(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性物質を含む第一電極と；
第二電極と；
前記第一電極および前記第二電極の間に位置し、マグネシウムイオンを含む電解質と、を含有する充電池である装置であって、
前記活性物質が、１／９９から９９／１までのビスマス／スズの原子比率を有する、ビスマスおよびスズの二元組合せ(binary combination)を含み、
前記活性物質が、マグネシウム化された(magnesiated)ビスマス化合物およびマグネシウム化されたスズ化合物の形成を通じて、前記電池の作動中に、前記マグネシウムイオンの挿入および脱離を許容し、
前記装置が、マグネシウムイオン充電池であり、
前記第一電極が負極である、装置。
【請求項２】
前記活性物質が、ビスマスおよびスズの金属間化合物を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ビスマスおよびスズの金属間化合物が、０．０１≦ｘ≦０．９９である、組成Ｂｉ１−ｘＳｎｘを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
０．４≦ｘ≦０．６である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記活性物質が、ビスマスおよびスズの二元固溶体を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、充電状態および放電状態を有する充電池であり、
前記活性物質が、前記充電池が前記放電状態である時に、前記マグネシウム化されたビスマス化合物および前記マグネシウム化されたスズ化合物を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記マグネシウム化されたビスマス化合物が、完全にマグネシウム化されたビスマス化合物であり、前記マグネシウム化されたスズ化合物が、完全にマグネシウム化されたスズ化合物であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記装置がハウジングを有し、
前記ハウジングは、前記第一電極に電気的に接続された第一端子、および、前記第二電極に電気的に接続された第二端子を支持し、前記ハウジングは電解質を密封する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第一端子が外側表面および内側表面を有し、前記活性物質が、前記第一端子の前記内側表面上に直に堆積されている(deposited)、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記電解質が、マグネシウム塩の非水溶液を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記マグネシウム塩がマグネシウムおよび対イオンの化合物であり、前記対イオンが、トリフルオロメタンスルホンイミド、（ＴＳＦＩ−）、過塩素酸塩（ＣｌＯ４−）、および、ヘキサフルオロりん酸塩（ＰＦ６−）から成る群から選択される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第二電極が、マグネシウムイオン層間化合物(intercalating compound)を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
負極活性物質を含む負極と；
負極支持体と；
前記負極支持体に電気的に接続された負極端子と；
正極活性物質を含む正極と；
正極支持体と；
前記正極支持体に電気的に接続された正極端子と；
前記負極および前記正極の間に位置し、マグネシウムイオンを含む電解質と；
前記電解質を密封するハウジングと、を含有する、マグネシウムイオン充電池である装置であって、
前記負極活性物質が、ビスマスおよびスズの二元組合せである、装置。
【請求項１４】
前記負極活性物質が、充放電サイクル中に、マグネシウム化されたビスマス化合物およびマグネシウム化されたスズ化合物を形成することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記負極活性物質が、ビスマスおよびスズの二元金属間化合物を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記負極活性物質が、ビスマスおよびスズの二元合金を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記負極端子が外側表面および内側表面を有し、前記負極活性物質が、前記負極端子の前記内側表面上に直に形成されているため、前記負極端子が前記負極支持体を提供する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記正極活性物質が、マグネシウムイオン層間化合物を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への言及
この出願は、２０１２年５月３０日に出願された米国特許出願整理番号１３／４８３，３８８号の優先権を主張し、その全内容は、全て参照することによりここに援用される。
【０００２】
本発明は、マグネシウムイオン充電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオン電池には、幅広い用途が見出される。しかしながら、より高い体積エネルギー密度を有する改良された電池は、自動車を含む種々の用途における、電池のさらなる使用を許容しうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例は、第一電極および第二電極を有するマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）充（二次）電池を含む。いくつかの例においては、上記第一電極は、ビスマス（Ｂｉ）およびスズ（Ｓｎ）を含む活性物質を含み、上記第一電極は負極であり、放電サイクルのための陰性電極である。上記活性物質は、ＢｉおよびＳｎの二元組合せ(binary combination)でもよく、ＢｉおよびＳｎ領域の混合物、二元固溶体、金属間化合物、または、それらのいくつかの組合せを含んでいてもよい。いくつかの例においては、上記負極は、ビスマス−スズ（Ｂｉ−Ｓｎ）金属間化合物を含む。
【０００５】
本発明の例は、マグネシウムイオン充電池における使用のための、ビスマス（Ｂｉ）の卓越した可逆性およびスズ（Ｓｎ）の優れた容量を兼備させた、高容量Ｂｉ−Ｓｎ負極二元活性物質を含み、上記負極二元活性物質は、Ｍｇ２＋イオンホスト物質として作用する。
【０００６】
マグネシウムイオン電池例は、負極支持体、負極、電解質層、正極、および、正極支持体を含む。上記負極および上記正極支持体は金属を含有してもよく、電池ハウジングの一部であり、上記電池への電気的な接触を許容してもよい。したがって、上記負極および正極支持体も、上記電池端子であってもよい。上記負極は、ＢｉおよびＳｎを用いて、例えば、スパッタリングまたは任意の他の適切な堆積プロセスを用いて製造することができる。いくつかの例において上記負極活性物質は、上記電池の負極端子上に直に形成されてもよく、上記端子の外側表面は上記電池のための電気的な接触を提供し、上記端子の内側表面は、その上に上記活性物質が堆積された上記負極支持体として作用する。
【０００７】
負極は、ＢｉおよびＳｎを、例えばＢｉおよびＳｎの二元組合せとして含む、活性物質を含んでいてもよい。負極は、Ｂｉ−Ｓｎ二元合金を、例えば一方の金属中の他方の金属の固溶体として含んでいてもよい。負極は、Ｂｉおよび／またはＳｎの個別の塊を含んでいてもよく、ＢｉおよびＳｎのナノ粒子を含んでいてもよい。いくつかの例において、上記負極活性物質は、Ｂｉ−Ｓｎ二元金属間化合物を、例えばＢｉ１−ｘＳｎｘの形で含む。いくつかの例において金属間化合物は、必ずしも化学量論的でなくても、または、長期(long range)結晶特性を有していなくてもよいが、そのような物質と近くてもよい。
【０００８】
電池は、上記第一および第二電極間、すなわち、上記負極および正極間に電解質層を有する。上記電解質層は、マグネシウム化合物、特にはマグネシウム塩などの、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）の源を含んでいてもよい。上記マグネシウム化合物は、例えばテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの、有機溶媒などの非水溶媒中に溶解されてもよい。上記イオン対は、トリフルオロメタンスルホンイミド、（ＴＳＦＩ−）、過塩素酸塩（ＣｌＯ４−）、ヘキサフルオロりん酸塩（ＰＦ６−）、または他のイオン対でもよく、高い酸化安定性を有するイオン対であることが好ましい。他の例において上記電解質は、例えばイオン液体（または溶融塩）におけるイオンマグネシウム化合物の溶液としての、イオン液体内のマグネシウムイオンを含む。
【０００９】
いくつかの例において上記電解質層は、上記負極および正極間の物理的な、それ故電気的な接触を防止するためのスペーサまたはセパレータを含んでいてもよい。いくつかの例において上記電解質層は、マグネシウムイオン伝導性の、高分子イオン伝導層を含んでいてもよい。
【００１０】
本発明の例は、放電サイクル中の、完全にマグネシウム化された(magnesiated)ＢｉおよびＳｎ相の形成を通じた、マグネシウムイオンの挿入および脱離に耐え得る、Ｂｉ−Ｓｎ二元負極を含む。そのような物質は、Ｂｉ負極の有利な可逆性と、Ｓｎ負極の高い容量とを、一つの物質へと兼備させることができる。
【００１１】
マグネシウムイオン電池の製造方法は、例えば組成Ｂｉ１−ｘＳｎｘを有する金属間膜を含む、Ｂｉ−Ｓｎの二元活性物質を形成するために、電極支持体上にＢｉおよびＳｎを堆積させることを含む。さらに、上記膜は、改良されたマグネシウム電池の負極アセンブリとして用いられてもよく、上記マグネシウムイオン電池を形成するために、電解質および正極を提供することをさらに含む。
【００１２】
マグネシウムイオン電池を作動させる改良された方法は、ＢｉおよびＳｎを含む負極、マグネシウムイオンを含む電解質、および、正極を提供する工程と、上記負極内にマグネシウムイオンを吸蔵することにより、電気的なエネルギーを得る工程とを含む。マグネシウムイオンの吸蔵は、ＢｉおよびＳｎのマグネシウム化された化合物、いくつかの例においては完全にマグネシウム化された化合物、の形成を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、マグネシウムイオン電池の例を示す。
【図２】図２は、Ｂｉ−Ｓｎ膜における、マグネシウムイオンの挿入および脱離を説明する。
【図３】図３は、上記膜への、マグネシウムイオン挿入中の種々の段階の走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像を示し、図３（Ａ）は堆積されたままのＢｉ−Ｓｎ膜を示し、図３（Ｂ）は放電サイクル中のＭｇ３Ｂｉ２の形成を説明し、図３（Ｃ）は放電サイクル中のＭｇ２Ｓｎの形成を示す。図２における文字Ａ、ＢおよびＣは、それぞれ、図３（Ａ）、３（Ｂ）および３（Ｃ）に対応する。
【図４】図４は、固溶体相の形成を強調した、堆積されたままのＢｉ−Ｓｎ膜のｘ線回折（ＸＲＤ）を示す。指し込み図は、この相の形成を強調した、上記スペクトルの一部をより詳細に示す。使用された基板は、銅（Ｃｕ）である。
【図５】図５は、Ｂｉ−Ｓｎ固溶体の状態図を示し、利用できる組成の幅広い多様性を示す。
【図６】図６は、容量またはより良い可逆性において、異なる関連する長所を得るために、必要に応じてどのようにＢｉ１−ｘＳｎｘの組成を変化させることができるかを説明する簡略化された図式である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の例は、ビスマス（Ｂｉ）およびスズ（Ｓｎ）の二元混合物を含む電極を有する、マグネシウムイオン（Ｍｇイオン）電池を含む。ＢｉおよびＳｎの二元活性物質は、Ｂｉ−Ｓｎ電極として表示されてもよい。例えば電極は、例えば０＜ｘ＜１である組成Ｂｉ１−ｘＳｎｘを有する、二元金属間化合物へ兼備されたＢｉおよびＳｎを含んでいてもよい。しかしながらＢｉ−Ｓｎ電極は、例えば、ナノ粒子などの、ＢｉおよびＳｎ粉末の混合物として、非金属間相にＢｉおよびＳｎを含んでいてもよい。ＢｉおよびＳｎの原子比率は、例えば５：９５から９５：５など、Ｂｉ：Ｓｎが１：９９から９９：１の範囲内でもよく、上記電極の組成は、Ｓｎの高い容量と、Ｂｉの改良された可逆性との間の所望のバランスを考慮して選択される。
【００１５】
改良されたマグネシウムイオン電池の電極は、電極活性物質として個別に作用する、２つの物質を含む。上記組み合わせは、負極などの単独の電極が、各個別の種と関連する長所を提供することを許容する。例えば二元合金および／または金属間化合物としてＢｉおよびＳｎを含む電極活性物質は、制御された方法による、電池の容量と可逆性とのトレードオフを許容する。これは、単独種の電極活性物質を用いた従来の電池に勝る、重要な長所を与える。
【００１６】
マグネシウム（Ｍｇ）イオン充電池は、Ｍｇイオンを通じた２つの電子移動を介して得られる高い容量密度のため、高エネルギー電池システムとしての有望さを示す。Ｍｇ金属負極は、３８３３Ａｈ／Ｌの理論上の容量密度を示すが、Ｌｉ金属負極は、たった２０６１Ａｈ／Ｌを示す。高電圧および高容量のＭｇベースの電池の開発は、電極および電解質等の開発についての、かなりの難題をもたらす。テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）ベースの有機ハルミネート(organohaluminate)は電解質として用いられてきたが、Ｍｇ金属表面上でのＭｇ２＋遮断層の形成のため、Ｍｇ金属負極での、高酸化安定性のイオン電解質は、実現できそうもない。
【００１７】
Ｍｇ金属負極の代わりにＭｇイオン挿入負極を用いると、ＴＳＦＩ−（Ｍｇ（ＴＦＳＩ）２、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホンイミド）、ＣｌＯ４−およびＰＦ６−のマグネシウム塩などの、高酸化安定性電解質を使用することができる。そのような挿入負極の使用は、Ｍｇ金属に比べて電池のエネルギー密度を低下させる可能性があり、負極は、Ｍｇ２＋挿入／脱離工程中の、いくらかの体積膨張およびその後の微粉化に耐え得る。しかしながらＭｇイオン挿入負極は、達成すべき大きな可能性の余地があり、ＴＳＦＩ−、ＣｌＯ４−およびＰＦ６−イオンを含むイオン電解質の使用を許容する。
【００１８】
米国特許第６，３１６，１４１号においてアウルバッハ(Aurbach)等は、正極としてＭｏ３Ｓ４を使用したＭｇイオン充電池を報告した。この正極は良好な容量を示したが、理論上は１２２ｍＡｈｇ−１（約４９０Ａｈ／Ｌ）を示すべきところ、どうやら、たった７７ｍＡｈｇ−１（約３１０Ａｈ／Ｌ）の容量を示すようである。本発明の例は、Ｍｏ３Ｓ４正極、または、他のＭｇイオン層間(intercalating)シェブレル相物質などの、他のイオン挿入正極を使用してもよい。Ｍｇ金属負極をＭｇイオン挿入負極に交換することは、使用する電解質のより広い選択の幅を許容し、電池のより高い作動電位窓を許容する。
【００１９】
マグネシウム電池用の負極活性物質として個別に使用されると、Ｂｉは優れた可逆性を有し、数百の充放電サイクルを超えて良好に機能する。一方Ｓｎは、Ｂｉよりも大幅に高い容量を提供するが、相対的に劣った可逆性を有し、厚い平面状の膜においては、１０〜１５サイクルに下がり得る。しかしながら、負極活性物質においてＢｉおよびＳｎを初めて兼備させることにより、負極活性物質は、Ｂｉの優れた可逆性と、Ｓｎの容量とを兼備すると記載されている。ＢｉおよびＳｎの相対的な割合は、可逆性および容量の所望のバランスが得られるように調整することができる。
【００２０】
本発明の例は、二元または金属間負極活性物質を形成するために、２つの個別の負極活性物質を兼備させることにより形成された、負極活性物質を含む。これは、Ｍｇイオン充電池システム用の従来のイオン電解質と共に用いることができる、２つのタイプのＭｇ２＋挿入／脱離ベースの金属間負極物質を提供する。改良されたマグネシウムイオン電池は、Ｍｇ２＋の挿入／脱離に耐え得る、ビスマス−スズ（Ｂｉ−Ｓｎ）負極を有する。
【００２１】
本発明の例は、放電サイクル中の完全にマグネシウム化されたＢｉおよびＳｎ相の形成を介して、Ｍｇ２＋の挿入／脱離に耐え得る、ビスマス（Ｂｉ）−スズ（Ｓｎ）二元負極を有するＭｇイオン電池を含む。上記負極活性物質は、Ｂｉ負極に見られる大きな可逆性と、Ｓｎ負極に見られる高い容量とを、一つの物質へと兼備させる。理論上の容量＝７３０．２９ｍＡｈ／ｇが、ＢｉＳn２について計算された。
【００２２】
この例においては、Ｂｉ−Ｓｎ負極１０と、負極端子１２と、正極１４と、正極端子１６と、電解質層１８（セパレータおよび電解質を含む）と、２０において端部の周りの絶縁性シールと、絶縁性領域２２とを含む単セルを有する、電池の例を図１は示す。本明細書においては、用語「電池」は、単セルおよび複数セルの両方の構造を含む。
【００２３】
図１に示されているように、上記負極端子１２および正極端子１６は、両方の電池端子を提供し、効率的に電気化学化合物を取り囲む電池ハウジングの一部であり、上記負極および正極支持体のそれぞれとしても作用する。上記絶縁性シール２０は、上記負極端子および正極端子の間に形成され、上記電池を密封する。上記セパレータは、上記説明されている電池においては、明確性のため図示されておらず、必要がなければ省略することができる。
【００２４】
上記電池の物理的形状は説明されている例に限定されるものではなく、上記電池はディスク、ブロック、またはその他の物理的形状でもよい。ここで用いられる電池は、図１の単セル構造も、個別のセルが電気的に並列および／または直列でよい、複数セル電池も含む。
【００２５】
上記Ｂｉ−Ｓｎ負極は、スパッタリング（ＲＦマグネトロンスパッタリングなど）、または、電着塗装(electrodeposition)などの溶液ベースの析出技術、または、例えば、ＢｉおよびＳｎナノ粒子などのＢｉおよびＳｎ粉体を用いた粉体膜の形成法および堆積法などの任意の適切な方法によって堆積することができる。いくつかの例において、粉体膜は、Ｂｉおよび／またはＳｎを含有する前駆体を含んでいてもよく、加熱などの適切な方法によって金属形体へ転換されてもよい。
【００２６】
ここで用語「Ｂｉ−Ｓｎ」は、いくつかの例においては、少し長い範囲の結晶秩序(little-long range crystalline order)を有する合金などの、金属間化合物またはその他の固溶体として形成された、ＢｉおよびＳｎの両方を含む活性電極物質を意味する。いくつかの例においてＢｉ−Ｓｎ電極の活性物質は、例えば、０＜ｘ＜１である、組成Ｂｉ１−ｘＳｎｘを有する物などの、ＢｉおよびＳｎの二元金属間化合物を含む。例えばｘは、０．４から０．６などの、０．０１から０．９９、例えば０．０５から０．９５、特には０．７から０．３の範囲内とすることができる。
【００２７】
いくつかの例において上記負極は、Ｂｉ、Ｓｎ、および／またはＢｉ１−ｘＳｎｘのナノ粒子（０．５ナノメートルおよび１００ナノメートルの間の半径を有する粒子）を含んでいてもよい。
【００２８】
上記負極膜は、概して平面でもよく、いくつかの例においては、電池端子の上記内部表面に適合してもよい。上記負極は堆積されてもよく、または、上記負極端子の上記内側表面上に直に形成されてもよい。上記負極端子は、上記電池ハウジングの一部分および上記電池の電気的端子も形成する、金属シートであってもよい。
【００２９】
いくつかの例において上記負極は、電池端子の上記内側表面上に上記負極を直に堆積することにより形成され、上記電池の重量および出力密度の両方において利点を与える。
【００３０】
上記Ｂｉ−Ｓｎ電極から、異なる電気化学ポテンシャルを有するマグネシウムイオンを吸蔵および放出することができる物質など、任意の従来の正極物質を用いることができる。いくつかの例において、負極の選択によっては、ここに記載されているようなＢｉ−Ｓｎ物質を、改良された正極として用いることができる。当業者には、その他の例も自明である。
【００３１】
図２は、Ｂｉ−Ｓｎ膜へのマグネシウムイオンの挿入および脱離についての電圧をボルトで説明する。Ａ、ＢおよびＣの文字が付された部分は、さらに後述されるように、図３（Ａ）、３（Ｂ）および３（Ｃ）に対応し、Ａにおいては上記堆積されたままの膜を、Ｂにおいてはマグネシウム化されたビスマス化合物の形成を、Ｃにおいてはマグネシウム化されたスズ化合物の形成を示す。
【００３２】
負極の製造において、ＢｉおよびＳｎは銅箔（膜厚０．１ｍｍ）基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリングを用いて共スパッタされた。全てのＢｉ−Ｓｎ負極は、室温において、３ｍｔｏｒｒアルゴン圧力下で、２００ｎｍの膜厚まで、１２ＷのＢｉ用ターゲット電力、および、３０ＷのＳｎ用ターゲット電力を用いてスパッタされた。付与される銃電力の変化は、最終スパッタ物質としてのＢｉＳｎ２の形成を可能にし、基板の回転が、均一な堆積を可能にした。
【００３３】
図２は、Ｃｕ箔基板上での最初のサイクル中の、Ｃ／１００レートにおける、Ｂｉ−Ｓｎ負極ハーフセルの、充電／放電曲線を示す。図２に見られるようにＢｉ−Ｓｎ負極は、高い容量および低いＭｇ２＋挿入／脱離ポテンシャルを示すと同時に、Ｍｇ２＋挿入／脱離プロセスが可能である。
【００３４】
二元システムの上記形成は、Ｂｉ−Ｓｎが、Ｍｇ２＋の挿入／脱離に関連するＢｉの大きな可逆性を利用すると同時に、Ｓｎによって実証される高い容量、低いＭｇ２＋挿入／脱離ポテンシャル、および、低い分極(polarization)を利用することを許容する。２つの電極活性種の、この共スパッタは、２つの個別の負極物質の利点を、二元化合物を含む改良された負極へと、兼備させるための新規な方法である。改良された電極は、２つの金属種、二元金属間化合物を形成するために上記電極内において兼備される上記金属種、を同時堆積（共スパッタリングなど）することにより、製造することができる。
【００３５】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、上記Ｂｉ−Ｓｎ膜への、マグネシウムイオンの挿入中の、種々の段階の走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像である。図は、図２に示された上記二元負極物質へのＭｇ２＋挿入の、標識化された段階（Ａ〜Ｃ）中に観察された形態変化を示す。図３（Ａ）は堆積されたままの膜を示し、図３（Ｂ）はＭｇ３Ｂｉ２の形成ステージにおける上記膜を示し、図３（Ｃ）はＭｇ２Ｓｎの形成ステージにおける上記膜を示す。両方の電極活性物質成分の完全なマグネシウム化された化合物の形成は、極めて有利である。
【００３６】
図４は、固溶体相の形成を示す、堆積されたままのＢｉ−Ｓｎ膜のＸ線回折（ＸＲＤ）を示す。括弧内の３桁の数字は、Ｘ線回折のピークが得られた結晶面に対応する。指し込み図は、上記金属間化合物Ｓｎ０．９５Ｂｉ．０５に対応するピークをより詳細に示す。示されているように、ＢｉおよびＳｎについての個別のピークも観察された。
【００３７】
図５は、Ｂｉ−Ｓｎについての状態図を示し、様々な堆積条件について、利用できる幅広い範囲の、ＢｉおよびＳｎ間の固溶体を示す。上記図は、組成の幅広い範囲、すなわち、Ｂｉ１−ｘＳｎｘのｘがほとんど０からほとんど１までに渡る、Ｂｉ−Ｓｎ組成範囲を得ることができることを示す。本発明の例においてｘは、例えば０．４から０．６など、０．３から０．７などの、０．０５から０．５の間とすることができる。いくつかの例において、ｘは０．５でもよく、およそ１対１のＢｉ：Ｓｎの原子比率に相当する。
【００３８】
室温における堆積について、図５の状態図は、比較的低い割合の金属間化合物が形成されることを示唆し、図の右手のβ−Ｓｎとの相境界に相当する。これは、図４におけるＳｎ０．９５Ｂｉ．０５のｘ線観察と一致する。また、これは、平坦域の端部がＢｉのマグネシウム化に相当し、続いてＳｎのマグネシウム化がある、上記金属間化合物からの比較的小さな貢献を有する、図２の２つの平坦域を有する特性とも一致する。しかしながら、例えば１５０℃〜２００℃の間などの、より高い温度における堆積は、上記負極活性物質における金属間化合物の割合の増加を許容することが、上記状態図から明らかであり、いくつかの例において上記金属間化合物は、上記Ｂｉ−Ｓｎ二元活性物質において５０重量％より大きく、場合によっては８０重量％を超えてもよい。電極の最適化は、上記活性種のスパッタ電力および堆積温度を変更する、または、用いられているのであれば、他の堆積技術のパラメータを調整することにより達成することができる。
【００３９】
Ｍｇ２Ｓｎを形成するためのＭｇ２＋とＳｎとの間、および、Ｍｇ２＋とＢｉとの間の直の反応は、十分に理解されている。金属間相については、Ｍｇ２＋の挿入プロセスは、上記金属間相の組成に依存する可能性があり、両方のマグネシウム化された化合物の形成が可能である。
【００４０】
図６は、Ｂｉの大きな可逆性と、Ｓｎの高い電気化学容量とを、一つの負極活性物質へ兼備することの利点の簡略化された描写である。説明されているように、上記Ｓｎ負極は優れた容量を与え、上記Ｂｉ負極は優れた可逆性を与える。例えばＢｉ１−ｘＳｎｘなどの、ＢｉおよびＳｎを含む負極組成は、上記組成を変更することにより、容量および可逆性の所望の組み合わせを達成することを許容する。ＳｎおよびＢｉの高い容量および優れた可逆性の上記組み合わせは、それぞれ、得られるエネルギー密度における改良を許容する。これらのエネルギー密度は、ＢｉまたはＳｎを単独で用いても達成できないかもしれない。さらに、これらの新規な負極物質は、従来のリチウムイオン電池に勝る利点を提供する。
【００４１】
本発明の例は、正極、負極、および、マグネシウムイオンを含む電解質を含むマグネシウムイオン電池を含み、上記負極は、ＢｉおよびＳｎの固溶体二元合金を含む。好ましくは、上記Ｂｉ−Ｓｎ負極活性物質は、金属間化合物である。上記電池の放電および充電は、Ｂｉおよび／またはＳｎの完全にマグネシウム化された化合物の形成および復元（元の負極物質の）を含んでいてもよい。例えば、上記電池の作動は、Ｍｇ３Ｂｉ２および／またはＭｇ２Ｓｎの形成を含んでいてもよい。
【００４２】
いくつかの例において上記改良された負極活性物質は、端子の上記内部表面上に直に堆積される。上記端子は、上記電池の上記負極支持体および上記外部負極の両方として作用する。そのため、別の端子および負極支持体層が必ずしも必要なく、得られるエネルギー密度における改良を提供する。上記電池端子は、上記電池端子を提供する外の表面と、上記負極活性物質が直に形成される内部表面と、を有していてもよい。
【００４３】
改良されたＢｉ−Ｓｎ電極活性物質は、負極支持体上にＢｉおよびＳｎを一緒にスパッタリングすることにより形成することができる。マグネトロンスパッタリングの例において上記銃電力は、所望の金属間または所望の他の固溶体組成を得るために、各源について調整することができる。この方法により、容量および可逆性などの所望の特性の異なる組み合わせを有する、異なる負極組成を有する電池を、同じ装置によって製造することができる。
【００４４】
いくつかの例において上記負極活性層は、電池端子の上記内部表面上への電着塗装により形成することができ、あるいは、上記負極支持体層上に形成されてもよい。電着塗装アプローチは、負極支持体（または、上記負極端子の上記内側表面になり得る集電体）の上記表面上に直に上記負極物質を形成することができる、溶液ベースの電気合成技術を含む。ビスマスおよびスズイオンの両方を含む溶液は、上記それぞれの金属の同時共電着塗装のために用いられてもよく、また、任意の技術により代わりの(alternating)Ｂｉ／Ｓｎ層が堆積され、後に熱またはその他のプロセスによって兼備されてもよい。電着塗装は、例えば、例えば柱、くぼみ、格子構造等を含む、三次元形状を有する負極支持体、または、その他の負極支持体層の、棟のある表面上に、例えば負極層を形成することにより、高表面積の、三次元構造を有する負極の製造にも用いることができる。上記負極支持体の、得られる表面積は、三次元表面形状により、少なくとも倍にすることができる。活性物質は、ナノ構造でもよく、場合によっては、例えばカーボンナノチューブ、中空ミクロまたはナノ粒子等により、全体的または部分的にカプセル化されていてもよい。
【００４５】
Ｍｇ２＋の挿入／脱離を許容し、平らな、高表面積金属間負極を形成するために、スパッタ堆積、電着塗装、および粉体膜を用いることができる。ここで、平らな、高表面積金属間負極を製造するために、スパッタ堆積、電着塗装、および標準粉体膜が用いられたが、ＸＲＤ、ＸＲＦ、ＳＥＭ、ＥＤＳおよび電気化学がＭｇ２＋の挿入／脱離を分析するために用いられてもよい。これらの改良された負極は、高い容量、優れたサイクル性、Ｍｇ２＋の低い挿入／脱離ポテンシャル、および、高い酸化安定性の従来の電池電解質との適合性を示す。
【００４６】
マグネシウムイオン電池の改良された作動方法は、ＢｉおよびＳｎを含む負極、好ましくはＢｉおよびＳｎの二元金属間化合物を含む負極、を提供することと、マグネシウムイオン源を含む電解質を提供することと、正極を提供することと、その後、マグネシウム化された（ある場合には、完全にマグネシウム化された）ＢｉおよびＳｎ化合物が上記電池のサイクル中に形成されるように上記電池を作動することとを含む。二元金属間負極を用いることにより、完全にマグネシウム化された化合物を形成することができ、上記電池の容量および可逆性が改良される。
【００４７】
本発明の例は、ボタンセル、その他の丸いセル、円筒形のセル、長方形またはその他のプラズマのセル等などの、任意の適切な形状因子の、並列および／または直列に電気的に接続された、一つ以上のセルを有する電池を含む。また、装置の例は、クルクルと巻いた電池形状、および、電池と、超コンデンサおよび／または燃料電池等との組み合わせをも含む。
【００４８】
本発明の例は、家庭用電子機器、医療用機器、電気またはハイブリッド車両、または、本発明の例による電池を含むその他の装置などの、種々の電動装置をも含む。
【００４９】
本発明の例は、一次および二次電池の両方を含む。具体例は、マグネシウムイオン充電池を含む。本発明の例は、例えば、ＢｉおよびＳｎの二元化合物および／または合金を含む電極活性物質を含む、マグネシウムイオン充電池などの、マグネシウムベースの電池を含む。
【００５０】
電極は、任意の適切な方法により製造することができる。いくつかの例において、ミクロ粒子またはナノ粒子などの、上記活性物質の粒子、バインダ、および、電子伝導物質（例えば、グラファイト状炭素粒子またはカーボンブラック）から、ペーストを形成してもよい。上記ペーストは、電極支持体および集電体などの導電性基板上に堆積され、必要により熱処理されてもよい。
【００５１】
マグネシウムイオン充電池などの、電池の改良された製造工程は、電解質によって隔離された第一および第二電極を提供することを含み、少なくとも一つの電極は、ビスマスおよびスズの二元化合物および／または合金を含む。
【００５２】
マグネシウム電池の改良された作動方法は、例えばＭｇイオン充電池の充放電サイクル中の、Ｍｇ３Ｂｉ２などのビスマスおよびマグネシウムの金属間化合物、および、Ｍｇ２Ｓｎなどのスズおよびマグネシウムの金属間化合物の形成を含む。
【００５３】
また、本発明の例は、記載されたＭｇイオン充電池の例のマグネシウムイオンが、カルシウムイオンによって置換されてもよい、カルシウムイオン充電池をも含む。本発明の例は、記載されたＭｇイオン充電池の例のマグネシウムイオンが、アルミニウムイオンによって置換された、アルミニウムイオン充電池をも含む。
【００５４】
本発明は、上述した説明例に限定されるものではない。記載された例は、本発明の範囲を限定するものではない。そこにおける変更、要素の他の組み合わせ、および、その他の使用は、当業者には自明である。本発明の上記範囲は、特許請求の範囲によって定義される。
【００５５】
我々の発明について記載したため、我々は主張する。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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