JP7397155B2 - アルミニウム電池の負極構造 - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム電池に関するものであり、特に、アルミニウム電池の負極構造に関するものである。
アルミニウム電池は、負極電池として金属アルミニウム箔を用いた新しいタイプの電気化学エネルギー貯蔵素子であり、優れた安全性を有し、且つコストが低い。アルミニウム電池の負極は、通常、多くの要因を考慮して改良や設計が行われる。
例えば、アルミニウム電池において、アルミニウム箔の負極は、充電中に電気化学堆積反応を行う。また、堆積の過程において、電子の不均一分布により尖った枝状（デンドライト（dendrite）と称す）の結晶が形成され、電場方向に沿って成長する。そのため、そのデンドライトが隔離板に突き刺さって正極端に接触することにより、アルミニウム電池に短絡回路が生じ、寿命が短縮される可能性がある。
本発明は、アルミニウム電池に対するデンドライトの悪影響を改善し、それにより、アルミニウム電池の寿命を延ばすことのできるアルミニウム電池の負極構造を提供する。
本発明の１つの実施形態に基づき、アルミニウム電池の負極構造は、アルミニウム箔およびコーティング層を含む。コーティング層は、アルミニウム箔上に配置される。コーティング層の材料は、高比表面積炭素材料を含む。高比表面積炭素材料の比表面積は、５００ｍ２／ｇ～３，０００ｍ２／ｇの範囲である。
本発明の１つの実施形態において、高比表面積炭素材料は、活性炭を含む。
本発明の１つの実施形態において、コーティング層の材料は、さらに、導電材料を含む。
本発明の１つの実施形態において、導電材料は、導電性カーボンブラック、ケッチェン（Ketjen）ブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、アセチレンブラック、またはその組み合わせを含む。
本発明の１つの実施形態において、コーティング層における導電材料のドーピング率は、２ｗｔ％～５０ｗｔ％の間である。
本発明の１つの実施形態において、コーティング層の材料は、さらに、結合材を含む。
本発明の１つの実施形態において、結合材は、セルロースまたはゴムを含む。
本発明の１つの実施形態において、コーティング層の厚さは、１０μｍ～１００μｍの範囲である。
本発明の１つの実施形態において、アルミニウム電池の負極構造は、パウチセル型（pouch-cell-type）のアルミニウム電池に適用される。
本発明の１つの実施形態において、コーティング層は、アルミニウム箔に直接コーティングされる。
以上のように、本発明の実施形態のアルミニウム電池の負極構造は、高比表面積炭素材料を含むコーティング層をアルミニウム箔に堆積させることによって、アルミニウム箔の表面に多数の核形成点を提供するため、アルミニウム箔の表面に比較的遅い速度でデンドライトを均一に成長させることができる。したがって、アルミニウム電池に対するデンドライトの悪影響を改善し、それにより、アルミニウム電池の寿命を延ばすことができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
図１は、本発明の１つの実施形態に係るアルミニウム電池の負極構造の概略的局部断面図である。 図２Ａは、実例と比較例の寿命を比較した結果を示す概略図である。図２Ｂは、実例と比較例の最大充電を比較した結果を示す概略図である。
本発明を理解しやすくするため、以下、本発明が確実に実施できるかにしたがって、実施形態を例として提供する。説明を明確にするため、以下の説明において、多くの実用的な詳細を合わせて説明する。しかしながら、理解すべきこととして、これらの実用的な詳細は、本発明を限定すると解釈されるべきではない。つまり、実用的な詳細は、本発明のいくつかの実施形態において必須ではない。
他に定義されない限り、本明細書中で使用される全ての技術用語（技術および科学用語を含む）は、本発明が属する分野の当業者によって共通に理解されるものと同じ意味を有する。
図１は、本発明の１つの実施形態に係るアルミニウム電池の負極構造の概略的局部断面図である。図２Ａは、実例と比較例の寿命を比較した結果を示す概略図である。図２Ｂは、実例と比較例の最大充電を比較した結果を示す概略図である。
図１、図２Ａ、および図２Ｂを参照すると、本実施形態のアルミニウム電池の負極構造１００は、アルミニウム箔１１０およびコーティング層１２０を含む。コーティング層１２０は、アルミニウム箔１１０上に配置される。さらに、コーティング層１２０の材料は、高比表面積炭素材料を含む。高比表面積炭素材料の比表面積は、５００ｍ２／ｇ（平方メートル／グラム）～３，０００ｍ２／ｇの範囲（例えば、１，０００ｍ２／ｇ、１，３００ｍ２／ｇ、１，５００ｍ２／ｇ、１，７００ｍ２／ｇ、２、０００ｍ２／ｇ、２，５００ｍ２／ｇ、または５００ｍ２／ｇ～３，０００ｍ２／ｇの範囲内の任意の値）である。したがって、本実施形態のアルミニウム電池の負極構造１００は、アルミニウム箔１１０上に高比表面積炭素材料を含むコーティング層１２０を堆積させることによって、アルミニウム箔１１０の表面に多数の核形成点を提供するため、アルミニウム箔１１０の表面に比較的遅い速度でデンドライト１０を均一に成長させることができる（図１に示すように、デンドライト１０は、アルミニウム箔１１０上に均一に成長する）。したがって、アルミニウム電池に対するデンドライトの悪影響を改善し、それにより、アルミニウム電池の寿命を延ばすことができる。
さらに、高比表面積炭素材料は、十分な反応部位を提供し、負極のアルミナイジング（aluminizing）を改善することができる。そのため、本実施形態において、アルミニウム箔１１０の表面には多数の核形成点があり、電解液中の活性物質（例えば、Ａｌ2Ｃｌ7 -、ＡｌＣｌ4 -）がアルミニウムを堆積して、アルミニウムコーティング層を均一にするため、核形成点の不足によってアルミニウム箔１１０の表面にデンドライトが急速に蓄積する問題が改善される。
いくつかの実施形態において、高比表面積炭素材料は、活性炭を含む。そのため、本実施形態において、アルミニウム箔１１０の表面を高多孔性の活性炭素材料で直接コーティングし、アルミニウム電池中の負極（陽極）集電体材料として使用することによって、高比表面積の特性により、アルミニウム箔１１０の表面に多数の核形成点を提供する。そのため、活性物質は、多孔質構造において溶融アルミ化（hot-dip aluminizing）反応を行い、アルミニウムめっき層を均一に形成することができる。これは、金属箔材料のみを負極集電体として使用する従来の電池においてよく見られる核形成点の不足により、急速に成長したデンドライトが隔離板に突き刺さって正極に接触することで発生する電池の短絡回路を大幅に改善する。そのため、アルミニウム電池の寿命を延ばすことができるが、本発明はこれに限定されない。
いくつかの実施形態において、コーティング層１２０の材料は、さらに、導電材料を含み、電気化学インピーダンスを有効に減らす。そのため、アルミナイジング反応を大量に行うことができるため、アルミニウム電池中の活性物質の利用率が向上し、アルミニウム電池の放電容量が増える。したがって、アルミナイジング中にデンドライトによって発生するアルミニウム電池の寿命性能への悪影響をさらに有効に改善することができる。例えば、導電材料は、導電性カーボンブラック、ケッチェン（Ketjen）ブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、アセチレンブラック、またはその組み合わせを含むことができる。
さらに、コーティング層１２０をアルミニウム箔１１０の表面にペースト状にコーティングしてもよい。プロセスは、単純で、大量生産を容易にする。また、ペースト中に導電材料をドーピングしてもよい。ペースト中に固定比率の導電材料をドーピングすることによって、比較的高い導電性および比較的小さい粒径を有する導電材料をアルミニウム箔１１０と高比表面積炭素材料の間の構造に均一に分散させ、アルミニウム箔１１０と高比表面積炭素材料の間に鎖状の導電構造を形成することができるため、表面の電子導電率が向上し、アルミニウム箔１１０（集電体）から高比表面積炭素材料の表面に電子を容易に移動させることができる。また、表面導電率が向上することによって、アルミニウムめっき反応を大量に発生させ、電解液中の活性物質の利用率をさらに向上させることができるため、最大充電において比較的優れた性能を達成することができる。
いくつかの実施形態において、コーティング層１２０に導電材料をドーピングする比率は、２ｗｔ％～５０ｗｔ％の範囲（例えば、２ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、３０ｗｔ％、５０ｗｔ％、または２ｗｔ％～５０ｗｔ％の範囲内の任意の値）であってもよい。導電材料は、コーティング層１２０に選択的に追加される。つまり、コーティング層１２０に導電材料を追加しないことも可能である。
いくつかの実施形態において、ペーストに結合材を追加して、コーティングされたペーストをアルミニウム箔１１０の表面に確実に接着させてもよい。そのため、コーティング層１２０の材料は、さらに、結合材を含む。結合材は、セルロースまたはゴムを含む。例えば、セルロースは、カルボキシメチルセルロース（carboxymethyl cellulose）、ヒドロキシエチルセルロース（hydroxyethyl cellulose）、メチルセルロース（methyl cellulose）、またはヒドロキシプロピルメチルセルロース（hydroxypropyl methyl cellulose）であってもよい。ゴムは、スチレン－ブタジエンゴム（styrene-butadiene rubber）、ポリアクリル酸（polyacrylic acid）、またはポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol）であってもよい。しかしながら、本発明はこれらに限定されず、結合特性を有する任意の適切な材料を結合材として使用することができる。
いくつかの実施形態において、コーティング層１２０の厚さは、より優れた改善効果を達成するため、１０μｍ（マイクロメートル）～１００μｍの範囲（例えば１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍ、または１０μｍ～１００μｍの範囲内の任意の値）であるが、本発明はこれに限定されない。
いくつかの実施形態において、アルミニウム電池の負極構造１００は、パウチセル型のアルミニウム電池に適用され、パウチセル型のアルミニウム電池に対してイオン性液体電解液を使用することができるが、本発明はこれに限定されない。アルミニウム電池の負極構造１００を他の適切な種類のアルミニウム電池に適用してもよい。
以下、実例１および比較例１を参照しながら、本発明の効果についてさらに詳しく説明する。また、以下に実例１を説明するが、本発明の範囲から逸脱しなければ、使用した材料、手順等の詳細を適切に変更してもよい。そのため、本発明は、以下に説明する実例１によって限定されると解釈されるべきではない。
＜実例１＞
実例１において、アルミニウム電池の負極構造は、アルミニウム箔およびその上に配置されたコーティング層を含み、コーティング層に使用される高比表面積炭素材料は、活性炭であり、比表面積は、１，５００ｍ２／ｇであり、アルミニウム電池は、パウチセル型のアルミニウム電池である。
＜比較例１＞
比較例１において、アルミニウム電池の負極構造は、アルミニウム箔を含み（コーティング層を配置しない）、このアルミニウム電池も、パウチセル型のアルミニウム電池である。
ここで、アルミニウム電池の残りの説明していない組成および規格については、当業者であれば、添付した請求項の精神および範囲に含まれる任意の内容に基づいて得ることが可能である。
図２Ａおよび図２Ｂは、１Ｖ（ボルト）～２．６Ｖの間の充電電圧および４Ｃの充放電率で試験を行った時の寿命および最大充電を示したものである。図２Ａおよび図２Ｂの結果は、比較例１と比較して、実例１の寿命および最大充電が改善されたことを示している。
以上のように、本発明の実施形態のアルミニウム電池の負極構造は、高比表面積炭素材料を含むコーティング層をアルミニウム箔に堆積させることによって、アルミニウム箔の表面に多数の核形成点を提供するため、アルミニウム箔の表面に比較的遅い速度でデンドライトを均一に成長させることができる。したがって、アルミニウム電池に対するデンドライトの悪影響を改善し、それにより、アルミニウム電池の寿命を延ばすことができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
本発明の実施形態に係るアルミニウム電池の負極構造は、アルミニウム電池等のエネルギー貯蔵素子を使用するエネルギー貯蔵に関する産業に適用することができる。
１０ デンドライト
１００ アルミニウム電池の負極構造
１１０ アルミニウム箔
１２０ コーティング層

Claims (9)

  1. パウチセル型のアルミニウム電池に適用されるアルミニウム電池の負極構造であって、
    アルミニウム箔と、
    前記アルミニウム箔上に配置されたコーティング層と、
    を含み、前記コーティング層の材料が、高比表面積炭素材料を含み、前記高比表面積炭素材料の比表面積が、５００ｍ２／ｇ～３，０００ｍ２／ｇの範囲であり、
    前記コーティング層の厚さが、１０μｍ～１００μｍの範囲であるアルミニウム電池の負極構造。
  2. 前記高比表面積炭素材料が、活性炭を含む請求項１に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  3. 前記コーティング層の前記材料が、さらに、導電材料を含む請求項１に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  4. 前記導電材料が、導電性カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、アセチレンブラック、またはその組み合わせを含む請求項３に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  5. 前記コーティング層における前記導電材料のドーピング率が、２ｗｔ％～５０ｗｔ％の間である請求項３に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  6. 前記コーティング層の前記材料が、さらに、結合材を含む請求項１に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  7. 前記結合材が、セルロースまたはゴムを含む請求項６に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  8. 前記コーティング層が、前記アルミニウム箔に直接コーティングされた請求項１に記載のアルミニウム電池の負極構造。
  9. 正極と、
    請求項１に記載のアルミニウム電池の負極構造と、
    イオン性液体電解液と、
    を含む、パウチセル型のアルミニウム電池。
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