(57)【要約】【課題】正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質としてリチウムを用いたリチウム空気電池が知られていたが、酸素を効率的に利用可能な電池を提供できることが望ましい。【解決手段】リチウム酸化物を含む放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程と、放電状態のリチウム酸素電池を収納した容器を密閉する工程とを備える、電池の製造方法を提供する。また、耐圧構造を有する気密容器と、気密容器内に収納されたリチウム酸素電池とを備える電池を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム酸化物が析出している放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程と、
前記放電状態のリチウム酸素電池を収納した容器を密閉する工程と
を備える、電池の製造方法。
【請求項２】
前記用意する工程は、充電状態のリチウム酸素電池を放電させることによって前記放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程を含む、請求項１に記載の電池の製造方法。
【請求項３】
前記容器は耐圧構造を有する、請求項１又は２に記載の電池の製造方法。
【請求項４】
前記密閉する工程は、酸素環境内で前記容器を密閉する工程を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項５】
前記密閉する工程は、常圧環境内で前記容器を密閉する工程を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項６】
前記密閉する工程は、真空環境内で前記容器を密閉する工程を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項７】
前記リチウム酸素電池は、複数のリチウム負極、複数のセパレータ、及び複数のカーボン正極を含む多層構造を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項８】
前記多層構造の各層は、リチウム負極、セパレータ、メソポーラスカーボン、グラフェン、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバおよびカーボンナノホーンからなる群から選択される多孔質炭素材料、及び金属またはカーボンからなる電極を含む、請求項７に記載の電池の製造方法。
【請求項９】
前記密閉する工程は、複数の前記リチウム酸素電池を収納した前記容器を密閉する工程を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項１０】
前記複数のリチウム酸素電池のそれぞれは電池パックに収容されている、請求項９に記載の電池の製造方法。
【請求項１１】
前記密閉する工程は、前記複数のリチウム酸素電池と、前記複数のリチウム酸素電池のそれぞれを取り囲む緩衝材とを収納した前記容器を密閉する工程を含む、請求項９又は１０に記載の電池の製造方法。
【請求項１２】
前記複数のリチウム酸素電池は、前記容器の外まで突き出した電極を有する、請求項９から１１のいずれか一項に記載の電池の製造方法。
【請求項１３】
耐圧構造を有する気密容器と、
前記気密容器内に収納されたリチウム酸素電池と
を備える電池。
【請求項１４】
前記気密容器内に酸素タンクを含まない、請求項１３に記載の電池。
【請求項１５】
前記リチウム酸素電池が充電状態であるときの前記気密容器内の気圧は、前記リチウム酸素電池が放電状態であるときの前記気密容器内の気圧よりも大きい、請求項１３又は１４に記載の電池。
【請求項１６】
前記リチウム酸素電池は、複数のリチウム負極、複数のセパレータ、及び複数のカーボン正極を含む多層構造を有する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電池。
【請求項１７】
前記多層構造の各層は、リチウム負極、セパレータ、カーボンナノチューブ、及びカーボン電極を含む、請求項１６に記載の電池。
【請求項１８】
前記気密容器内に複数の前記リチウム酸素電池が収納されている、請求項１３から１７のいずれか一項に記載の電池。
【請求項１９】
前記複数のリチウム酸素電池のそれぞれは電池パックに収容されている、請求項１８に記載の電池。
【請求項２０】
前記気密容器内に前記複数のリチウム酸素電池と、前記複数のリチウム酸素電池のそれぞれを取り囲む緩衝材とが収納されている、請求項１８又は１９に記載の電池。
【請求項２１】
前記複数のリチウム酸素電池は、前記気密容器の上下方向に積層されている、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の電池。
【請求項２２】
前記リチウム酸素電池から、前記気密容器の横方向に前記気密容器の外まで突き出した電極を有する、請求項２１に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の製造方法及び電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質としてリチウムを用いたリチウム空気電池が知られていた（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］国際公開第２０１５／１１５４８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
酸素を効率的に利用可能な電池を提供できることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、電池の製造方法が提供される。製造方法は、リチウム酸化物が析出している放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程を備えてよい。製造方法は、放電状態のリチウム酸素電池を収納した容器を密閉する工程を備えてよい。
【０００５】
上記用意する工程は、充電状態のリチウム酸素電池を放電させることによって上記放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程を含んでよい。上記容器は耐圧構造を有してよい。上記密閉する工程は、酸素環境内で上記容器を密閉する工程を含んでよい。上記密閉する工程は、常圧環境内で上記容器を密閉する工程を含んでよい。上記密閉する工程は、真空環境内で上記容器を密閉する工程を含んでよい。
【０００６】
上記リチウム酸素電池は、複数のリチウム金属負極、複数のセパレータ、及び複数のカーボン正極を含む多層構造を有してよい。上記多層構造の各層は、リチウム金属負極、セパレータ、カーボンナノチューブ、及びカーボン電極を含んでよい。上記密閉する工程は、複数の上記リチウム酸素電池を収納した上記容器を密閉する工程を含んでよい。上記複数のリチウム酸素電池のそれぞれは電池パックに収容されていてよい。上記密閉する工程は、上記複数のリチウム酸素電池と、上記複数のリチウム酸素電池のそれぞれを取り囲む緩衝材とを収納した上記容器を密閉する工程を含んでよい。上記複数のリチウム酸素電池は、上記容器の外まで突き出した電極を有してよい。
【０００７】
本発明の第２の態様によれば、電池が提供される。電池は、耐圧構造を有する気密容器を備えてよい。電池は、気密容器内に収納されたリチウム酸素電池を備えてよい。
【０００８】
上記気密容器内に酸素タンクを含まなくてよい。上記リチウム酸素電池が充電状態であるときの上記気密容器内の気圧は、上記リチウム酸素電池が放電状態であるときの上記気密容器内の気圧よりも大きくてよい。上記リチウム酸素電池は、複数のリチウム金属負極、複数のセパレータ、及び複数のカーボン正極を含む多層構造を有してよい。上記多層構造の各層は、リチウム金属負極、セパレータ、メソポーラスカーボン、グラフェン、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバおよびカーボンナノホーンからなる群から選択される多孔質炭素材料、及び金属またはカーボンからなる電極を含んでよい。
【０００９】
上記気密容器内に複数の上記リチウム酸素電池が収納されていてよい。上記複数のリチウム酸素電池のそれぞれは電池パックに収容されていてよい。上記気密容器内に上記複数のリチウム酸素電池と、上記複数のリチウム酸素電池のそれぞれを取り囲む緩衝材とが収納されていてよい。上記複数のリチウム酸素電池は、上記気密容器の上下方向に積層されていてよい。上記電池は、上記リチウム酸素電池から、上記気密容器の横方向に上記気密容器の外まで突き出した電極を備えてよい。
【００１０】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電池１００の外観の一例を概略的に示す。
【図２】電池１００の内部構造の一例を概略的に示す。
【図３】電池１００の断面の一例を概略的に示す。
【図４】リチウム酸素電池２０１の多層構造の一例を概略的に示す。
【図５】放電前後のリチウム酸素電池２０１の断面の一例を概略的に示す。
【図６】製造後の、電池パック２００が放電状態である電池１００を充電した場合の、充電前後の電池１００の状態を概略的に示す。
【図７】充電前後のリチウム酸素電池２０１の構造の一例を概略的に示す。
【図８】電池１００の製造方法の一例を概略的に示す。
【図９】電池１００の製造方法の一例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
図１は、電池１００の外観の一例を概略的に示す。図２は、電池１００の内部構造の一例を概略的に示す。図３は、電池１００の断面の一例を概略的に示す。電池１００は、容器１１０と、容器１１０内に収納された電池パック２００及び緩衝材４００と、電池パック２００から容器１１０の外まで突き出した電極３００とを備える。
【００１４】
容器１１０内には、複数の電池パック２００が収納されてよい。複数の電池パック２００は、容器１１０の上下方向に積層されていてよい。電極３００は、容器１１０の横方向に、容器１１０の側面１１６から突き出していてよい。図２及び図３に示すように、複数の電池パック２００は、緩衝材４００に取り囲まれていてよい。
【００１５】
電池パック２００内には、リチウム酸素電池が含まれる。リチウム酸素電池とは、正極活物質として酸素を用い、負極活物質としてリチウムを用いた電池であってよい。リチウム酸素電池は、リチウム空気電池と称される場合もある。
【００１６】
リチウム酸素電池は、リチウム負極、セパレータ、及びカーボン正極を含む。リチウム酸素電池は、複数のリチウム負極、複数のセパレータ、及び複数のカーボン正極を含む多層構造を有してよい。なお、カーボン正極は、空気極とも称され、主として多孔質炭素材料からなる正極反応層と、多孔性と導電性とを有する金属材料またはカーボン材料からなる正極集電体（単に電極とも称する）とを備え、酸素を通しやすい構造である。以降では、正極反応層を構成する多孔質炭素材料がカーボンナノチューブであるものとして説明するが、多孔質炭素材料は、これに限らない。例示的には、多孔質炭素材料は、メソポーラスカーボン、グラフェン、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーン等であってもよい。当該多層構造の各層は、例えば、リチウム負極、セパレータ、カーボンナノチューブ、及びカーボン電極を含む。
【００１７】
図４は、リチウム酸素電池２０１の多層構造の一例を概略的に示す。図４は、二層のリチウム酸素電池２０１を例示している。図４に示すリチウム酸素電池２０１は、リチウム負極２０２、セパレータ２０４、カーボンナノチューブ２０６、及び電極２０８を有する。電極２０８は、通風構造を有する。電極２０８の通風構造を介して、カーボンナノチューブ２０６に酸素が供給される。
【００１８】
酸素環境下においてリチウム酸素電池２０１を放電すると、リチウム負極２０２のリチウムと酸素とが反応して、カーボンナノチューブ２０６にリチウム酸化物が析出する。リチウム酸化物は、例えば、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）である。また、リチウム酸化物は、例えば、過酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ２）である。また、リチウム酸化物は、例えば、超酸化リチウム（ＬｉＯ２）である。
【００１９】
酸素環境とは、リチウム酸素電池２０１を放電させるために必要な酸素がリチウム酸素電池２０１に供給される環境であれば任意の環境であってよい。例えば、酸素環境とは、純酸素で満たされた環境である。
【００２０】
図５は、放電前後のリチウム酸素電池２０１の断面の一例を概略的に示す。放電によって、カーボンナノチューブ２０６にリチウム酸化物が析出する結果、カーボンナノチューブ２０６が膨張して、リチウム酸素電池２０１の厚みが増加する。リチウム酸素電池２０１が電池パック２００内に配置されている場合、電池パック２００外の酸素がリチウム酸素電池２０１に供給されて、リチウム酸素電池２０１の厚みが増加する結果、電池パック２００の厚みが増加する。
【００２１】
本実施形態に係る電池１００は、放電状態の電池パック２００及び緩衝材４００を、開放状態の容器１１０内に収納し、容器１１０を密閉することによって製造されてよい。すなわち、本実施形態に係る電池１００は、放電状態の膨張している電池パック２００及び緩衝材４００を容器１１０内に収納し、開放状態の容器１１０を密閉することによって製造されてよい。
【００２２】
図６は、電池パック２００内のリチウム酸素電池２０１が放電状態である電池１００を充電した場合の、充電前後の電池１００の状態を概略的に示す。電池１００を充電すると、カーボンナノチューブ２０６のリチウム酸化物が還元されて、酸素が容器１１０内に放出される。
【００２３】
放出された酸素は、容器１１０内の隙間に充満する。放出された酸素は、例えば、緩衝材４００に蓄積される。緩衝材４００は、このように酸素のタンクとして機能してよい。緩衝材４００は、多孔質であってよい。これにより、緩衝材４００は、放出された酸素の蓄積スペースを提供できる。緩衝材４００の材質としては、任意の材質を用いることができる。電池パック２００内に溶媒等が含まれるケースにおいては、緩衝材４００の材質は、電池パック２００内の溶媒が漏れ出した場合であっても変質しない材質であることが望ましい。そのような材質としては、ガラス質の材質を例示できる。
【００２４】
製造時点の電池１００の容器１１０内には、気体の酸素が含まれていても、含まれていなくてもよい。製造時点の容器１１０内の気体の状態は、リチウム酸素電池２０１を完全に充電した場合であっても容器１１０が破損しない状態とされてよい。
【００２５】
容器１１０は、耐圧構造を有してよい。容器１１０は、リチウム酸素電池２０１が完全に充電されて、容器１１０内が、放出された酸素によって高圧状態になった場合であっても破損しない耐圧構造を有してよい。容器１１０の耐圧構造の強度と、製造時点の容器１１０内の気体の状態とは、リチウム酸素電池２０１が完全に充電された場合に容器１１０が破損しないように調整されてよい。これにより、リチウム酸素電池２０１が充電されて容器１１０内の酸素の圧力が高まった場合であっても、容器１１０が破損してしまうことを防止できる。容器１１０外にコンプレッサ及び圧縮酸素タンクを配置して、電池パック２００から放出された酸素を容器１１０に接続したパイプ経由で圧縮して保存することもできるが、その場合と比較して、電池１００の構造を簡易にすることができる。
【００２６】
上述したように、本実施形態に係る電池１００によれば、放電状態の電池パック２００を容器１１０内で密閉しているので、充電したときに、容器１１０内を高圧酸素環境とすることができる。これにより、その後に放電する場合に、リチウム酸素電池２０１の周囲の酸素の圧力を高い状態とすることができ、リチウムと酸素とが反応しやすく、効率的に発電可能な電池１００を実現することができる。
【００２７】
図６に示すように、緩衝材４００は、充電前後において、電池パック２００の上下方向の位置が変化しないように、電池パック２００を取り囲んでいてよい。容器１１０内における緩衝材４００の配分は、充電前後において、電池パック２００の上下方向の位置が変化しない配分であってよい。充電前後において電池パック２００の上下方向の位置が変化しない緩衝材４００の配分は、実験によって定められてよい。
【００２８】
また、緩衝材４００の材質は、充電前後において、電池パック２００の上下方向の位置が変化しない材質であってよい。充電前後において電池パック２００の上下方向の位置が変化しない緩衝材４００の材質は、実験によって定められてよい。
【００２９】
充電前後において電池パック２００の上下方向の位置が変化しないようにすることによって、電極３００が変形することを防止でき、電極３００の金属疲労を低減することができる。電極３００の金属疲労を低減することによって、電池１００の長寿命化に貢献することができる。
【００３０】
図７は、電池１００の製造方法の一例を概略的に示す。図７に示す製造方法は、常圧環境内で実行されてよい。図７に示す製造方法は、酸素環境内で実行されてよい。なお、図７に示す製造方法は、真空環境内で実行されてもよい。
【００３１】
ステップ（ステップをＳと省略して記載する場合がある。）１０２では、放電状態の電池パック２００及び緩衝材４００を、開放状態の容器１１０内に配置する。Ｓ１０２は、放電状態のリチウム酸素電池を用意する工程の一例であってよい。
【００３２】
電極３００の設置には任意の手法が用いられてよい。例えば、予め容器１１０を貫通するように設けられた電極３００を電池パック２００に接続する手法を用いる。また、例えば、容器１１０に孔部を設けておき、電池パック２００から突き出ている電極３００を、その孔部に差し込む手法を用いる。また、例えば、予め容器１１０に埋め込まれた電極３００の一部と、電池パック２００から突き出ている電極３００とを接続する手法を用いる。
【００３３】
Ｓ１０４では、放電状態の電池パック２００及び緩衝材４００を収納した容器１１０を密閉する。容器１１０の密閉には、接着及び溶接等の任意の手法が用いられてよい。以上のステップによって、電池１００が製造される。
【００３４】
図８は、電池１００の製造方法の一例を概略的に示す。ここでは、図７と異なる点を主に説明する。Ｓ２０２では、酸素環境内に、充電状態の電池パック２００を配置する。
【００３５】
Ｓ２０４では、酸素環境内で、電池パック２００を放電する。これにより、リチウム酸化物がカーボンナノチューブ２０６に析出している放電状態の電池パック２００が用意される。
【００３６】
Ｓ２０６では、放電状態の電池パック２００及び緩衝材４００を、開放状態の容器１１０内に配置する。Ｓ２０８では、放電状態の電池パック２００及び緩衝材４００を収納した容器１１０を密閉する。以上のステップによって、電池１００が製造される。
【００３７】
耐圧構造を有する容器内に高圧酸素環境を作り出す方法として、例えば、容器に設けた孔部から酸素を高圧で注入しつつ、当該孔部を封印する加工を行う方法があるが、設備が高額化してしまう上に、封印箇所から酸素が漏れやすくなる可能性がある。このような封印を避ける方法として、製造ラインを高圧酸素で満たしておく方法もあるが、製造ラインのコストが高額化してしまう。これに対して、本実施形態に係る電池１００の製造方法によれば、孔部から酸素を高圧で注入しつつ孔部を封印する処理を必要とせず、製造ラインを高圧酸素で満たす必要もないので、効率的に、放電時に容器１１０内を高圧酸素環境にできる電池１００を製造することができる。
【００３８】
図９は、緩衝材４００を含まない電池１００の一例を概略的に示す。図９に示すように、電池１００は、緩衝材４００を含まなくてもよい。
【００３９】
緩衝材４００を含まない場合、充電前後において、電池パック２００の上下方向の位置が変化する。そこで、緩衝材４００を含まない場合、変形に対して耐性のある電極３００を用いることが望ましい。例えば、伸縮性を有する電極３００を用いてよい。また、例えば、可撓性を有する電極３００を用いてよい。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階などの各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」などと明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」などを用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１００  電池、１１０  容器、１１６  側面、２００  電池パック、２０１  リチウム酸素電池、２０２  リチウム負極、２０４  セパレータ、２０６  カーボンナノチューブ、２０８  電極、３００  電極、４００  緩衝材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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