(57)【要約】【課題】  電池の大電流性能を向上することが可能な亜鉛イオン電池の電極、及び、亜鉛イオン電池の製造方法を提供する。【解決手段】  亜鉛イオン電池の電極は、金属集電体層３、金属集電体層３に付着する導電層２、及び、導電層２に付着する二酸化マンガン活性層１で構成されている。その製造方法は、先に導電層２を金属集電体層３に付着させ、続いて二酸化マンガン活性層１を導電層２に塗布する。更に該電極を正極とし、亜鉛イオンを含む水溶液を電解質とし、亜鉛を負極として組み立てて充電式電池にする。亜鉛イオン電池の電極は、金属集電体層３と二酸化マンガン活性層１との間に導電層２を付着させることによって金属集電体層３と二酸化マンガン活性層１との粘着性を改善し二酸化マンガン活性層１の導電性が増加するため、電池全体の内部抵抗及び大電流放電特性を改善することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属集電体層、導電層及び二酸化マンガン活性層で構成される亜鉛イオン電池の電極であって、
前記導電層は、前記金属集電体層に付着し、
前記二酸化マンガン活性層は、前記導電層に付着する亜鉛イオン電池の電極。
【請求項２】
前記二酸化マンガン活性層は、亜鉛イオンとの結合及び亜鉛イオンからの離脱が可能な二酸化マンガン、炭素材料又は接着剤で構成される請求項１に記載の亜鉛イオン電池の電極。
【請求項３】
前記導電層は、導電作用を有する、金属粒子、炭素材料、導電セラミックス、導電プラスチックの少なくとも一つを含む導電材料を有する請求項１に記載の亜鉛イオン電池の電極。
【請求項４】
前記炭素材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、グラフェン、多孔質炭素、発泡炭素、フラーレン、グラファイトシート、グラファイトの少なくとも一つである請求項２又は３に記載の亜鉛イオン電池の電極。
【請求項５】
前記金属集電体層は、銅箔、アルミ箔、ステンレス鋼箔、チタン箔、ニッケル箔の少なくとも一つで構成可能である請求項１に記載の亜鉛イオン電池の電極。
【請求項６】
金属集電体層、前記金属集電体層に付着する導電層、及び、前記導電層に付着する二酸化マンガン活性層で構成される電極を亜鉛イオン電池の正極として製造するステップと、
亜鉛負極、電解液及び前記正極をパッケージして亜鉛イオン電池を製造するステップと、
を含む亜鉛イオン電池の製造方法。
【請求項７】
前記電解液は、亜鉛イオン、又は、亜鉛イオン及び二価マンガンイオンを含むことを特徴とする請求項６に記載の亜鉛イオン電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関し、具体的には、亜鉛イオン電池の電極、及び、亜鉛イオン電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電式の亜鉛イオン電池は、マンガンの酸化物材料を正極活性材料とし、亜鉛を負極活性材料とし、亜鉛イオンを含む水溶液を電解液とする充電式電池であって、安価であるという特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−９４８５５号公報
【発明の概要】
【０００４】
亜鉛イオン電池が電子を貯蔵するメカニズムは、以下のようになっている。
【数１】
2018511924.tif 000003
【数２】
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【０００５】
このような電池は、安価であるという特徴を有している。しかし、二酸化マンガンは、導電性が１０-6Ｓ／ｃｍと比較的悪く半導体となるため、その高倍率性能がその導電性能に限られている。従来の特許に開示された充電式の亜鉛イオン電池は、二酸化マンガン活性層に直接金属集電体層を塗布しているので、二酸化マンガンの低い導電性により電極の導電性が悪くなり、高電池倍率が好適に発揮しないなどの問題を引き起こしやすい。
【０００６】
本発明は、正極において二酸化マンガン活性層と金属集電体層との間に導電層を追加することによって、二酸化マンガン活性層と金属集電体層との間の接触を改善し、活性層の導電性を改善することを主な革新点とする。これにより、本発明の亜鉛イオン電池は、電極導電率を１０-5Ｓ／ｃｍから１０-3Ｓ／ｃｍ以上に高めることができ、電池の大電流性能を向上することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、亜鉛イオン電池の電極であって、金属集電体層、導電層及び二酸化マンガン活性層を備える。導電層は、金属集電体層に付着している。二酸化マンガン活性層は、導電層に付着している。
【０００８】
本発明の亜鉛イオン電池の電極では、二酸化マンガン活性層は、亜鉛イオンの嵌入と脱出を収納可能な二酸化マンガン、炭素材料又は接着剤で構成される。
【０００９】
本発明の亜鉛イオン電池の電極では、導電層は、導電作用を有する、金属粒子、炭素材料、導電セラミックス、導電プラスチックの少なくとも一つを含む導電材料を有する。
【００１０】
炭素材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、グラフェン、多孔質炭素、発泡炭素、フラーレン、グラファイトシート、グラファイトの少なくとも一つである。
【００１１】
金属集電体層は、銅箔、アルミ箔、ステンレス鋼箔、チタン箔、ニッケル箔の少なくとも一つで構成可能である。
【００１２】
本発明の亜鉛イオン電池の製造方法は、金属集電体層、金属集電体層に付着している導電層、及び、導電層に付着している二酸化マンガン活性層で構成される電極を亜鉛イオン電池の正極として製造するステップと、亜鉛負極、電解液及び正極をパッケージして亜鉛イオン電池を製造ステップと、を含む。
【００１３】
電解液は、亜鉛イオン、又は、亜鉛イオン及び二価マンガンイオンを含む。
【００１４】
本発明の亜鉛イオン電池では、金属集電体層と二酸化マンガン活性層との間に導電層を付着させることによって金属集電体層と二酸化マンガン活性層との粘着性を改善し、二酸化マンガン活性層の導電性を増加することができる。これにより、電池全体の内部抵抗及び大電流放電特性を改善することができる。
また、実験から明らかなように、本発明の亜鉛イオン電池は、容量が高く、倍率性能が優れている。このような充電式の亜鉛イオン電池は、更に、容量が高く、安全で、環境に優しく、コストが低いなどの特徴を有している。このような電池は民生電子機器、電動車、通信、航空宇宙及び軍事などの分野に広く応用できることが予見可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】亜鉛イオン電池の電極の構造の模式図であり、ａ）片面付着構造の模式図であり、ｂ）両面付着構造の模式図である。
【図２】実施例１で製造された電池Ｂ１，Ｂ２の異なったＣ倍率（ＣＲ）での倍率性能を説明する特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の好ましい実施例を更に詳細に説明する。
【００１７】
（実施例１）
ステンレス鋼箔を金属集電体層３とし、カーボンブラックと接着剤ＰＶＤＦを４：６の割合でステンレス鋼箔に塗布して導電層２とする。二酸化マンガン、炭素及び接着剤を９０：５：５で導電層２に塗布して二酸化マンガン活性層１とし、電極Ｅ１を製造する。導電層２の作用を比較するために、製造過程において、導電層を有しない電極Ｅ０を製造した。電極Ｅ１のダイヤフラム導電率を検出した結果、８．３×１０-3Ｓ／ｃｍであって、電極Ｅ０のダイヤフラム導電率は、僅か２．３×１０-5Ｓ／ｃｍであった。
【００１８】
（実施例２）
ステンレス鋼箔を金属集電体層３とし、導電ポリマーのポリアニリンを金属集電体層３に塗布して導電層２とする。二酸化マンガン、グラフェン、カーボンブラック及び接着剤を８０：１０：５：５で導電層２に塗布して二酸化マンガン活性層１とし、電極Ｅ２を製造する。電極Ｅ２のダイヤフラム導電率を検出した結果、６．７×１０-2Ｓ／ｃｍであって、導電層を有しない電極のダイヤフラム導電率は、僅か４．２×１０-3Ｓ／ｃｍであった。
【００１９】
（実施例３）
ステンレス鋼箔を金属集電体層３とし、カーボンナノチューブを金属集電体層３に沈積させて導電層２とする。二酸化マンガン、ナノ炭素繊維、カーボンブラック及び接着剤を８０：１０：５：５で導電層２に塗布して二酸化マンガン活性層１とし、電極Ｅ３とする。電極Ｅ３のダイヤフラム導電率を検出した結果、１．１×１０-1Ｓ／ｃｍであった。
【００２０】
（実施例４）
金属チタン箔を金属集電体層３とし、ＩＴＯ薄膜をチタン箔に沈積させて導電層２とする。二酸化マンガン、炭素及び接着剤を９０：５：５で導電層２に塗布して二酸化マンガン活性層１とし、電極Ｅ４を製造する。電極Ｅ４のダイヤフラム導電率を検出した結果、３．４×１０-3Ｓ／ｃｍであった。
【００２１】
（実施例５）
電極Ｅ１を正極とし、厚さが０．１ｍｍの亜鉛箔を負極とし、１ｍｏｌＬ-1のＺｎＳＯ4に０．５ｍｏｌＬ-1のＭｎＳＯ4を添加した水溶液を電解液として組み立てたものを電池Ｂ１とした。電極Ｅ０を正極とし、厚さが０．１ｍｍの亜鉛箔を負極とし、１ｍｏｌＬ-1のＺｎＳＯ4に０．５ｍｏｌＬ-1のＭｎＳＯ4を添加した水溶液を電解液として組み立てたものを電池Ｂ２とした。電池Ｂ１と電池Ｂ２との倍率性能を図２に示す。
【００２２】
以上の内容は、具体的な好ましい実施形態に基づいて本発明を更に詳細に説明するものであり、本発明の具体的な実施がこれらの説明のみに限定されると考えてならない。当業者であれば、本発明の構想から逸脱することなく、更に複数種の簡単な推断演繹又は取り替えを行うことができ、それらは全て本発明の提示する請求の範囲により確定された特許の保護範囲に含まれるものと見なすべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１  二酸化マンガン活性層
２  導電層
３  金属集電体層
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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