｍを超えないものとされよう。
【0019】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、正極が、その面積に基づいて、少なくとも３０ｍｇ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも４０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも６０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも８０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも１００ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも１２０ｍｇ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１４０ｍｇ／ｃｍ２の活物質を含むものとする。正極の面積に基づく活物質の量は、この正極の充填量となる。正極の最大充填量は、好ましくは１０００ｍｇ／ｃｍ２を超えず、さらに好ましくは７５０ｍｇ／ｃｍ２、および特に好ましくは５００ｍｇ／ｃｍ２、およびさらに好ましくは２５０ｍｇ／ｃｍ２を超えないものとする。
【0020】
正極の活物質充填量が多く、それに伴い単位面積当たりの容量が大きいと、総容量が大きいながらも電極面積が比較的小さい、再充電可能な電池セルを製造することができる。例えば、ＬＥＰＳ電極に１００ｍｇ／ｃｍ２を充填した場合、所望の容量１Ａｈに必要な面積はわずか６０ｃｍ２となる。この必要な電極面積は、先行技術から既知の有機リチウムイオンセルと比べて３分の１の大きさである。有機リチウムイオン電池に使用される、ＬｉＦｅＰＯ４を活物質として含む正極は、厚さが５０～９０μｍで、単位面積当たりの充填量が４～６ｍＡｈ／ｃｍ２である。そのため、１Ａｈの容量を得るには、１７０～２５０ｃｍ２の総電極面積が必要となる。
【0021】
正極の電極面積が小さくなることにより、セパレーターおよび負極に必要な面積も小さくなる。さらに、例えば複数の電極を有する角柱型セルの場合、セル極との接続に必要な誘導ラグ（Ａｂｌｅｉｔｅｒｆａｈｎｅ）の数が減り、電極数が少ないとハウジング内の電極の相互接続もはるかに簡単になる。これにより、特に再充電可能な電池セルの製造が容易になり、製造コストが削減される。
【0022】
さらに有利な実施形態では、再充電可能な電池セルは、正極の面積に基づいて、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも５０ｍＡ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２の許容電流を有する。
【0023】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、正極が多孔質であるものとする。空隙率は、好ましくは多くとも５０％、さらに好ましくは多くとも４５％、さらに好ましくは多くとも４０％、さらに好ましくは多くとも３５％、さらに好ましくは多くとも３０％、さらに好ましくは多くとも２０％、および特に好ましくは多くとも１０％である。この空隙率は、正極の総体積に対する空隙体積の割合であり、空隙体積は、いわゆる細孔または空隙によって形成される。空隙があると、電極の内面積が拡大する。さらに、空隙率は電極の厚さに、またそれに伴い重量に大きな影響を及ぼす。正極の個々の細孔は、動作中に、好ましくは電解質で完全に満たされ得る。
【0024】
さらに有利な実施形態では、正極は、特に金属発泡体の形態で三次元多孔質金属構造を有する少なくとも１つの集電体を有する。つまり、正極は活物質の他に集電体も含む。「三次元多孔質金属構造」という用語は、薄板のように平板電極の長さおよび幅にわたってだけでなく、厚さ方向にもわたって延在する、金属からなるあらゆる構造を指す。三次元多孔質金属構造は、金属構造の細孔に正極の活物質を取り込むことができる多孔質である。この取り込んだ活物質の量が、前述した正極の充填量である。集電体は、正極の活物質の必要な導電接続を可能にする役割を果たす。そのために、集電体は正極の電極反応に関与する活物質と接触している。集電体と活物質が挿入正極を形成する。多孔質金属構造は、好ましくは、実質的に正極の厚さ全体にわたって延在できる。「実質的に」とは、多孔質金属構造が、電極の厚さの少なくとも７０％、ただし好ましくは少なくとも約８０％にわたって延在することを意味する。集電体の三次元多孔質金属構造は、正極の充填量を増大させることができ、それに伴い活物質の導電接続を向上させる。このため、集電体の三次元多孔質金属構造は、再充電可能な電池セルの電気性能データを向上させる。これに関して、本発明の範囲において、三次元多孔質金属構造は金属不織布または金属織物としても形成し得る。
【0025】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、正極の活物質は多孔質金属構造中に実質的に均一に分散しているものとする。このような均一な分散により、再充電可能な電池セルの電気性能データがさらに向上する。
【0026】
機械的強度を向上させるために、本発明のすべての態様のさらに有利な実施形態では、正極は少なくとも１つのバインダーを含む。このバインダーは、フッ素化バインダー、特に、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ならびに／またはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデンのターポリマー（ＴＨＶ）であり得る。さらにバインダーは、共役カルボン酸のモノマー構造単位、またはこの共役カルボン酸のアルカリ塩、アルカリ土類塩、もしくはアンモニウム塩、またはこれらの組み合わせから構成されるポリマーで形成され得る。バインダーは、スチレンおよびブタジエンのモノマー構造単位をベースとするポリマーからも形成され得る。またバインダーは、カルボキシアルキルセルロースおよびその塩の群からのバインダーであり得る。本発明の範囲では、特にＴＨＶおよびＰＶＤＦが実証されている。前述のバインダーの少なくとも１つは、正極中に、電極の総重量に基づいて、多くとも２０重量％、さらに好ましくは多くとも１５重量％、さらに好ましくは多くとも１０重量％、さらに好ましくは多くとも７重量％、さらに好ましくは多くとも５％、および特に好ましくは多くとも２重量％の濃度で存在し得る。バインダーを添加することで、再充電可能な電池セルの長期安定性と寿命が向上する。
【0027】
負極
以下に、負極に関する本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態および別の形態を説明する。
以下に、負極に関する本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態および別の形態を説明する。
【0028】
負極は同様に挿入電極である。すなわち、再充電可能な電池セルの充電時に活性金属のイオンが流入し、再充電可能な電池セルの放電時に活性金属のイオンが流出する電極材料からなる。例えば、リチウム系の導電性塩を用いると、再充電可能な電池セルの充電時にリチウムイオンを電極材料に流入させ、再充電可能な電池セルの放電時にリチウムイオンをここから流出させることができる。
【0029】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は同様に多孔質であり、空隙率が、好ましくは多くとも５０％、さらに好ましくは多くとも４５％、さらに好ましくは多くとも４０％、さらに好ましくは多くとも３５％、さらに好ましくは多くとも３０％、さらに好ましくは多くとも２０％、および特に好ましくは多くとも１０％であるものとする。空隙があると、負極の内面積が拡大する。さらに、空隙があることで、負極の厚さが、またそれに伴い重量も減少する。負極の個々の細孔は、好ましくは、動作中に電解質で完全に満たされ得る。
【0030】
さらに、本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は、特に金属発泡体の形態で三次元多孔質金属構造を有する少なくとも１つの集電体を有する。つまり、負極は活物質の他に集電体も含む。すでに前述したように、「三次元多孔質金属構造」という用語は、薄板のように平板電極の長さおよび幅にわたってだけでなく、厚さ方向にもわたって延在する、金属からなるあらゆる構造を指す。三次元多孔質金属構造は、金属構造の細孔に負極の活物質を取り込むことができる多孔質である。この取り込んだ活物質の量が負極の充填量である。負極の集電体は、負極の活物質の必要な導電接続を可能にする役割を果たす。そのために、集電体は負極の電極反応に関与する活物質と接触している。集電体と活物質が挿入負極を形成する。多孔質金属構造は、好ましくは、実質的に負極の厚さ全体にわたって延在できる。「実質的に」とは、多孔質金属構造が、負極の厚さの少なくとも７０％、ただし好ましくは少なくとも約８０％にわたって延在することを意味する。集電体の三次元多孔質金属構造は、負極の充填量を増大させることができ、それに伴い活物質の導電接続を向上させる。このため、集電体の三次元多孔質金属構造は、再充電可能な電池セルの電気性能データを向上させる。これに関して、本発明の範囲において、三次元多孔質金属構造は金属不織布または金属織物としても形成し得る。
【0031】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は活物質として炭素を含む。この炭素は、特に黒鉛化して存在し得る。炭素も黒鉛も、その結晶構造から、再充電可能な電池セルの充電時に活性金属のイオンを受け取るのに役立ち得る。炭素は、天然黒鉛（フレーク状または球形）、人造黒鉛（メソフェーズ黒鉛）、黒鉛化ＭｅｓｏＣａｒｂｏｎ ＭｉｃｒｏＢｅａｄｓ（ＭＣＭＢ）、炭素被覆黒鉛、または無定形炭素（硬質炭素および軟質炭素）の形態でも存在し得る。
【0032】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は、炭素を含有しないリチウムインターカレーションの負極活物質、例えばチタン酸リチウム（例えばＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を含む。
【0033】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は、リチウムと合金を形成する負極活物質を含む。これは、例えばリチウム貯蔵金属および合金（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＳｎＣｏｘＣｙ、ＳｎＳｉｘなど）、ならびにリチウム貯蔵金属および合金の酸化物（ＳｎＯｘ、ＳｉＯｘ、Ｓｎ、Ｓｉの酸化ガラスなど）である。
【0034】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は、例えば遷移金属酸化物（ＭｎＯｘ、ＦｅＯｘ、ＣｏＯｘ、ＮｉＯｘ、ＣｕＯｘなど）のようなコンバージョン系負極活物質、または金属水素化物（ＭｇＨ２、ＴｉＨ２、ＡＩＨ３など；Ｂ系、ＡＩ系、およびＭｇ系三元水素化物）を含む。
【0035】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は、金属、例えば金属リチウムを含む。
【0036】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極の活物質は、負極の集電体の多孔質金属構造中に実質的に均一に分散しているものとする。このような均一な分散により、再充電可能な電池セルの電気性能データがさらに向上する。
【0037】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極の厚さは、少なくとも０．２ｍｍ、好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、および特に好ましくは少なくとも０．６ｍｍである。したがって、負極の厚さも、有機リチウムイオンセルで使用される負極と比べてはるかに厚い。
【0038】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極の活物質の量、すなわち電極の充填量は、その面積に基づいて、少なくとも１０ｍｇ／ｃｍ２、好ましくは少なくとも２０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも４０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも６０ｍｇ／ｃｍ２、さらに好ましくは少なくとも８０ｍｇ／ｃｍ２、および特に好ましくは少なくとも１００ｍｇ／ｃｍ２であるものとする。この負極の活物質の量は、再充電可能な電池セルの充放電プロセスに有利に作用する。
【0039】
負極の単位面積当たりの容量は、好ましくは少なくとも２．５ｍＡｈ／ｃｍ２であり得、この時、以下の値が、この順でさらに好ましい：５ｍＡｈ／ｃｍ２、１０ｍＡｈ／ｃｍ２、１５ｍＡｈ／ｃｍ２、２０ｍＡｈ／ｃｍ２、２５ｍＡｈ／ｃｍ２、３０ｍＡｈ／ｃｍ２。
【0040】
機械的強度を向上させるために、本発明のすべての態様のさらに有利な実施形態では、負極は少なくとも１つのバインダーを含む。このバインダーは、フッ素化バインダー、特に、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ならびに／またはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデンのターポリマー（ＴＨＶ）であり得る。さらにバインダーは、共役カルボン酸のモノマー構造単位、またはこの共役カルボン酸のアルカリ塩、アルカリ土類塩、もしくはアンモニウム塩、またはこれらの組み合わせから構成されるポリマーで形成され得る。バインダーは、スチレンおよびブタジエンのモノマー構造単位をベースとするポリマーからも形成され得る。またバインダーは、カルボキシアルキルセルロースおよびその塩の群からのバインダーであり得る。本発明の範囲において、特に共役カルボン酸のアルカリ塩系ポリマーが実証されている。前述のバインダーの少なくとも１つは、負極中に、電極の総重量に基づいて、多くとも２０重量％、さらに好ましくは多くとも１５重量％、さらに好ましくは多くとも１０重量％、さらに好ましくは多くとも７重量％、さらに好ましくは多くとも５％、および特に好ましくは多くとも２重量％の濃度で存在し得る。バインダーを添加することで、再充電可能な電池セルの長期安定性と寿命が向上する。
【0041】
ＳＯ２をベースとする電解質
以下に、ＳＯ２をベースとする電解質に関する本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を説明する。
以下に、ＳＯ２をベースとする電解質に関する本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を説明する。
【0042】
本発明による再充電可能な電池セルは、すでに前述したように、「ＳＯ２をベースとする電解質」を含む。したがって電解質は、低濃度の添加物としてだけでなく、電解質に含有されて電荷移動をもたらす導電性塩のイオンの移動度の少なくとも一部、大部分、またはすべてがＳＯ２によって保証される濃度でＳＯ２を含有する。
【0043】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、電解質は、導電性塩１モル当たり、少なくとも１．５モルのＳＯ２、２モルのＳＯ２、好ましくは少なくとも２．５モルのＳＯ２、さらに好ましくは少なくとも３モルのＳＯ２、および特に好ましくは少なくとも４モルのＳＯ２を含有するものとする。ＳＯ２と導電性塩がこのような濃度比である、ＳＯ２をベースとする電解質は、先行技術から既知の、例えば有機混合溶媒をベースとする電解質と比べて、より大量の導電性塩を溶解できるという利点がある。本発明の範囲において、驚くべきことに、導電性塩の濃度が比較的低い電解質は、それに伴って蒸気圧が高くなるにもかかわらず、特に再充電可能な電池セルの多くの充放電サイクルにわたる安定性に関して有利であることが確認された。
【0044】
これに関して、本発明の範囲において、ＳＯ２の濃度は、それぞれ導電性塩１モル当たり、好ましくは多くとも２２０モルのＳＯ２、さらに好ましくは多くとも２００モルのＳＯ２、さらに好ましくは多くとも１００モルのＳＯ２、さらに好ましくは多くとも５０モルのＳＯ２、さらに好ましくは多くとも３０モルのＳＯ２、さらに好ましくは多くとも２５モルのＳＯ２、および特に好ましくは多くとも２０モルのＳＯ２である。電解質中のＳＯ２の濃度は、その伝導性に影響を及ぼす。したがって、ＳＯ２濃度の選択によって、電解質の伝導性を、再充電可能な電池セルの計画用途に合わせることができる。
【0045】
好ましくは、電解質は、再充電可能な電池セルに含まれる電解質の総量に基づいて、少なくとも２０重量パーセント（「重量％」）のＳＯ２を含有し、ＳＯ２の値は、３５重量％、４５重量％、および５５重量％であるとさらに好ましい。電解質は９５重量％まででもＳＯ２を含有することができ、ＳＯ２の最大値は、７５重量％、８５重量％の順で好ましい。
【0046】
本発明の範囲において、電解質は、好ましくは、少なくとも１つの有機物質または有機材料をわずかな割合しか、またはまったく有していない。好ましくは、例えば１つまたは複数の溶媒または添加剤の形態で存在する、電解質中の有機物質または有機材料の割合は、電解質の重量の多くとも５０重量％であり得る。電解質の重量の多くとも４０重量％、多くとも３０重量％、多くとも２０重量％、多くとも１５重量％、多くとも１０重量％、多くとも５重量％、または多くとも１重量％という低い割合が特に好ましい。さらに好ましくは、電解質は有機溶媒を含まない。有機物質もしくは有機材料がごくわずかの割合しか、または完全に存在しないため、電解質はほとんど、またはまったく燃えない。これにより、ＳＯ２をベースとするこのような電解質を用いて動作する再充電可能な電池セルの動作安全性が向上する。さらに、有機物質または有機材料は、好ましくは添加物ではなく、単なる不純物であり得る。このような不純物は、正極の活物質の炭素含有被覆により、または他の炭素含有材料、例えば負極によって生じる可能性がある。特に好ましくは、ＳＯ２をベースとする電解質は、実質的に有機材料を含まない。「実質的に」という用語は、存在する可能性のある有機物質または有機材料の量が、いかなる安全性リスクももたらさないほどに少ないことと理解すべきである。つまり、電解質は、好ましくは５００ｐｐｍより多くの有機物質または有機材料を含有しない。
【0047】
ＳＯ２ １モルあたり１ファラデーで算出される、再充電可能な電池セルに含まれるＳＯ２の電気化学的な電荷量は、好ましくは、理論上正極に電気化学的に貯蔵可能な活性金属の電荷量よりも大きい。
【0048】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、導電性塩は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のアルミン酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、ヒ酸塩、もしくは没食子酸塩、好ましくはリチウムテトラハロゲンアルミネート、特に好ましくはリチウムテトラクロロアルミネートであるものとする。電解質中の導電性塩の含有量は、好ましくは電解質の重量の７０重量％未満、さらに好ましくは６０重量％未満、５０重量％未満、４０重量％未満、３０重量％未満、２０重量％未満、または１０重量％未満であり得る。
【0049】
ＳＯ２と導電性塩の総含有量は、好ましくは電解質の重量の５０重量％超、さらに好ましくは６０重量％、７０重量％超、８０重量％超、８５重量％超、９０重量％超、９５重量％超、または９９重量％超であり得る。
【0050】
セパレーター
本発明の範囲において、再充電可能な電池セルは、好ましくは、正極と負極とを電気的に分離するためのセパレーターを有している。このセパレーターは、不織布、膜、織物、編物、有機材料、無機材料、またはこれらの組み合わせで形成し得る。有機セパレーターは、非置換ポリオレフィン（例えばポリプロピレンまたはポリエチレン）、部分的または完全にハロゲン置換されたポリオレフィン（例えば部分的または完全にフルオロ置換された；例えばＰＶＤＦ、ＥＴＦＥ、ＰＴＦＥ）、ポリエステル、ポリアミド、またはポリスルホンで構成し得る。有機材料と無機材料の組み合わせであるセパレーターは、例えば、ガラス繊維に適切なポリマーコーティングが施されたガラス繊維織物材料である。コーティングは、好ましくは、フッ素含有ポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデンのターポリマー）、もしくはパーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）を含有する、またはアミノシラン、ポリプロピレン（ＰＰ）、もしくはポリエチレン（ＰＥ）を含有する。
本発明の範囲において、再充電可能な電池セルは、好ましくは、正極と負極とを電気的に分離するためのセパレーターを有している。このセパレーターは、不織布、膜、織物、編物、有機材料、無機材料、またはこれらの組み合わせで形成し得る。有機セパレーターは、非置換ポリオレフィン（例えばポリプロピレンまたはポリエチレン）、部分的または完全にハロゲン置換されたポリオレフィン（例えば部分的または完全にフルオロ置換された；例えばＰＶＤＦ、ＥＴＦＥ、ＰＴＦＥ）、ポリエステル、ポリアミド、またはポリスルホンで構成し得る。有機材料と無機材料の組み合わせであるセパレーターは、例えば、ガラス繊維に適切なポリマーコーティングが施されたガラス繊維織物材料である。コーティングは、好ましくは、フッ素含有ポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデンのターポリマー）、もしくはパーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）を含有する、またはアミノシラン、ポリプロピレン（ＰＰ）、もしくはポリエチレン（ＰＥ）を含有する。
【0051】
再充電可能な電池セルの構成
以下に、本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を、構成に関して説明する。
以下に、本発明による再充電可能な電池セルの有利な実施形態および別の形態を、構成に関して説明する。
【0052】
再充電可能な電池セルの機能をさらに向上させるために、本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、再充電可能な電池セルは、ハウジング内に交互に積み重ねられて配置された複数の負極および複数の正極を含み、各正極または各負極は、被覆に覆われているものとする。
【0053】
正極の被覆により、再充電可能な電池セル内のイオン移動およびイオン分布がより均一になる。特に負極におけるイオン分布が均一であればあるほど、電極の活物質の可能な充填量が多くなり、結果として再充電可能な電池セルの使用可能な容量が大きくなる。同時に、充填量のばらつき、およびその結果として生じる活性金属の析出に伴う可能性のあるリスクが回避される。これらの利点は、セルの正極が被覆に覆われている場合に効果がある。
【0054】
電極と被覆の表面寸法は、好ましくは、電極の被覆の外形寸法と被覆されていない電極の外形寸法とが、少なくとも１つの次元で一致するように、互いに合わせ得る。
【0055】
被覆の表面積は、好ましくは、電極の表面積よりも大きい可能性がある。この場合、被覆は電極の境界を越えて延在する。そのため、電極の両面を覆う２つの被覆の層は、正極の端部で、端部接続によって互いに接続させ得る。
【0056】
本発明による再充電可能な電池セルのさらに有利な実施形態では、負極は被覆を有するのに対し、正極は被覆を有していない。被覆は、正極と負極とを電気的に分離するセパレーターとして機能する。この被覆は、不織布、膜、織物、編物、有機材料、無機材料、またはこれらの組み合わせで形成し得る。被覆の材料は、例えば、セパレーターの項で説明した材料であり得る。
【0057】
本発明による再充電可能な電池セルは、先行技術から既知の再充電可能な電池セルと比べて、特に有機リチウムイオンセルと比べて、冒頭に記述した要件を満たし、それにより
－電気性能データの向上
－動作信頼性の高さ
－寿命の延長
－製造コストの低下、ならびに
－過充電性と過放電性の改善、を示すという利点を有する。
－電気性能データの向上
－動作信頼性の高さ
－寿命の延長
－製造コストの低下、ならびに
－過充電性と過放電性の改善、を示すという利点を有する。
【0058】
本発明による再充電可能な電池セル、ならびにその有利な実施形態および別の形態の開発の範囲において、本出願人は、ＬＥＰＳを活物質として含む正極を有する再充電可能な電池セルがどのような可能性を有するかを評価または確認できるように、予備試験を実施した。この予備試験では、本出願人は活物質としてＬＥＰＳを含む正極と、活物質として硫黄をドープしていないＬｉＦｅＰＯ４を含む正極とを用いて、室温で電気化学ハーフセル実験を実施した。以下、ＬＥＰＳを活物質として含む正極に「ＬＥＰＳ電極」という用語を使用する。「ＬＥＰ電極」という用語は、活物質として硫黄をドープしていないＬｉＦｅＰＯ４を含む正極に使用する。したがってハーフセルは、ＳＯ２をベースとする電解質に浸漬したＬＥＰＳ電極またはＬＥＰ電極のいずれかと、リチウム負極、および参照電極であるリチウム電極を有していた。このような電気化学ハーフセル実験は、構成が単純で、それにより実験にかかる費用が少ないため、電極の性能データをテストするための標準的な試験である。そのため、構成がかなり複雑である再充電可能な電池セルの開発において、一般に認められた予備試験として使用される。
【0059】
例えば、ＳＯ２をベースとする電解質中のＬＥＰＳ電極が安定しているかを調べるとする。ＳＯ２をベースとする電解質で問題となる特性に、高い腐食性がある。これに対し、有機溶媒をベースとする電解質は、腐食性が顕著に低いか、またはまったくない。再充電可能な電池セルでは正極も負極も電解質と接しているため、電極の組成は、ＳＯ２をベースとする電解質中での耐性に注意する必要がある。ＳＯ２をベースとする電解質中でＬＥＰＳ電極が安定している場合のみ、再充電可能な電池セルの長期安定性が保証される。
【0060】
一方で、元素の硫黄はさまざまな酸化状態で存在し得ることが一般に知られている。これらは安定性が異なり、環境条件や反応相手によって容易に変化し得る。ＬＥＰＳを活物質として含む正極の表面には、硫黄が非常に低い酸化状態で存在する。電解質中では硫黄は高い酸化状態で存在する。ＳＯ２をベースとする電解質中では、酸化状態の望ましくない均等化が起こり得る。
【0061】
本出願人の電気化学ハーフセル実験から、ＬＥＰＳ電極は最初の形成サイクル後に１６２ｍＡｈ／ｇという、ＬＥＰ電極と比べて高い定格容量を持つことが判明した。ＬＥＰ電極の定格容量はわずか１４８ｍＡｈ／ｇであった。したがって、ＬＥＰＳ電極を用いた再充電可能な電池セルは、より多くの電荷を貯蔵することができる。しかしながらその後の経過において、ＬＥＰＳ電極では、早くも数回のサイクル後にはるかに急激な容量低下が生じることが示された。その結果、約８０サイクル後にＬＥＰ電極の容量に達した。したがって、利点であるＬＥＰＳ電極のより大きな定格容量は、わずか約８０サイクルで使い切られてしまう。また、ＬＥＰ電極の容量域に達した後も、ＬＥＰＳ電極の容量は低下し続けた。そのため、ＳＯ２をベースとする電解質を用いた電気化学ハーフセル実験では、ＬＥＰＳ電極はＬＥＰ電極よりもはるかに悪いサイクル挙動を示す。「サイクル挙動」という用語は、充電と放電のプロセスを交互にくり返している間の電極の挙動を指す。
【0062】
ハーフセル実験におけるＬＥＰＳ電極の結果がこのように否定的であったため、専門的な観点から言えば、この予備試験の後にＬＥＰＳ電極を用いて実験を継続することはせず、本発明の基礎となる構想を破棄するというのが標準的な手順であっただろう。それにもかかわらず、本出願人は、再充電可能な電池セルを用いて、つまりフルセルを用いて、さらに実験を行った。このフルセルは、少なくとも１つの正極および２つの負極を有し、正極はＬＥＰＳ電極またはＬＥＰ電極のいずれかとした。電極はセパレーターで分離し、電池ハウジング内に配置した。フルセルは、引き続きＳＯ２をベースとする電解質で満たした。したがって、この再充電可能な電池セルまたはフルセルはリチウムＳＯ２セルである。構成の詳細な説明は、以下の図面の説明に記載する。
【0063】
驚くべきことに、これらのフルセル実験では、ＳＯ２をベースとする電解質を用いた再充電可能な電池セルでＬＥＰＳ電極を使用した場合、ハーフセル実験ではむしろ否定的な結果であったにもかかわらず、電気性能データの向上を実現できたことが確認された。正極の活物質としてＬＥＰを含む再充電可能な電池セルと比べて、正極の活物質としてＬＥＰＳを含む再充電可能な電池セルでは、予測できなかったがはるかに良好なサイクル結果が得られた。
【0064】
特に、前述のＬＥＰＳ電極とＳＯ２をベースとする電解質との組み合わせにより、以下の改善点を有する再充電可能な電池セルを製造することができる。
－ＬＥＰＳ電極の理論容量が、少なくとも９５％まで実際に利用できる。つまり、充電時に正極からリチウムイオンをほぼ完全に取り出し、放電時に再び正極に流入させることができる。再充電可能な電池セルの実際に利用可能な容量、すなわち定格容量は、ＬＥＰ電極を用いた電池セルよりも大きい。
－ＬＥＰＳ電極を用いた再充電可能な電池セルの定格容量が大きいことにより、寿命が延長する。臨界放電容量（例えば定格容量の６０％）には、複数回の充放電サイクルを経たのちに到達する。許容電流の容量依存性に関しても、本発明に従って、より良好な値が得られる。言い換えると、電流負荷が高い場合でも、電池セルの本来の容量の大部分を利用できる。
－最初のサイクルでの保護層形成における容量損失は、負極の理論容量の１０％未満である。安定した保護層が形成され、充放電サイクル数を多くできる。
－許容電流が非常に高い。例えばＬＥＰＳ電極は、単位面積当たりの電流負荷３００ｍＡ／ｃｍ２が利用できる。
－大容量貯蔵に必要な、多い充放電サイクル数を実現できる。実験的試験では、１０，０００回超のフルサイクルを達成した。
－再充電可能な電池セルの自己放電が極めて少ない。そのため、充電した状態で長期間保管し、改めて充電せずにすぐに使用できる。
－正極の活物質に炭素系導電性向上剤を比較的高い割合で使用する必要がない。むしろ、導電性向上剤の量は比較的少量で十分である。好ましくは、正極の炭素含有量は１０重量％未満であり、以下の最大値が、この順でさらに好ましい：７重量％、５重量％、２重量％。
－ＬＥＰＳ電極の理論容量が、少なくとも９５％まで実際に利用できる。つまり、充電時に正極からリチウムイオンをほぼ完全に取り出し、放電時に再び正極に流入させることができる。再充電可能な電池セルの実際に利用可能な容量、すなわち定格容量は、ＬＥＰ電極を用いた電池セルよりも大きい。
－ＬＥＰＳ電極を用いた再充電可能な電池セルの定格容量が大きいことにより、寿命が延長する。臨界放電容量（例えば定格容量の６０％）には、複数回の充放電サイクルを経たのちに到達する。許容電流の容量依存性に関しても、本発明に従って、より良好な値が得られる。言い換えると、電流負荷が高い場合でも、電池セルの本来の容量の大部分を利用できる。
－最初のサイクルでの保護層形成における容量損失は、負極の理論容量の１０％未満である。安定した保護層が形成され、充放電サイクル数を多くできる。
－許容電流が非常に高い。例えばＬＥＰＳ電極は、単位面積当たりの電流負荷３００ｍＡ／ｃｍ２が利用できる。
－大容量貯蔵に必要な、多い充放電サイクル数を実現できる。実験的試験では、１０，０００回超のフルサイクルを達成した。
－再充電可能な電池セルの自己放電が極めて少ない。そのため、充電した状態で長期間保管し、改めて充電せずにすぐに使用できる。
－正極の活物質に炭素系導電性向上剤を比較的高い割合で使用する必要がない。むしろ、導電性向上剤の量は比較的少量で十分である。好ましくは、正極の炭素含有量は１０重量％未満であり、以下の最大値が、この順でさらに好ましい：７重量％、５重量％、２重量％。
【0065】
以下に、本発明のさらに有利な特徴を、図面、実施例、および実験を参照して詳細に記述および説明する。
【図面の簡単な説明】
【0066】
【図1】本発明による再充電可能な電池セルの一実施例の断面図。
【図2】正極が被覆された電極積層体における正極１つおよび負極２つの斜視図。
【図4】最初のハーフセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性を示すグラフ。
【図5】２回目のハーフセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量の放電レート依存性を示すグラフ。
【図6】最初のフルセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性を示すグラフ。
【図7】２回目のフルセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0067】
図１は、本発明による再充電可能な電池セル２の一実施例を断面図で示したものである。この再充電可能な電池セルは角柱型セルとして形成されており、とりわけハウジング１を有する。このハウジング１は、３つの正極４と４つの負極５を含む電極配置３を取り囲んでいる。正極４と負極５は、電極配置３内で交互に積み重ねて配置されている。しかしながら、ハウジング１は、より多くの正極４および／または負極５も収容できる。一般的に、負極５の数が正極４の数より１だけ多いと好ましい。その結果、電極積層体の外端面は、負極５の電極表面によって形成されることになる。電極４、５は、電極接続部６、７を介して、電池セルの対応する接続接点９、１０に接続されている。再充電可能な電池セルには、ＳＯ２をベースとする電解質が、すべての細孔または空隙、特に電極４、５の内部に可能な限り完全に入り込むように充填されている。図１では、電解質は図示されていない。本実施例では、３つの正極４がＬＥＰＳ電極として形成されている。つまり、本明細書に記載する特別な実施例に従って、これは活物質としてＬｉＦｅＰＯ３．９７５Ｓ０．０２５を有する。
【0068】
電極４、５は、本実施例では平らに、すなわち表面積に対して厚みが小さい層として形成されている。これらはそれぞれセパレーター１１で互いに分離されている。図示した電池セルのハウジング１は、実質的に立方体に形成されており、電極４、５および断面図に示したハウジング１の壁は、図面に対して垂直に延びており、実質的にまっすぐかつ平らに形成されている。しかしながら、再充電可能な電池セルは巻回型セルとしても形成し得る。巻回型セルは、薄い層状の電極をセパレーター材料と一緒に巻いたものである。セパレーター材料は正極と負極とを空間的および電気的に分離するが、とりわけ活性金属のイオンにとっては透過性である。こうすることで、電気化学的に有効な表面が広くなり、相応に高い電流効率が実現する。
【0069】
図２には２つの負極５と１つの正極４を表す。電極はそれぞれ、セルの対応する接続接点９または１０に接続するための電極接続線６または７を有する。図示した好ましい実施形態では、正極４（好ましくはセルのすべての正極４）は被覆１３で覆われている。この時、被覆１３の表面積は、電極４の表面積よりも大きく、その境界１４は、図２では破線で示している。電極４を両側から覆う被覆材料の２つの層１５および１６は、電極４の端部で端部接続部１７によって互いに接続されている。
【0070】
さらに電極４、５は、各電極の活物質の必要な導電接続を可能にするのに役立つ集電体を有する。この集電体は、各電極４、５の電極反応に関与する活物質と接触している。正極４の集電体および負極５の集電体は多孔質の金属発泡体の形態で形成されている。金属発泡体は、電極４、５の厚さにわたって延在する。正極４および負極５の活物質は、この金属発泡体の細孔に取り込まれている。
【0071】
正極４の作製時には、ＬＥＰＳは、金属構造の厚さ全体にわたって細孔を均一に満たすように、集電体の多孔質構造に取り込まれる。このようにして作製した材料は、その後、高圧でプレスされ、プレス工程後の厚さは、好ましくは元の厚さの最大５０％、特に好ましくは最大４０％となる。
【0072】
正極４は活物質の充填量が多いため、非常に厚い。図示した例では、充填量は約１４ｍＡｈ／ｃｍ２、厚さｄは約０．６ｍｍである。
【0073】
図３は、金属発泡体１８の三次元多孔質構造の電子顕微鏡写真である。表示されたスケールバーから、細孔Ｐの直径は平均で１００μｍ超、つまり比較的大きいことがわかる。
【0074】
集電体の多孔質金属発泡体１８は、実質的に集電体の厚さｄ全体にわたって延在できる。「実質的に」とは、多孔質金属発泡体１８が、正極４の厚さｄの少なくとも７０％、ただし好ましくは少なくとも約８０％にわたって延在することを意味する。ＬＥＰＳの活物質は多孔質金属発泡体１８中で実質的に均一に分散しているため、均一な分散に偏差が生じることがあっても、セル機能はわずかしか損なわれない。
【0075】
機械的強度を向上させるために、正極４はバインダーを含有する。このバインダーはＴＨＶである。
【0076】
負極５は、活物質として炭素を、リチウムイオンを受け取る挿入材料として適した形態で含有する。負極５の構造は正極４と同様である。負極５でも、集電体は、好ましくは、三次元多孔質金属構造を金属発泡体の形態で有する。負極５も、活物質の充填量が少なくとも２．５ｍＡｈ／ｃｍ２と比較的多く、相応の厚さを有する。
【0077】
実施例１：比較電極としてのＬＥＰ電極の作製
ＬＥＰ電極の作製は、以下に説明するように実施した。まず、以下の構成要素からペーストを作製した。
約９２～９６重量％ 硫黄をドープしていないリン酸鉄リチウム（ＬＥＰ、ＬｉＦｅＰＯ４）、
約０～４重量％ カーボンブラックを導電助剤として、
約２～６重量％ ＴＨＶをバインダーとして、
このために、まずバインダーを溶媒のアセトンに溶解した。次いで、撹拌下でカーボンブラックを溶液に添加した。最後に、同様に撹拌下で、ＬＥＰを追加の溶媒と交互に添加した。作製したペーストは、初期空隙率が９０％超の金属発泡体に均一に埋め込み、５０℃で１時間乾燥させた。冷却後、電極材料、すなわち金属発泡体に均一に埋め込んだＬＥＰを、カレンダーを用いて、初期厚さ１．６ｍｍから厚さ０．５ｍｍにプレスした。次いで、１８０℃でアニール処理を行った。プレスしてアニール処理したこの電極材料から、１ｃｍ２の面積の試料を打ち抜き、ＬＥＰ電極を得た。
ＬＥＰ電極の作製は、以下に説明するように実施した。まず、以下の構成要素からペーストを作製した。
約９２～９６重量％ 硫黄をドープしていないリン酸鉄リチウム（ＬＥＰ、ＬｉＦｅＰＯ４）、
約０～４重量％ カーボンブラックを導電助剤として、
約２～６重量％ ＴＨＶをバインダーとして、
このために、まずバインダーを溶媒のアセトンに溶解した。次いで、撹拌下でカーボンブラックを溶液に添加した。最後に、同様に撹拌下で、ＬＥＰを追加の溶媒と交互に添加した。作製したペーストは、初期空隙率が９０％超の金属発泡体に均一に埋め込み、５０℃で１時間乾燥させた。冷却後、電極材料、すなわち金属発泡体に均一に埋め込んだＬＥＰを、カレンダーを用いて、初期厚さ１．６ｍｍから厚さ０．５ｍｍにプレスした。次いで、１８０℃でアニール処理を行った。プレスしてアニール処理したこの電極材料から、１ｃｍ２の面積の試料を打ち抜き、ＬＥＰ電極を得た。
【0078】
ＬＥＰ電極は、以下に説明する実験で比較電極として用いた。この理論容量は約１４ｍＡｈであった。参照電極と対向電極がそれぞれ金属リチウムからなる３つの電極配置を用いたハーフセルで試験した。ハーフセルに使用した電解質の組成は、ＬｉＡｌＣｌ４＊１．５ＳＯ２であった。
【0079】
実施例２：ＬＥＰＳ電極の作製
実施例１で説明したＬＥＰ電極の作製方法に従って、ＬＥＰＳ電極を作製した。ただし、ペーストの作製には以下の構成要素を使用した。
約９２～９６重量％ 硫黄をドープしたリン酸鉄リチウム（ＬＥＰＳ）、
約０～４重量％ カーボンブラックを導電助剤として、
約２～６重量％ ＴＨＶをバインダーとして。
実施例１で説明したＬＥＰ電極の作製方法に従って、ＬＥＰＳ電極を作製した。ただし、ペーストの作製には以下の構成要素を使用した。
約９２～９６重量％ 硫黄をドープしたリン酸鉄リチウム（ＬＥＰＳ）、
約０～４重量％ カーボンブラックを導電助剤として、
約２～６重量％ ＴＨＶをバインダーとして。
【0080】
理論容量が約１４ｍＡｈであるこのＬＥＰＳ電極も、参照電極と対向電極がそれぞれ金属リチウムからなる３つの電極配置を用いたハーフセルで試験した。ハーフセルに使用した電解質の組成は、ＬｉＡｌＣｌ４＊１．５ＳＯ２であった。
【0081】
実験１：ハーフセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性の測定
実施例１で作製したＬＥＰ電極と実施例２で作製したＬＥＰＳ電極とを用いたハーフセル実験で、充放電サイクルの回数に依存したそれぞれの放電容量（それぞれ１Ｃ）を測定した。ここでは、２つのハーフセルの違いが正極のみであることに注目されたい。つまり、ＬＥＰＳ電極かＬＥＰ電極のいずれかを正極として使用した。
実施例１で作製したＬＥＰ電極と実施例２で作製したＬＥＰＳ電極とを用いたハーフセル実験で、充放電サイクルの回数に依存したそれぞれの放電容量（それぞれ１Ｃ）を測定した。ここでは、２つのハーフセルの違いが正極のみであることに注目されたい。つまり、ＬＥＰＳ電極かＬＥＰ電極のいずれかを正極として使用した。
【0082】
図４は、導電性塩１モル当たり１．５モルのＳＯ２を含有する、ＳＯ２をベースとする電解質を用いてこの時に得られた結果を示す。導電性塩としてリチウムテトラクロロアルミネート（ＬｉＡｌＣｌ４）を使用した。両方の電極で、図４に示していないＩＵ初期サイクル５回は、電流強度が１ｍＡより低くなるまで、３．２～３．７Ｖの電位範囲で１０ｍＡの充放電電流強度で行った。この初期サイクルを用いて、定格容量と充放電レートを決定した。ＩＵ初期サイクルは、最初に電流Ｉを設定し（放電レート）、特定の電位または電圧Ｕに達するまでの一般的な充放電手順である。その後、電流Ｉが所定の最小値に低下するまで待つ（１ｍＡ未満）。これが一般的な充放電手順である。
【0083】
その後、電流強度が１ｍＡより低くなるまで、３．２～３．７Ｖの電位範囲で、充放電レート１Ｃで１００ＩＵサイクルを開始する。
【0084】
図４は、活物質の配合組成から算出できる理論容量に対する放電容量（％）を、実施した充放電サイクル数に対してプロットしたグラフで、曲線ＡはＬＥＰ電極、曲線ＢはＬＥＰＳ電極に該当する。測定は室温で実施した。
【0085】
ここでまず、ＬＥＰＳ電極の方がＬＥＰ電極よりも初期の放電容量が大きいことが確認された。いずれの電極でも、初期に放電容量のわずかな増加が認められる。その後、サイクル数の増加に伴って、両電極の放電容量が低下する。ＬＥＰＳ電極の容量低下の方がはるかに急激であることが目立つ。４５サイクル後、ＬＥＰＳ電極の放電容量がＬＥＰ電極の値に達している。この値は理論放電容量の９２％である。１００サイクル後、ＬＥＰ電極はなおも９１％の放電容量を示す。この時点で、ＬＥＰＳ電極の放電容量は８４％まで低下している。つまり、ＳＯ２をベースとする電解質を用いた電気化学ハーフセル実験では、ＬＥＰＳ電極はＬＥＰ電極と比べて急激な容量低下を示す。
【0086】
この結果に基づいて、本発明によるＬＥＰＳ電極を、フルセル、すなわちＳＯ２をベースとする電解質を用いた再充電可能な電池セルで使用した場合、それでも非常に良好な結果が得られることは期待できなかった。
【0087】
実験２：ハーフセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量の放電レート依存性の測定
ＳＯ２をベースとする電解質において、さまざまな電流負荷でのＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極の放電容量を測定するため、ハーフセルで充放電サイクルを１００回実施した。充電はそれぞれ同じ１Ｃの充電レートで行った。各充電プロセスの後に放電プロセスが行われ、１００サイクルの間に以下のレートでハーフセルを放電させた。
１Ｃで１０サイクル
２Ｃ、４Ｃ、８Ｃ、および１０Ｃで各１０サイクル
１Ｃで５０サイクル
電圧３．７Ｖまで充電を行った。放電は電圧３．２Ｖで終了した。
ＳＯ２をベースとする電解質において、さまざまな電流負荷でのＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極の放電容量を測定するため、ハーフセルで充放電サイクルを１００回実施した。充電はそれぞれ同じ１Ｃの充電レートで行った。各充電プロセスの後に放電プロセスが行われ、１００サイクルの間に以下のレートでハーフセルを放電させた。
１Ｃで１０サイクル
２Ｃ、４Ｃ、８Ｃ、および１０Ｃで各１０サイクル
１Ｃで５０サイクル
電圧３．７Ｖまで充電を行った。放電は電圧３．２Ｖで終了した。
【0088】
図５は、定格容量に対する放電容量（％）を、実施した充放電サイクル数に対してプロットしたグラフで、曲線ＡはＬＥＰ電極、曲線ＢはＬＥＰＳ電極に該当する。定格容量は、最初に実施したサイクルで各電極から放電させることができた放電容量である。測定は室温で実施した。
【0089】
１Ｃでの最初の放電サイクルでは、１０サイクルの間にＬＥＰＳ電極の放電容量の低下が認められる。２Ｃの放電では、ＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極はほぼ同じでなる。４Ｃと６Ｃの放電電流では、開始時はＬＥＰＳ電極の放電容量の方が大きく、サイクルを重ねるうちにＬＥＰ電極の曲線に近づいていく。８Ｃでは、ＬＥＰＳ電極は同じ開始値でＬＥＰ電極よりも急激な容量低下を示す。放電レートを徐々に上げて４０サイクルを行った後、さらに１Ｃの放電レートで５０サイクル行った。ＬＥＰＳ電極の開始値は定格容量の９４％であり、ゆえにＬＥＰ電極の定格値（１０１％）よりもはるかに低い。１００サイクル後には、２つの電極の差はさらに大きくなる。ＬＥＰＳ電極は定格容量の８３％、ＬＥＰ比較電極は定格容量の９７％である。
【0090】
このことから、ＳＯ２をベースとする電解質を用いたハーフセル実験では、ＬＥＰＳ電極はＬＥＰ電極に比べて高い放電レートでも性能が向上しないと推論される。また、ＬＥＰＳ電極の場合、大電流放電後に放電容量が顕著に低下する。
【0091】
この結果に基づいて、本発明によるＬＥＰＳ電極を、再充電可能な電池セル、すなわちＳＯ２をベースとする電解質を用いたフルセルで使用した場合、それでも良好な結果が得られることは期待できなかった。
【0092】
実験３：フルセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性の測定
前述した実験１および２でＬＥＰＳ電極の結果が悪かったにもかかわらず、フルセルで試験を実施した。このようなフルセルは、ハウジング内に配置された正極および負極からなる。
前述した実験１および２でＬＥＰＳ電極の結果が悪かったにもかかわらず、フルセルで試験を実施した。このようなフルセルは、ハウジング内に配置された正極および負極からなる。
【0093】
実験３は、炭素からなる活物質を有する２つの負極、導電性塩としてＬｉＡｌＣｌ４を含む、ＳＯ２をベースとする電解質、ならびに正極としてＬＥＰＳ電極またはＬＥＰ電極のいずれかを有するフルセルで実施した。正極は、活物質、つまりＬＥＰＳまたはＬＥＰの充填量は約９０ｍｇ／ｃｍ２であった。セルの定格容量は約１００ｍＡｈであった。定格容量は、正極の理論容量から、最初のサイクルで負極の保護層形成のために消費される容量を減じて得られる。この保護層は、フルセルの最初の充電時に負極上に形成される。この保護層形成のためにリチウムイオンが不可逆的に消費されるため、以降のサイクルで利用できるフルセルのサイクル可能な容量が少なくなる。したがって、セルは、正極に用いる活物質の種類のみが異なる。
【0094】
いくつかのサイクル実験を実施した。充電終止電圧の３．６Ｖに達し、充電電流が４０ｍＡに低下するまで、０．１Ａの電流に相当する１Ｃでフルセルを充電した。その後、２．５Ｖの電位に達するまで同じ電流強度でフルセルを放電した。充電と放電の間にそれぞれ１０分間の休止時間を設けた。
【0095】
測定した放電容量は定格容量のパーセンテージで表した。
【0096】
各測定では、異なる活物質を用いた２種類のフルセルを調べた。示した曲線は、２回の同一測定（ＬＥＰＳ電極）または３回の同一測定（ＬＥＰ電極）の平均値である。
【0097】
図６はこの実験結果をプロットしたものである。ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルの開始値は定格容量の約９０％である。ＬＥＰ電極を用いたフルセルの開始値は定格容量の約８３％である。いずれの電極も、サイクル数にわたって放電容量が低下している。ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルの容量低下は、４００サイクル目には１８％となり、残存容量が７２％となった。ＬＥＰ電極を用いたフルセルでは、放電容量の低下は２１％で、４００サイクル後の残存容量は６２％であった。つまり驚くべきことに、ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルは、より安定した長期挙動を示す。
【0098】
先に実施したハーフセル実験では明らかに異なる挙動を示していたため、この結果は予想外で驚きであった。
【0099】
実験４：フルセル実験でＬＥＰＳ電極とＬＥＰ電極とを比較した放電容量のサイクル数依存性の測定
３つの電極を用いたフルセルで非常に良好な結果が得られた後、さらに１１個の正極と１２個の負極を用いた別のフルセルを調べた。フルセルは、正極に用いる活物質の種類のみが異なる。
３つの電極を用いたフルセルで非常に良好な結果が得られた後、さらに１１個の正極と１２個の負極を用いた別のフルセルを調べた。フルセルは、正極に用いる活物質の種類のみが異なる。
【0100】
負極は炭素からなる活物質を含み、電解質は、導電塩としてＬｉＡｌＣｌ４を含む、４．５×ＳＯ２をベースとする電解質（ＬｉＡｌＣｌ４×４．５ＳＯ２）で構成されていた。正極は活物質としてＬＥＰＳまたはＬＥＰを含んでいた。正極の活物質の充填量は約９０ｍｇ／ｃｍ２であった。セルの定格容量は約１０００ｍＡｈであった。
【0101】
複数のサイクル実験を実施した。充電終止電圧の３．６Ｖに達し、充電電流が２０ｍＡに低下するまで、０．１Ａの電流に相当する１Ｃでセルを充電した。その後、２．５Ｖの電位に達するまで同じ電流強度でセルを放電した。フルセルの充電と放電の間にそれぞれ１０分間の休止時間を設けた。
【0102】
測定した放電容量は定格容量のパーセンテージで表した。定格容量は、正極の理論容量から、最初のサイクルで負極の保護層形成のために消費される容量を減じて得られる。
【0103】
図７はこの実験結果をプロットしたものである。示した曲線は、それぞれＬＥＰＳ電極を用いた８つの同一のフルセルまたはＬＥＰ電極を用いた４つの同一のフルセルを用いた測定の平均値である。ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルの開始値は定格容量の約８９％である。ＬＥＰ電極を用いたフルセルの開始値は定格容量の約８６％である。いずれの電極も、サイクル数にわたって放電容量の低下を示している。ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルの容量低下は、５００サイクル目には定格容量の２４％、１０００サイクル目には３０％となった。そうすると放電容量は定格容量の５９％となる。ＬＥＰＳ電極を用いたフルセルは、３１％（５００サイクル目）、３５％（１０００サイクル目）と低下し、最終的には定格容量の５１％となる。また、ＬＥＰＳ電極を多数備えた電池セルは、より安定した長期挙動を示す。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】