(57)【要約】      （修正有）【課題】水の存在下で製造することができる、より良好な性能を有するリチウム電池の提供。【解決手段】陽極、陰極、電解質溶液およびハウジング構造を含むリチウム電池であって、陽極は酸素含有官能基を有する材料からなり、陰極は陽極とは別々に構成され、溶液領域は陰極と陽極との間に設けられ、電解質溶液は溶液領域中に設けられ、電解質溶液は水および添加剤を含み、ハウジング構造は陽極と、陰極と共に電解質溶液をシールする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有官能基を有する材料であって、炭化物、金属酸化物、またはこれらの組み合わせによる材料を含む、陽極；
該陽極とは別々に構成され、該陽極との間に溶液領域が画定される、陰極；
水、有機溶媒、電解質および添加剤を含み、該溶液領域に設けられる、電解質溶液；ならびに
該陽極と、該陰極と共に該電解質溶液をシールする、ハウジング構造
を含むリチウム電池。
【請求項２】
前記酸素含有官能基が、フェノール基、キノン基、ピロン基、ピラン基、ラクトン基またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項３】
前記陰極が、リチウム金属、リチウム混合金属酸化物またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項４】
前記水の含有量が２０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍである、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項５】
前記添加剤が、マレイミド、ポリマレイミド、ビスマレイミド、ポリビスマレイミド、ビスマレイミドおよびマレイミドのコポリマー、炭酸ビニレンまたはこれらの混合物を含む、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項６】
前記マレイミドは、Ｎ−フェニルマレイミド、Ｎ−（ｏ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｍ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｐ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−シクロへキシルマレイミド、マレイミド、マレイミドフェノール、マレイミドベンゾシクロブテン、リン含有マレイミド、リン酸含有マレイミド、シロキサン含有マレイミド、Ｎ−（４−テトラヒドロピラニル−オキシフェニル）マレイミド、または２，６−キシリルマレイミドを含む、請求項５に記載のリチウム電池。
【請求項７】
前記ビスマレイミドの構造式が、式１：
【化１】
2014072185.tif 000026
式１
（式中、Ｒとしては
【化２】
2014072185.tif 000027
,
【化３】
2014072185.tif 000028
,
【化４】
2014072185.tif 000029
,
【化５】
2014072185.tif 000030
,
【化６】
2014072185.tif 000031
,
【化７】
2014072185.tif 000032
,
【化８】
2014072185.tif 000033
,
【化９】
2014072185.tif 000034
,
【化１０】
2014072185.tif 000035
または
【化１１】
2014072185.tif 000036
が挙げられる）
で表される、請求項５に記載のリチウム電池。
【請求項８】
前記添加剤の含有量が０．０５重量％〜０．５重量％である、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項９】
前記有機溶媒の含有量が９５重量％〜９９重量％である、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項１０】
前記電解質の含有量が３０重量％〜４０重量％である、請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項１１】
陽極および／または陰極と別々に反応するポリマー結合剤をさらに含む、請求項１に記載のリチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池、とくにリチウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次電池は環境にやさしくないため、再充電性、軽量、高電圧値、および高エネルギー密度といった特徴を有するリチウム電池の市場での需要は近年増加してきている。従って、軽量、持続性、高電圧、高エネルギー密度、および高安全性といったリチウム電池の現在の性能への要求はより高まっている。とくに、リチウム電池は、軽量電気自動車、電気自動車および大規模電力貯蔵産業における適応性および普及に高い可能性を有する。
【０００３】
しかしながら、現在既知の技術では、リチウム電池の製造は水分量の低い乾燥雰囲気中で行わなければならず、その主な理由はリチウム電池中に水分が多過ぎると水が電気化学反応中に電解を引き起こし、それにより生じるガス生成によりリチウム電池の性能に影響が及ぶからである。上記問題を克服するため、ほとんどの製造業者は高度に乾燥した乾燥室を構築するか、または追加の第２ハウジング工程を要し、これは高い乾燥条件を有する乾燥室を維持するのに電力のコストがかかり過ぎるだけでなく、貯蔵ガス室における脱ガス工程にも追加の費用および時間がかかる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、水の存在下で製造することができる、より良好な性能を有するリチウム電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、陽極、陰極、電解質溶液およびハウジング構造を備えたリチウム電池を提供する。陽極は、酸素含有官能基を有する材料を含む。陰極および陽極は別々に構成され、陰極と陽極との間に溶液領域が画定される。電解質溶液は溶液領域に配され、電解質溶液は水および添加剤を含む。ハウジング構造は陽極、陰極および電解質溶液をカバーする。
【０００６】
本発明の一実施形態では、リチウム電池は陽極と陰極との間に配置される隔離フィルムをさらに備え、溶液領域は隔離フィルム、陽極および陰極により画定される。
【０００７】
本発明の一実施形態では、隔離フィルムの材料は、例えば、絶縁材料である。
【０００８】
本発明の一実施形態では、絶縁材料は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはこれらの組み合わせである。
【０００９】
本発明の一実施形態では、酸素含有官能基は、例えば、フェノール基、キノン基、ピロン基、ピラン基、ラクトン基またはこれらの組み合わせである。
【００１０】
本発明の一実施形態では、材料は、例えば、炭化物である。
【００１１】
本発明の一実施形態では、炭化物は、例えば、硬質炭素、軟質炭素、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、炭素繊維、炭素ナノチューブまたはこれらの混合物である。
【００１２】
本発明の一実施形態では、酸素含有官能基を有する材料は、例えば、金属酸化物である。
【００１３】
本発明の一実施形態では、金属酸化物は、例えば、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｉｎ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ａｇ２Ｏ、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＦｅＯまたはこれらの組み合わせである。
【００１４】
本発明の一実施形態では、陰極は、例えば、リチウム金属、リチウム混合金属酸化物またはこれらの組み合わせである。
【００１５】
本発明の一実施形態では、リチウム混合金属酸化物としては、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ２Ｃｒ２Ｏ７、Ｌｉ２ＣｒＯ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏ１−ｘＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎ０．５Ｎｉ０．５Ｏ２、ＬｉＭｎ１／３Ｃｏ１／３Ｎｉ１／３Ｏ２、ＬｉＭｃ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４またはこれらの組み合わせが挙げられ、０＜ｘ＜１であり、Ｍｃは二価金属である。
【００１６】
本発明の一実施形態では、水の含有量は、例えば、２０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍである。
【００１７】
本発明の一実施形態では、水の含有量は、例えば、１００ｐｐｍである。
【００１８】
本発明の一実施形態では、添加剤は、例えば、マレイミド、ポリマレイミド、ビスマレイミド、ポリビスマレイミド、ビスマレイミドおよびマレイミドのコポリマー、炭酸ビニレンまたはこれらの混合物である。
【００１９】
本発明の一実施形態では、マレイミドは、例えば、Ｎ−フェニルマレイミド、Ｎ−（ｏ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｍ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｐ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−シクロへキシルマレイミド、マレイミド、マレイミドフェノール、マレイミドベンゾシクロブテン、リン含有マレイミド、リン酸含有マレイミド、シロキサン含有マレイミド、Ｎ−（４−テトラヒドロピラニル−オキシフェニル）マレイミド、または２，６−キシリルマレイミドである。
【００２０】
本発明の一実施形態では、ビスマレイミドの構造式は式１：
【化１】
2014072185.tif 000002
式１
（式中、Ｒとしては：
【化２】
2014072185.tif 000003
,
【化３】
2014072185.tif 000004
,
【化４】
2014072185.tif 000005
,
【化５】
2014072185.tif 000006
,
【化６】
2014072185.tif 000007
,
【化７】
2014072185.tif 000008
,
【化８】
2014072185.tif 000009
,
【化９】
2014072185.tif 000010
,
【化１０】
2014072185.tif 000011
または
【化１１】
2014072185.tif 000012
が挙げられる）
で表される。
【００２１】
本発明の一実施形態では、添加剤の含有量は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％である。
【００２２】
本発明の一実施形態では、電解質溶液は有機溶媒をさらに含む。
【００２３】
本発明の一実施形態では、有機溶媒は、例えば、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、酢酸プロピル（ＰＡ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）、またはこれらの組み合わせである。
【００２４】
本発明の一実施形態では、有機溶媒の含有量は、例えば、９５重量％〜９９重量％である。
【００２５】
本発明の一実施形態では、電解質溶液は電解質をさらに含む。
【００２６】
本発明の一実施形態では、電解質は、例えば、リチウム塩である。
【００２７】
本発明の一実施形態では、リチウム塩は、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＧａＣｌ４、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＯ３ＳＣＦ２ＣＦ３、ＬｉＣ６Ｆ５ＳＯ３、ＬｉＯ２ＣＣＦ３、ＬｉＳＯ３Ｆ、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３またはこれらの組み合わせである。
【００２８】
本発明の一実施形態では、電解質の含有量は、例えば、３０重量％〜４０重量％である。
【００２９】
本発明の一実施形態では、リチウム電池は、陽極および／または陰極と別々に反応するポリマー結合剤をさらに含む。
【００３０】
本発明の一実施形態では、ポリマー結合剤は、例えば、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアミド、メラミン樹脂、カルボキシメチル−セルロース（ＣＭＣ）、水系結合剤（ＬＡ１３２、Ｃｈｅｎｇｄｕ  Ｉｎｄｉｇｏ  ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ＣＯ．，Ｌｔｄ．製）またはこれらの組み合わせである。
【発明の効果】
【００３１】
上記に基づき、本発明のリチウム電池は、陽極の酸素含有官能基および添加剤を用い、水の存在下で電気化学反応を行い、自家重合物質を生成し、これにより電池容量を増加させ、急速充放電性能を向上させる。
【００３２】
また、本発明のリチウム電池は水を含有し得るので、現在の技術が求めるように電池製造工程が無水環境に限定される必要がなく、よって電池製造工程のために無水環境を維持するための電力消費を削減でき、結果的に製造コストを低減する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係るリチウム電池の断面概略図である。
【図２】本発明の実施例および比較例１〜４におけるリチウム電池の充放電サイクル数と電池容量との関係曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は本発明の一実施形態によるリチウム電池の断面概略図である。
【００３５】
図１を参照すると、リチウム電池１００は陽極１０２、陰極１０４、電解質溶液１０８およびハウジング構造１１２を含む。
【００３６】
陽極１０２は酸素含有官能基を有する材料を含む。また、陽極１０２に用いられる材料は、例えば、炭素粉末、黒鉛、グラフェン、炭素繊維、炭素ナノチューブまたはこれらの混合物のような炭化物であり、材料の酸素含有官能基は、例えば、フェノール基、キノン基、ピロン基、ピラン基、ラクトン基またはこれらの組み合わせである。物質の組み合わせに加えて、酸素含有官能基を有する材料は、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｉｎ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ａｇ２Ｏ、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＦｅＯまたはこれらの組み合わせを含む、金属酸化物とすることもできる。
【００３７】
陰極１０４および陽極１０２は別々に構成され、溶液領域１１０は陽極１０２と陰極１０４との間に画定される。陰極１０４は、例えば、リチウム金属、リチウム混合金属酸化物またはこれらの組み合わせであり、リチウム混合金属酸化物はＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ２Ｃｒ２Ｏ７、Ｌｉ２ＣｒＯ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏ１−ｘＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎ０．５Ｎｉ０．５Ｏ２、ＬｉＭｎ１／３Ｃｏ１／３Ｎｉ１／３Ｏ２、ＬｉＭｃ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４またはこれらの組み合わせであってもよく、０＜ｘ＜１であり、Ｍｃは二価金属である。
【００３８】
電解質溶液１０８は溶液領域１１０中に配置され、電解質溶液１０８は水および添加剤を含む。電解質溶液１０８中の水の含有量は、例えば、２０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍである。１つの実施形態では、水の含有量は、例えば、１００ｐｐｍである。一般的には、「無水」は水の含有量が２０ｐｐｍ未満であると定義される。
【００３９】
電解質溶液１０８中の添加剤は、例えば、マレイミド、ポリマレイミド、ビスマレイミド、ポリビスマレイミド、ビスマレイミドおよびマレイミドのコポリマー、炭酸ビニレンまたはこれらの混合物である。電解質溶液１０８中の添加剤の含有量は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％である。
【００４０】
また、マレイミドはＮ−フェニルマレイミド、Ｎ−（ｏ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｍ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−（ｐ−メチルフェニル）−マレイミド、Ｎ−シクロへキシルマレイミド、マレイミド、マレイミドフェノール、マレイミドベンゾシクロブテン、リン含有マレイミド、リン酸含有マレイミド、シロキサン含有マレイミド、Ｎ−（４−テトラヒドロピラニル−オキシフェニル）マレイミド、または２，６−キシリルマレイミドであってもよい。ビスマレイミドの構造式は、例えば、式１：
【化１２】
2014072185.tif 000013
式１
（式中、Ｒは、例えば、
【化１３】
2014072185.tif 000014
,
【化１４】
2014072185.tif 000015
,
【化１５】
2014072185.tif 000016
,
【化１６】
2014072185.tif 000017
,
【化１７】
2014072185.tif 000018
,
【化１８】
2014072185.tif 000019
,
【化１９】
2014072185.tif 000020
,
【化２０】
2014072185.tif 000021
,
【化２１】
2014072185.tif 000022
または
【化２２】
2014072185.tif 000023
である）
で表される。
【００４１】
また、電解質溶液１０８は有機溶媒をさらに含むことができ、電解質溶液１０８中の有機溶媒の含有量は、例えば、９５重量％〜９９重量％である。有機溶媒は例えばγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、酢酸プロピル（ＰＡ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）、またはこれらの組み合わせである。
【００４２】
さらに、電解質溶液１０８は電解質をさらに含むことができ、電解質溶液１０８中の電解質の含有量は、例えば、３０重量％〜４０重量％である。電解質は、例えば、リチウム塩であり、リチウム塩はＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＧａＣｌ４、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＯ３ＳＣＦ２ＣＦ３、ＬｉＣ６Ｆ５ＳＯ３、ＬｉＯ２ＣＣＦ３、ＬｉＳＯ３Ｆ、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３またはこれらの組み合わせである。
【００４３】
ハウジング構造１１２は、陽極１０２、陰極１０４および電解質溶液１０８をカバーするために用いられる。ハウジング構造１１２の材料は、例えば、アルミニウム箔である。
【００４４】
また、リチウム電池１００は陽極１０２と陰極１０４との間に配置される隔離フィルム１０６をさらに含むことができ、溶液領域１１０は隔離フィルム１０６、陽極１０２および陰極１０４により画定される。隔離フィルム１０６の材料は、例えば、絶縁材料であり、絶縁材料はポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの組み合わせであってもよい。
【００４５】
一方、リチウム電池１００は、陽極１０２および／または陰極１０４に用いることで電極の機械特性が向上するような、ポリマー結合剤をさらに含んでいてもよい。ポリマー結合剤は、例えば、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアミド、メラミン樹脂、カルボキシメチル−セルロース（ＣＭＣ）、水系結合剤（ＬＡ１３２、Ｃｈｅｎｇｄｕ  Ｉｎｄｉｇｏ  ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ＣＯ．，Ｌｔｄ．製）またはこれらの組み合わせである。
【００４６】
本発明の一実施形態によると、「自家重合物質」は電解質溶液１０８中の添加剤および水ならびに陽極１０２の酸素含有官能基を有する材料の電気化学反応から生成することができ、よってリチウム電池性能を向上させるのに役立つ。
【００４７】
さらに、本発明のリチウム電池１００は水を含有し得るので、現在の技術が求めるように電池製造工程を無水環境に限定する必要はなく、よって電池製造工程のため無水環境を維持するための電力消費を削減し、結果的に製造コストを低減する。
【００４８】
上記実施形態におけるリチウム電池の特徴について、以下の実施例に詳細に説明する。しかしながら、以下の実施例のデータは、上記実施形態において製造されるリチウム電池の電池容量および充放電サイクルの特徴を説明することのみを意図し、本発明の範囲を限定することを意図しない。
【実施例】
【００４９】
［実施例］
８重量部の黒鉛および４重量部のＮａＮＯ３と５６０体積部の濃縮Ｈ２ＳＯ４を２時間撹拌する。次に、３２重量部のＫＭｎＯ４を上記混合物に添加し、これを次に氷浴中で２時間冷却する。次に、８００体積部の脱イオン水での希釈後、５％過酸化水素を添加する。上記混合物が褐色になれば、黒鉛は完全に酸化している。次に、酸化黒鉛スラリーを脱イオン水に分散させ、０．１Ｍ塩酸をこれに添加し、硫酸イオンを除去する。次に、脱イオン水で洗浄後の酸化黒鉛スラリーのｐＨ値は約５となる。次に、オーブン中８０℃で２４時間加熱することで、グラフェン粉末が得られる。次に、高温炉において３００℃および１５％Ｈ２／８５％Ｎ２の雰囲気下で２時間加熱処理を行い、フェノール基、キノン基、ピロン基、ピラン基またはラクトン基を含有するグラフェン粉末（ＧＮＳ−３００）を生成する。
【００５０】
次に、８９重量部のグラフェン粉末（ＧＮＳ−３００）、１重量部の導電性カーボンブラックならびに１０重量部のカルボキシメチルセルロースおよびスチレン−ブタジエンゴムを脱イオン水中に分散させる。次に、アルミニウム箔にこのスラリーを塗装し、塗装したアルミニウム箔を乾燥、圧縮、および切断して陽極を形成する。
【００５１】
また、２体積部の炭酸プロピレン（ＰＣ）、３体積部の炭酸エチレン（ＥＣ）および５体積部の炭酸ジエチル（ＤＥＣ）を電解質溶液中の有機溶媒として混合し；１Ｍの濃度を有するＬｉＰＦ６を電解質溶液のリチウム塩として用い；ビスマレイミドおよび炭酸ビニレンを電解質溶液中の添加剤として用いる。ビスマレイミドの構造式は式２に示すとおりであり、電解質溶液中のビスマレイミドの含有量は０．１重量％であり、電解質溶液中の炭酸ビニレンの含有量は２重量％である。
【化２３】
2014072185.tif 000024
式２
【００５２】
次に、陽極および陰極を隔離フィルム（ＰＰ）で分離し、電解質溶液を通常湿度（相対湿度＞９５％）で陽極と陰極との間の溶液領域に投入する。ここで、水の含有量は１００ｐｐｍとする。最後に、上記構造をハウジング構造でシール（ｓｅａｌ）し、リチウム電池の製造工程を終了する。ここで、陽極は酸素含有官能基を含み、電解質溶液は添加剤および水を含有する。
【００５３】
［比較例１］
比較例１のリチウム電池と実施例のリチウム電池とは、電解質溶液中の成分が異なる。比較例１の電解質溶液の成分は：２体積部の炭酸プロピレン（ＰＣ）、３体積部の炭酸エチレン（ＥＣ）および５体積部の炭酸ジエチル（ＤＥＣ）を混合することにより形成される有機溶媒；リチウム塩（１Ｍ  ＬｉＰＦ６）；ならびに添加剤（ビスマレイミドおよび炭酸ビニレン）を含む。ここで、ビスマレイミドの構造式は式２のとおりであり、電解質溶液中のビスマレイミドの含有量は０．１重量％であり、電解質溶液中の炭酸ビニレンの含有量は２重量％である。次に、陽極および陰極を隔離フィルムで分離し、上記電解質溶液を乾燥室環境において陽極と陰極との間の溶液領域に投入する。ここで、水の含有量はカール・フィッシャー水分計により２０ｐｐｍである。実施例との比較において、比較例１の電解質溶液は無水電解質溶液とする。
【００５４】
［比較例２］
比較例２のリチウム電池と実施例のリチウム電池とは、電解質溶液中の成分が異なる。比較例２の電解質溶液の成分は：２体積部の炭酸プロピレン（ＰＣ）、３体積部の炭酸エチレン（ＥＣ）および５体積部の炭酸ジエチル（ＤＥＣ）を混合することにより形成される有機溶媒；ならびにリチウム塩（１Ｍ  ＬｉＰＦ６）を含む。次に、陽極および陰極を隔離フィルムで分離し、上記電解質溶液を乾燥室環境において陽極と陰極との間の溶液領域に投入する。ここで、水の含有量はカール・フィッシャー水分計により２０ｐｐｍである。実施例との比較において、比較例２の電解質溶液は添加剤を含まない無水電解質溶液とする。
【００５５】
［比較例３］
比較例３のリチウム電池と実施例のそれは陽極の材料が異なる。比較例３におけるリチウム電池の陽極材料の調製方法について以下に記載する。
【００５６】
８重量部の黒鉛および４重量部のＮａＮＯ３と５６０体積部の濃縮Ｈ２ＳＯ４を２時間撹拌する。次に、３２重量部のＫＭｎＯ４を上記混合物に添加し、これを次に氷浴中で２時間冷却する。次に、８００体積部の脱イオン水での希釈後、５％過酸化水素を添加する。上記混合物が褐色になれば、黒鉛は完全に酸化している。次に、酸化黒鉛スラリーを脱イオン水中に分散し、０．１Ｍ塩酸をこれに添加し、硫酸イオンを除去する。次に、脱イオン水で洗浄後の酸化黒鉛スラリーのｐＨ値は約５である。次に、オーブン中８０℃で２４時間加熱することで、グラフェン粉末が得られる。次に、高温炉において１４００℃で２時間加熱処理を行い、フェノール基、キノン基、ピロン基、ピラン基またはラクトン基を有さないグラフェン粉末（ＧＮＳ−１４００）を生成する。
【００５７】
［比較例４］
比較例４のリチウム電池と比較例３のリチウム電池とは、電解質溶液の成分が異なる。比較例４の電解質溶液の成分は：２体積部の炭酸プロピレン（ＰＣ）、３体積部の炭酸エチレン（ＥＣ）および５体積部の炭酸ジエチル（ＤＥＣ）を混合することにより形成される有機溶媒；ならびにリチウム塩（１Ｍ  ＬｉＰＦ６）を含む。次に、陽極および陰極を隔離フィルムで分離し、上記電解質溶液を乾燥室環境において陽極と陰極との間の溶液領域に投入する。ここで、水の含有量はカール・フィッシャー水分計により２０ｐｐｍである。比較例３との比較において、比較例４の電解質溶液は添加剤を含まない無水電解質溶液である。
【００５８】
［電気的測定］
［Ａ．電池容量］
実施例および比較例１〜比較例４のリチウム電池を、一定の電流／電圧で充電および放電する。まず、リチウム電池を、電流が０．１ｍＡ以下になるまで、０．１ｍＡ／ｃｍ２の一定電流で０．００５Ｖまで充電する。次に、リチウム電池を０．１ｍＡ／ｃｍ２の一定電流でカットオフ電圧（３．５Ｖ）まで放電する。実施例および比較例１〜比較例４のリチウム電池のグラム当たりの容量（１グラム当たりのミリアンプ時間、ｍＡｈ／ｇ）および効率を以下の表１に示す。
【００５９】
［Ｂ．充放電サイクル試験］
実施例および比較例１〜比較例４のリチウム電池を、一定の電流／電圧で充電および放電する。まず、リチウム電池を、電流が０．１ｍＡ以下になるまで、０．１ｍＡ／ｃｍ２の一定電流で０．００５Ｖまで充電する。次に、リチウム電池を０．１ｍＡ／ｃｍ２の一定電流でカットオフ電圧（３．５Ｖ）まで放電する。上記工程を１０回繰り返す。実施例および比較例１〜比較例４のリチウム電池のグラム当たりの容量（１グラム当たりのミリアンプ時間、ｍＡｈ／ｇ）を以下の表１に示す。また、図２は本発明の実施例および比較例１〜４のリチウム電池の充放電サイクル数と電池容量との関係曲線を示す図である。
【００６０】
【表１】
2014072185.tif 000025
【００６１】
表１に示すように、充電および放電の１０サイクル後、本発明の実施例の電池容量は比較例３と比べて４倍増加する。また、図２の結果に示すように、陽極が酸素含有官能基を含まず、電解質溶液が添加剤をまったく含有せず、水をほとんど含有しない、比較例４のリチウム電池が、より悪いサイクル寿命およびより小さい電池容量を有するのに対し、陽極が酸素含有官能基を含み、電解質溶液が添加剤および水を含有する、実施例のリチウム電池は、より良いサイクル寿命およびより大きな電池容量を有する。さらに、電解質溶液中に水をほとんど含まない比較例１、電解質溶液中に添加剤をまったく含まず、水をほとんど含まない比較例２、および陽極中に酸素含有官能基を含まない比較例３のリチウム電池のサイクル寿命および電池容量は、すべて実施例と比較例４のリチウム電池の電池容量の間の値であるが、この中で、陽極が酸素含有官能基をまったく含まない比較例３のリチウム電池がもっとも短いサイクル寿命およびもっとも小さい電池容量を有する。
【００６２】
上記データから、添加剤、水および酸素含有官能基の間の電気化学反応により生成される自家重合物質により電池容量および繰り返し寿命を効果的に向上できることを理解できる。ここでは、例えば、ビスマレイミドおよび炭酸ビニレンである添加剤が、特定の量の水を含有する電解質溶液と組み合わされ、その陽極中に酸素含有官能基を含有するグラフェンリチウム電池に用いられる。また、上記データは良好な電池容量およびループ寿命を有するリチウム電池を通常湿度（相対湿度＞９５％）で製造できることも示す。
【００６３】
要約すると、上記実施形態のリチウム電池では、電池容量およびサイクル寿命は、陽極の酸素含有官能基を電解質溶液中の添加剤および水と電気化学反応させることによって自家重合物質を生成することにより効果的に向上される。さらに、上記実施形態は、既知の製造工程の電力消費を低減し、よって製造コストを効果的に低減し、安全性を向上させる。
【００６４】
本発明を上記実施形態により開示してきたが、それらは本発明を限定することを意図しない。当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、いくつかの変更を行うことができる。従って、本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のリチウム電池は陽極の酸素含有官能基および添加剤を用い、水の存在下で電気化学反応を行い、自家重合物質を生成し、これにより電池容量を増加させ、急速充放電性能を向上させる。
【００６６】
さらに、本発明のリチウム電池は水を含有し得るので、電池製造工程を無水環境に限定する必要はなく、よって電池製造工程のため無水環境を維持するための電力消費を節約し、結果的に製造コストを低減する。
【符号の説明】
【００６７】
１００：リチウム電池
１０２：陽極
１０４：陰極
１０６：隔離フィルム
１０８：電解質溶液
１１０：溶液領域
１１２：ハウジング構造
【図１】
2014072185.tif 000037
【図２】
2014072185.tif 000038
【外国語明細書】
2014072185000001.pdf