JPH10308210A - 電気化学的発電装置及びその製造方法 - Google Patents
電気化学的発電装置及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電気化学的発電装置において、ホスト金属か
ら成る穿孔シートを用い、合金の生成に伴う体積膨張に
よりシートの構造体及びその周囲環境に作用する機械的
な応力を局部的に吸収できるようにする。 【解決手段】 電気化学的発電装置は、正極及びその集
電体を含む薄膜と、後に負極を構成することを意図され
たホスト金属シートと、アルカリイオンに対して伝導性
を有する電解質と、アルカリイオン源とを備えている。
ホスト金属シートは、空隙を有している。この空隙の量
及び配列は、ホスト金属シートのあらゆる横膨張を局部
的に吸収することができるように選択される。これによ
り、ホスト金属とアルカリイオンによってもたらされる
アルカリ金属との間でシートに最初の合金生成が行われ
る時に、シートの平面における総ての累積的な変化を実
質的に防止する。本発明の電気化学的発電装置の製造方
法も開示される。
ら成る穿孔シートを用い、合金の生成に伴う体積膨張に
よりシートの構造体及びその周囲環境に作用する機械的
な応力を局部的に吸収できるようにする。 【解決手段】 電気化学的発電装置は、正極及びその集
電体を含む薄膜と、後に負極を構成することを意図され
たホスト金属シートと、アルカリイオンに対して伝導性
を有する電解質と、アルカリイオン源とを備えている。
ホスト金属シートは、空隙を有している。この空隙の量
及び配列は、ホスト金属シートのあらゆる横膨張を局部
的に吸収することができるように選択される。これによ
り、ホスト金属とアルカリイオンによってもたらされる
アルカリ金属との間でシートに最初の合金生成が行われ
る時に、シートの平面における総ての累積的な変化を実
質的に防止する。本発明の電気化学的発電装置の製造方
法も開示される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、局部応力緩和能を
有する高密度合金アノードシートに関する。より詳細に
言えば、本発明は、ホスト金属（ｈｏｓｔ ｍｅｔａ
ｌ）から成るシートを含む負極を備えた電気化学的発電
装置に関する。上記ホスト金属は、例えば、アルミニウ
ム、鉛、銀、珪素、亜鉛、マグネシウム、炭素、又は、
これらの組み合わせから形成される。ホスト金属製のシ
ートは、後に負極を構成することを意図されている。ホ
スト金属製のシートは、ホスト金属とリチウムの如きア
ルカリ金属との間の合金を形成する際に、あらゆる横膨
張を局部的に吸収すると共に、当該シートの平面のあら
ゆる変化を実質的に防止する性質を有している。
有する高密度合金アノードシートに関する。より詳細に
言えば、本発明は、ホスト金属（ｈｏｓｔ ｍｅｔａ
ｌ）から成るシートを含む負極を備えた電気化学的発電
装置に関する。上記ホスト金属は、例えば、アルミニウ
ム、鉛、銀、珪素、亜鉛、マグネシウム、炭素、又は、
これらの組み合わせから形成される。ホスト金属製のシ
ートは、後に負極を構成することを意図されている。ホ
スト金属製のシートは、ホスト金属とリチウムの如きア
ルカリ金属との間の合金を形成する際に、あらゆる横膨
張を局部的に吸収すると共に、当該シートの平面のあら
ゆる変化を実質的に防止する性質を有している。
【０００２】
【従来の技術】ポリマー電解質で作動するより技術的に
進歩した発電装置は、アノードシートとして、金属リチ
ウム、場合によってはナトリウム、あるいは、他のアル
カリ金属を用いている。アルカリ金属は、展性があり、
薄膜の形態で使用することができる（カナダ特許第２，
０９９，５２６号（ＣＡ２，０９９，５２６）、及び、
カナダ特許第２，０９９，５２４号（ＣＡ２，０９９，
５２４））。しかしながら、温度が１００°Ｃよりも高
いような特定の極端な用途においては、金属リチウム又
は他のアルカリ金属を使用すると、リチウム又はアルカ
リ金属の融解が生じて、電気化学的電池が破損する可能
性がある。また、電気化学的サイクリングの強制的な条
件の下では、例えば、非常に大きな再充電電流を用いた
場合には、例えばリチウムの樹枝状結晶が形成されるい
う周知の欠点があるが、一方、より高いアノード電位
（例えば、リチウムアルミニウム対リチウムに関して
は、＋３００ｍＶ乃至４５０ｍＶ）で作動する合金は、
リチウムの析出物を生じさせることがない。
進歩した発電装置は、アノードシートとして、金属リチ
ウム、場合によってはナトリウム、あるいは、他のアル
カリ金属を用いている。アルカリ金属は、展性があり、
薄膜の形態で使用することができる（カナダ特許第２，
０９９，５２６号（ＣＡ２，０９９，５２６）、及び、
カナダ特許第２，０９９，５２４号（ＣＡ２，０９９，
５２４））。しかしながら、温度が１００°Ｃよりも高
いような特定の極端な用途においては、金属リチウム又
は他のアルカリ金属を使用すると、リチウム又はアルカ
リ金属の融解が生じて、電気化学的電池が破損する可能
性がある。また、電気化学的サイクリングの強制的な条
件の下では、例えば、非常に大きな再充電電流を用いた
場合には、例えばリチウムの樹枝状結晶が形成されるい
う周知の欠点があるが、一方、より高いアノード電位
（例えば、リチウムアルミニウム対リチウムに関して
は、＋３００ｍＶ乃至４５０ｍＶ）で作動する合金は、
リチウムの析出物を生じさせることがない。
【０００３】リチウムの如きアルカリ金属の合金を用い
ることが提案されており、これは、溶融塩の媒質で作動
する発電装置の場合に成功することが証明されている
（米国特許第４，４８９，１４３号）。有機媒質で、よ
り詳細に言えばポリマー媒質で作動させ、電極膜の厚さ
が１００マイクロメートル（μｍ）よりも小さい場合に
は、合金から成るシートの形態のアノードで作動させる
ことが極めて困難になる。実際に、アノードとして使用
することのできるリチウムの金属間化合物（例えば、Ｌ
ｉＡｌ、Ｌｉ21Ｓｉ5、Ｌｉ22Ｐｂ5等）は、硬くて脆
く、リチウム又は弱合金リチウムの場合のように、積層
することができない。
ることが提案されており、これは、溶融塩の媒質で作動
する発電装置の場合に成功することが証明されている
（米国特許第４，４８９，１４３号）。有機媒質で、よ
り詳細に言えばポリマー媒質で作動させ、電極膜の厚さ
が１００マイクロメートル（μｍ）よりも小さい場合に
は、合金から成るシートの形態のアノードで作動させる
ことが極めて困難になる。実際に、アノードとして使用
することのできるリチウムの金属間化合物（例えば、Ｌ
ｉＡｌ、Ｌｉ21Ｓｉ5、Ｌｉ22Ｐｂ5等）は、硬くて脆
く、リチウム又は弱合金リチウムの場合のように、積層
することができない。
【０００４】上述のアノードは、ポリマー電解質によっ
て固化された金属間化合物の粉末から成る複合材料を製
造することによって、薄膜の形態として作製することが
でき（カナダ特許第１，２２２，５４３号）、あるい
は、特定の条件下では、シートの表面を化学的に処理す
ることによって（米国特許第４，５９０，８４０号）、
又は、上記シートの一部を電気化学的に装荷することに
よって（米国特許第４，７９４，０６０号）、アノード
のホスト金属から成るシートをプレアロイ化（ｐｒｅ−
ａｌｌｏｙ）することが可能であった。しかしながら、
特定の条件下で作動可能な上述の技術は、反応性の物質
を用いており、また、上記事前挿入された合金は、発火
性を有することが多く、従って、パフォーマンスの運用
及び最適化を困難にする。上述のアノードは、放電状態
で作製されるが、克服するのが困難な主要な事項の一つ
は、構造体に大きな応力を与える合金が生成することに
よって生ずる大きな体積変化に起因している。
て固化された金属間化合物の粉末から成る複合材料を製
造することによって、薄膜の形態として作製することが
でき（カナダ特許第１，２２２，５４３号）、あるい
は、特定の条件下では、シートの表面を化学的に処理す
ることによって（米国特許第４，５９０，８４０号）、
又は、上記シートの一部を電気化学的に装荷することに
よって（米国特許第４，７９４，０６０号）、アノード
のホスト金属から成るシートをプレアロイ化（ｐｒｅ−
ａｌｌｏｙ）することが可能であった。しかしながら、
特定の条件下で作動可能な上述の技術は、反応性の物質
を用いており、また、上記事前挿入された合金は、発火
性を有することが多く、従って、パフォーマンスの運用
及び最適化を困難にする。上述のアノードは、放電状態
で作製されるが、克服するのが困難な主要な事項の一つ
は、構造体に大きな応力を与える合金が生成することに
よって生ずる大きな体積変化に起因している。
【０００５】ポリマー電解質発電装置を組み立てる間に
又はその後に、リチウムを全く含まないホスト金属から
成るシートから合金を形成しようとすると、該シートの
厚さ方向における構造体の体積の膨張は、例えば、積層
されたシートの全厚さの増大を許容することによって、
電池を適正に設計することにより補償することができ
る。より詳細に言えば、厚さ方向における変化は、非常
に小さく、従って、より無視できるようになる。
又はその後に、リチウムを全く含まないホスト金属から
成るシートから合金を形成しようとすると、該シートの
厚さ方向における構造体の体積の膨張は、例えば、積層
されたシートの全厚さの増大を許容することによって、
電池を適正に設計することにより補償することができ
る。より詳細に言えば、厚さ方向における変化は、非常
に小さく、従って、より無視できるようになる。
【０００６】しかしながら、シートの平面におけるホス
ト金属の膨張は、シートの全面に沿って蓄積され、その
ような膨張によって生ずる局部応力を許容する褶曲部が
形成される。その結果、各電極の間に短絡回路が形成さ
れるか、あるいは、機械的な欠陥が生じて、発電装置の
運転を阻害する。この現象は、図４のポリマー電解質発
電装置のリチウムと合金化アルミニウムから成る通常の
シートの場合について、図６の写真に示されている。実
際の発電装置においては、生成した表面、各膜の間の接
着、及び、電池全体にわたって維持される圧力が、上記
横膨張を許容するホスト構造のあらゆる摺動を防止す
る。
ト金属の膨張は、シートの全面に沿って蓄積され、その
ような膨張によって生ずる局部応力を許容する褶曲部が
形成される。その結果、各電極の間に短絡回路が形成さ
れるか、あるいは、機械的な欠陥が生じて、発電装置の
運転を阻害する。この現象は、図４のポリマー電解質発
電装置のリチウムと合金化アルミニウムから成る通常の
シートの場合について、図６の写真に示されている。実
際の発電装置においては、生成した表面、各膜の間の接
着、及び、電池全体にわたって維持される圧力が、上記
横膨張を許容するホスト構造のあらゆる摺動を防止す
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するため
の手段】本発明は、正極及びその集電体を含む薄膜と、
後に負極を構成することを意図されたホスト金属から成
るシートと、アルカリイオンに対して伝導性を有する電
解質と、アルカリイオン源を構成する手段とを備える電
気化学的発電装置に関し、この電気化学的発電装置は、
上記ホスト金属から成るシートに空隙が設けられてお
り、上記ホスト金属から成るシートにおける上記空隙の
量及びその配列が、上記ホスト金属から成るシートのあ
らゆる横膨張を上記空隙の中に局部的に吸収すると共
に、上記ホスト金属と上記アルカリイオンによって導入
されたアルカリ金属との間で上記シートに合金が最初に
生成された後に、上記ホスト金属から成るシートの平面
のあらゆる累積的な変化を実質的に阻止するように選択
されている、という特徴を備えている。
の手段】本発明は、正極及びその集電体を含む薄膜と、
後に負極を構成することを意図されたホスト金属から成
るシートと、アルカリイオンに対して伝導性を有する電
解質と、アルカリイオン源を構成する手段とを備える電
気化学的発電装置に関し、この電気化学的発電装置は、
上記ホスト金属から成るシートに空隙が設けられてお
り、上記ホスト金属から成るシートにおける上記空隙の
量及びその配列が、上記ホスト金属から成るシートのあ
らゆる横膨張を上記空隙の中に局部的に吸収すると共
に、上記ホスト金属と上記アルカリイオンによって導入
されたアルカリ金属との間で上記シートに合金が最初に
生成された後に、上記ホスト金属から成るシートの平面
のあらゆる累積的な変化を実質的に阻止するように選択
されている、という特徴を備えている。
【０００８】本発明の発電装置は、充電状態において
は、上記シートが、上記ホスト金属及び上記アルカリ金
属から成る合金に少なくとも部分的に転化される、とい
う特徴を有していることに注意する必要がある。
は、上記シートが、上記ホスト金属及び上記アルカリ金
属から成る合金に少なくとも部分的に転化される、とい
う特徴を有していることに注意する必要がある。
【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、上記ア
ルカリイオン源は、上記ホスト金属から成るシートに接
触するアルカリ金属から成るシートから構成されてお
り、上記アルカリ金属は、発電装置が充電状態にある時
に上記ホスト金属と合金化される上記アルカリイオン源
から発生する。
ルカリイオン源は、上記ホスト金属から成るシートに接
触するアルカリ金属から成るシートから構成されてお
り、上記アルカリ金属は、発電装置が充電状態にある時
に上記ホスト金属と合金化される上記アルカリイオン源
から発生する。
【００１０】別の実施例によれば、上記アルカリイオン
源は、上記正極にあり、また、上記アルカリイオン源及
び上記アルカリ金属から成るシートから得られる上記ア
ルカリ金属は、発電装置が充電状態にある時に、上記ホ
スト金属と合金化される。
源は、上記正極にあり、また、上記アルカリイオン源及
び上記アルカリ金属から成るシートから得られる上記ア
ルカリ金属は、発電装置が充電状態にある時に、上記ホ
スト金属と合金化される。
【００１１】別の実施例によれば、上記アルカリイオン
源は、上記ホスト金属から成るシートに接触しているア
ルカリ金属から成るシートから構成されると共に、上記
正極にも存在しており、上記アルカリイオン源及び上記
アルカリ金属から成るシートから得られる上記アルカリ
金属は、発電装置が充電状態にある時に、上記ホスト金
属と合金化される。上記アルカリ金属は、リチウムであ
るのが好ましい。
源は、上記ホスト金属から成るシートに接触しているア
ルカリ金属から成るシートから構成されると共に、上記
正極にも存在しており、上記アルカリイオン源及び上記
アルカリ金属から成るシートから得られる上記アルカリ
金属は、発電装置が充電状態にある時に、上記ホスト金
属と合金化される。上記アルカリ金属は、リチウムであ
るのが好ましい。
【００１２】別の実施例によれば、上記ホスト金属は、
高活性アルカリ金属と合金を生成することができ且つ上
記アルカリ金属の拡散が迅速である金属から構成されて
いる。例えば、高活性アルカリ金属との合金は、純粋な
アルカリ金属の電位に関して、０ボルトと＋１．５ボル
トとの間の電位を有している。上記ホスト金属は、Ａ
ｌ、Ｃ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、又は、
これらの組み合わせから選択されるのが好ましい。本発
明を説明する文脈の範囲内において、これは厳密な定義
ではないが、炭素は金属であると見なすことを理解する
必要がある。
高活性アルカリ金属と合金を生成することができ且つ上
記アルカリ金属の拡散が迅速である金属から構成されて
いる。例えば、高活性アルカリ金属との合金は、純粋な
アルカリ金属の電位に関して、０ボルトと＋１．５ボル
トとの間の電位を有している。上記ホスト金属は、Ａ
ｌ、Ｃ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、又は、
これらの組み合わせから選択されるのが好ましい。本発
明を説明する文脈の範囲内において、これは厳密な定義
ではないが、炭素は金属であると見なすことを理解する
必要がある。
【００１３】ホスト金属から成るシートの上記空隙は、
通常、そのようなホスト金属から成るシートの全面積の
約５％乃至８０％に相当し、約５％乃至３０％であるの
が好ましい。上記空隙は、格子の形態、あるいは、打ち
抜き加工／引き伸ばし加工並びに恐らくは再薄板化加工
（ｒｅｌａｍｉｎａｔｉｎｇ）によって得られるエキス
パンドメタルの形態とすることができる。
通常、そのようなホスト金属から成るシートの全面積の
約５％乃至８０％に相当し、約５％乃至３０％であるの
が好ましい。上記空隙は、格子の形態、あるいは、打ち
抜き加工／引き伸ばし加工並びに恐らくは再薄板化加工
（ｒｅｌａｍｉｎａｔｉｎｇ）によって得られるエキス
パンドメタルの形態とすることができる。
【００１４】アルカリイオンに対して伝導性を有する上
記電解質は、ポリマー電解質を含むのが好ましい。ま
た、上記電解質は、ポリマーマトリックスと、液体電解
質と、該液体電解質の中に少なくとも部分的に溶解する
塩とから構成することもできる。
記電解質は、ポリマー電解質を含むのが好ましい。ま
た、上記電解質は、ポリマーマトリックスと、液体電解
質と、該液体電解質の中に少なくとも部分的に溶解する
塩とから構成することもできる。
【００１５】上記空隙は、ホスト金属から成るシートの
一方又は両方の面に、凹部の形態として設けることがで
きる。これらの凹部は、彫刻加工又は凹陥加工（ｄｅｐ
ｒｅｓｓｉｎｇ）によって形成されるのが好ましく、ま
た、上記空隙の量は、上記凹部を含む面の約５％乃至８
０％、好ましく、約５％乃至３０％に相当する。上記凹
部は、通常、合金の生成によりホスト金属から成るシー
トの平面に生ずるあらゆる横膨張を実質的に補償するよ
うに、配列される。
一方又は両方の面に、凹部の形態として設けることがで
きる。これらの凹部は、彫刻加工又は凹陥加工（ｄｅｐ
ｒｅｓｓｉｎｇ）によって形成されるのが好ましく、ま
た、上記空隙の量は、上記凹部を含む面の約５％乃至８
０％、好ましく、約５％乃至３０％に相当する。上記凹
部は、通常、合金の生成によりホスト金属から成るシー
トの平面に生ずるあらゆる横膨張を実質的に補償するよ
うに、配列される。
【００１６】別の実施例によれば、上記ホスト金属から
成るシートは、該シートの面の少なくとも一方に設けら
れるポリマー電解質から成る層を備えており、該層は、
上記ホスト金属から成るシートに設けられていて、合金
とアルカリイオンに対して伝導性を有する上記電解質と
の間のイオン交換を最大限にし、また、上記電解質は、
上記負極と上記正極との間のセパレーターとして作用す
る。
成るシートは、該シートの面の少なくとも一方に設けら
れるポリマー電解質から成る層を備えており、該層は、
上記ホスト金属から成るシートに設けられていて、合金
とアルカリイオンに対して伝導性を有する上記電解質と
の間のイオン交換を最大限にし、また、上記電解質は、
上記負極と上記正極との間のセパレーターとして作用す
る。
【００１７】上記ポリマー電解質は、炭素を含むことが
でき、該炭素は、電子伝導の添加剤又は促進剤として作
用するように、上記ポリマー電解質の中に分布されてい
て、イオン交換及び電子交換を最大限にする。
でき、該炭素は、電子伝導の添加剤又は促進剤として作
用するように、上記ポリマー電解質の中に分布されてい
て、イオン交換及び電子交換を最大限にする。
【００１８】上記リチウムのシートは、上記ホスト金属
から成るシートの一方の側部にだけ設けることができ
る。上記リチウムのシートは、上記ホスト金属から成る
シートの両側部に設けることもできる。
から成るシートの一方の側部にだけ設けることができ
る。上記リチウムのシートは、上記ホスト金属から成る
シートの両側部に設けることもできる。
【００１９】上記合金は、一般的に、発電装置を組み立
てる時に得られる。上記合金は、発電装置を組み立てた
後の活性化反応の間に得ることもできる。
てる時に得られる。上記合金は、発電装置を組み立てた
後の活性化反応の間に得ることもできる。
【００２０】別の実施例によれば、上記リチウムのシー
トは、上記正極に対向する上記ホスト金属から成るシー
トに設けられていて、発電装置を組み立てた後の合金の
生成を遅延させると共に、発電装置を組み立てる作業の
安全性を極力高める。上記ホスト金属は、上記アルカリ
金属よりも過剰の量であるのが好ましく、これにより、
上記ホスト金属の一部を未反応状態として残して、その
ような未反応状態のホスト金属が、上記ホスト金属から
成るシートの平面の上で集電体として作用することがで
きるようにする。
トは、上記正極に対向する上記ホスト金属から成るシー
トに設けられていて、発電装置を組み立てた後の合金の
生成を遅延させると共に、発電装置を組み立てる作業の
安全性を極力高める。上記ホスト金属は、上記アルカリ
金属よりも過剰の量であるのが好ましく、これにより、
上記ホスト金属の一部を未反応状態として残して、その
ような未反応状態のホスト金属が、上記ホスト金属から
成るシートの平面の上で集電体として作用することがで
きるようにする。
【００２１】本発明の発電装置は、通常、円筒形又は平
坦に巻かれた膜、あるいは、平坦に重積された膜から構
成される。また、上記ホスト金属から成るシート、及
び、上記正極の集電体は、上記円筒形又は平坦に巻かれ
た膜、あるいは、平坦に重積された膜の両側部の上で突
出して、上記集電体及び上記ホスト金属から成るシート
のそれぞれの側縁部の全体に対する効率的な電流接続を
許容するようにするのが好ましい。上記電流接続は、例
えば上記シートの側縁部全体に沿って導電性金属を粉砕
することにより得られる。
坦に巻かれた膜、あるいは、平坦に重積された膜から構
成される。また、上記ホスト金属から成るシート、及
び、上記正極の集電体は、上記円筒形又は平坦に巻かれ
た膜、あるいは、平坦に重積された膜の両側部の上で突
出して、上記集電体及び上記ホスト金属から成るシート
のそれぞれの側縁部の全体に対する効率的な電流接続を
許容するようにするのが好ましい。上記電流接続は、例
えば上記シートの側縁部全体に沿って導電性金属を粉砕
することにより得られる。
【００２２】別の実施例によれば、合金のシートから成
る上記負極は、発電装置を組み立てた後に、上記ホスト
金属から成るシート、及び、該ホスト金属から成るシー
トに接触している上記アルカリ金属から成るシートを熱
処理することによって得られ、この熱処理は、加圧下で
又は機械的に拘束することにより、また、負極のシート
が平坦な状態を確実に維持する条件下で実行される。
る上記負極は、発電装置を組み立てた後に、上記ホスト
金属から成るシート、及び、該ホスト金属から成るシー
トに接触している上記アルカリ金属から成るシートを熱
処理することによって得られ、この熱処理は、加圧下で
又は機械的に拘束することにより、また、負極のシート
が平坦な状態を確実に維持する条件下で実行される。
【００２３】上記ホスト金属は、約１μｍ乃至約１５０
μｍの厚さを有するのが好ましく、約１０μｍ乃至約１
００μｍの厚さを有するのが特に好ましい。
μｍの厚さを有するのが好ましく、約１０μｍ乃至約１
００μｍの厚さを有するのが特に好ましい。
【００２４】本発明は、また、電気化学的発電装置の製
造方法にも関係し、この製造方法は、正極及びその集電
体を含む薄膜、後に負極を構成することを意図されたホ
スト金属から成るシート、アルカリイオンに対して伝導
性を有する電解質、並びに、アルカリイオン源を構成す
る手段を準備する工程と、上記負極及び上記シートを上
記伝導性を有する電解質の両側部に設ける工程とを備え
ており、上記シートは、空隙を有するホスト金属から成
るシートから選択され、上記ホスト金属から成るシート
における上記空隙の量及びこれら空隙の配列は、上記ホ
スト金属から成るシートのあらゆる横膨張を上記空隙の
中に局部的に吸収し、これにより、上記ホスト金属と上
記アルカリイオンによりもたらされるアルカリ金属との
間で上記シートに合金が最初に生成される時に、上記ホ
スト金属から成るシートの平面におけるあらゆる累積的
な変化を実質的に防止するように選択され、本製造方法
は、更に、その後上記膜、上記伝導性を有する電解質及
び上記アルカリイオン源を組み立てて発電装置を構成す
る工程を備えている。
造方法にも関係し、この製造方法は、正極及びその集電
体を含む薄膜、後に負極を構成することを意図されたホ
スト金属から成るシート、アルカリイオンに対して伝導
性を有する電解質、並びに、アルカリイオン源を構成す
る手段を準備する工程と、上記負極及び上記シートを上
記伝導性を有する電解質の両側部に設ける工程とを備え
ており、上記シートは、空隙を有するホスト金属から成
るシートから選択され、上記ホスト金属から成るシート
における上記空隙の量及びこれら空隙の配列は、上記ホ
スト金属から成るシートのあらゆる横膨張を上記空隙の
中に局部的に吸収し、これにより、上記ホスト金属と上
記アルカリイオンによりもたらされるアルカリ金属との
間で上記シートに合金が最初に生成される時に、上記ホ
スト金属から成るシートの平面におけるあらゆる累積的
な変化を実質的に防止するように選択され、本製造方法
は、更に、その後上記膜、上記伝導性を有する電解質及
び上記アルカリイオン源を組み立てて発電装置を構成す
る工程を備えている。
【００２５】従って、本発明は、例えば、合金化アノー
ドから成るシートを形成するものであり、該シートは、
発電装置を組み立てる間に形成されるのが好ましく、ま
た、ホスト金属から成る穿孔シート及びリチウム源から
構成される。上記合金の生成は、発電装置を組み立てる
時に、又は、上記合金を調製する後の工程の間に実行さ
れるのが好ましい。使用されるのが好ましいプロセス
は、金属リチウムから成るシートのホスト金属を化学的
に熱処理するプロセス、あるいは、リチウムと合金化さ
れているのが好ましいカソード（例えば、ＬｉＣｏ
Ｏ2、Ｌｉ2Ｍｎ2Ｏ4を含む）から出発したホスト金属を
電気化学的に充電するプロセス（米国特許第５，４２
５，９３２号）である。
ドから成るシートを形成するものであり、該シートは、
発電装置を組み立てる間に形成されるのが好ましく、ま
た、ホスト金属から成る穿孔シート及びリチウム源から
構成される。上記合金の生成は、発電装置を組み立てる
時に、又は、上記合金を調製する後の工程の間に実行さ
れるのが好ましい。使用されるのが好ましいプロセス
は、金属リチウムから成るシートのホスト金属を化学的
に熱処理するプロセス、あるいは、リチウムと合金化さ
れているのが好ましいカソード（例えば、ＬｉＣｏ
Ｏ2、Ｌｉ2Ｍｎ2Ｏ4を含む）から出発したホスト金属を
電気化学的に充電するプロセス（米国特許第５，４２
５，９３２号）である。
【００２６】本発明の主要な目的は、ホスト金属から成
る穿孔シートを用いて、合金の生成に伴う体積膨張によ
り上記シートの構造体及びその周囲環境に作用する機械
的な応力を「局部的」に吸収できるようにすることであ
る。使用することのできるアルミニウムから成るホスト
構造の非制限的な例が、ＥＸＭＥＴ（登録商標）の名称
で商業的に入手可能であり、ある種のバッテリに不活性
集電体として現在使用されている製品に関して、図１に
示されている。これらの集電体は、本発明において探し
求められている性質も備えることができることが観察さ
れた。特にサイクリング及び安全性に関して、ポリマー
電解質発電装置における上記集電体の新規な使用、及
び、アノードとしての良好な作用が確立されている。現
在入手可能な上記製品における開口の量は、極めて高
く、例えば、図１に示すように、２５マイクロメートル
の厚さのシートに関して、表面の５０％近くが穿孔され
ている。この開口のパーセンテージは、実際には合金の
生成の後に満たされるアノード表面を形成するために、
減少させることができる。
る穿孔シートを用いて、合金の生成に伴う体積膨張によ
り上記シートの構造体及びその周囲環境に作用する機械
的な応力を「局部的」に吸収できるようにすることであ
る。使用することのできるアルミニウムから成るホスト
構造の非制限的な例が、ＥＸＭＥＴ（登録商標）の名称
で商業的に入手可能であり、ある種のバッテリに不活性
集電体として現在使用されている製品に関して、図１に
示されている。これらの集電体は、本発明において探し
求められている性質も備えることができることが観察さ
れた。特にサイクリング及び安全性に関して、ポリマー
電解質発電装置における上記集電体の新規な使用、及
び、アノードとしての良好な作用が確立されている。現
在入手可能な上記製品における開口の量は、極めて高
く、例えば、図１に示すように、２５マイクロメートル
の厚さのシートに関して、表面の５０％近くが穿孔され
ている。この開口のパーセンテージは、実際には合金の
生成の後に満たされるアノード表面を形成するために、
減少させることができる。
【００２７】勿論、本発明の特徴を再現する他の構造も
可能であり、そのような構造は、例えば、機械的なプロ
セス又は同様なプロセスによってシートに形成される彫
刻構造によって得ることができる。穿孔部及び／又は空
隙の配列、その寸法、並びに、シートの体積パーセンテ
ージは、シートの平面におけるホスト金属の体積膨張を
吸収し、これにより、反応の後の合金化シートの密度を
最適化すると共に、合金化シートの平坦な表面を維持す
るように選択される。本発明の図２及び図３は、合金の
生成の間にホスト金属に起こる事象を示している。
可能であり、そのような構造は、例えば、機械的なプロ
セス又は同様なプロセスによってシートに形成される彫
刻構造によって得ることができる。穿孔部及び／又は空
隙の配列、その寸法、並びに、シートの体積パーセンテ
ージは、シートの平面におけるホスト金属の体積膨張を
吸収し、これにより、反応の後の合金化シートの密度を
最適化すると共に、合金化シートの平坦な表面を維持す
るように選択される。本発明の図２及び図３は、合金の
生成の間にホスト金属に起こる事象を示している。
【００２８】本発明の利点の一つは、合金が高密度の形
態（複合物ではない）であって、発電装置を作動させた
後に生成されるのが好ましいという事実により、作動が
容易で、安全性を有しているということである。また、
本発明は、高密度のゾーンが存在するために、容積エネ
ルギ密度の最適化に寄与すると共に、空隙率を制御し
て、合金が生成して構造体が膨張した後にアノードのシ
ートの残留空間に存在するポリマーを最適化することに
よって、発電装置の出力を最適化することに寄与する。
ポリマー電解質と共に使用された場合の本発明の他の利
点は、アノードの高密度部分へのポリマー電解質の浸透
速度を最小限にし、これにより、合金化構造の電気接点
の品質を維持することである。当然、ポリマーは合金に
浸透しないので、合金の粒子を孤立させることはできな
い。
態（複合物ではない）であって、発電装置を作動させた
後に生成されるのが好ましいという事実により、作動が
容易で、安全性を有しているということである。また、
本発明は、高密度のゾーンが存在するために、容積エネ
ルギ密度の最適化に寄与すると共に、空隙率を制御し
て、合金が生成して構造体が膨張した後にアノードのシ
ートの残留空間に存在するポリマーを最適化することに
よって、発電装置の出力を最適化することに寄与する。
ポリマー電解質と共に使用された場合の本発明の他の利
点は、アノードの高密度部分へのポリマー電解質の浸透
速度を最小限にし、これにより、合金化構造の電気接点
の品質を維持することである。当然、ポリマーは合金に
浸透しないので、合金の粒子を孤立させることはできな
い。
【００２９】本発明を作動させる効果的な方法は、ソー
スすなわち補給源中のリチウムの量を制御して、合金の
生成の後にホスト金属の一部を未反応の状態で残し、こ
れにより、シートの平面において横方向の集電体として
作用させることである。
スすなわち補給源中のリチウムの量を制御して、合金の
生成の後にホスト金属の一部を未反応の状態で残し、こ
れにより、シートの平面において横方向の集電体として
作用させることである。
【００３０】本発明のアノードを作動させる簡単な方法
は、上述のＥＸＭＥＴ（登録商標）を所定厚さのリチウ
ムシートに与えることである。そのような作動の重要な
部分が、図２、図３及び図４に示されており、以下の例
において詳細に説明される。勿論、穿孔部の数、空隙を
形成する方法、並びに、合金化シートの密度を最適化し
て合金の生成により局部的に発生する応力を吸収するた
めの空隙の幾何学的形状は、ホスト金属の性質及び意図
するエネルギ密度に応じて、また、当業者には周知の他
のパラメータの関数として変えることができる。例とし
て、表１及び図２２は、穿孔部の数を最適化するため
の、特定の数の可能なホスト化合物の重要な性質、並び
に、等量のリチウム合金の生成により生ずる体積変化を
示している。
は、上述のＥＸＭＥＴ（登録商標）を所定厚さのリチウ
ムシートに与えることである。そのような作動の重要な
部分が、図２、図３及び図４に示されており、以下の例
において詳細に説明される。勿論、穿孔部の数、空隙を
形成する方法、並びに、合金化シートの密度を最適化し
て合金の生成により局部的に発生する応力を吸収するた
めの空隙の幾何学的形状は、ホスト金属の性質及び意図
するエネルギ密度に応じて、また、当業者には周知の他
のパラメータの関数として変えることができる。例とし
て、表１及び図２２は、穿孔部の数を最適化するため
の、特定の数の可能なホスト化合物の重要な性質、並び
に、等量のリチウム合金の生成により生ずる体積変化を
示している。
【００３１】一般的に言えば、特に限定するものではな
いが、十分に高密度であり且つ平坦であって電気化学的
及び安全上の性能すなわちパフォーマンスが最適なシー
トを得るためには、穿孔部の数は、５％乃至８０％の
間、好ましくは、５％乃至３０％の間で変化する。実際
に、金属リチウムの量に関するホスト金属の量は、過剰
のホスト金属が残って、シートの平面のアノードのため
の集電体として作用することができるように、概ね調節
される。
いが、十分に高密度であり且つ平坦であって電気化学的
及び安全上の性能すなわちパフォーマンスが最適なシー
トを得るためには、穿孔部の数は、５％乃至８０％の
間、好ましくは、５％乃至３０％の間で変化する。実際
に、金属リチウムの量に関するホスト金属の量は、過剰
のホスト金属が残って、シートの平面のアノードのため
の集電体として作用することができるように、概ね調節
される。
【００３２】アルミニウムの如きある種の金属に関して
は、ホスト金属の表面に炭素複合物から成る薄膜を使用
することにより、例えば、電子接点の品質に関して、均
一な合金の生成を促進することが判明した。
は、ホスト金属の表面に炭素複合物から成る薄膜を使用
することにより、例えば、電子接点の品質に関して、均
一な合金の生成を促進することが判明した。
【００３３】製造すべき発電装置のタイプに応じて、１
又はそれ以上のリチウムシートをホスト金属から成る中
央シートに用いるか、あるいは、反対に、２つのホスト
金属シートを１つのリチウムシートに用いる。
又はそれ以上のリチウムシートをホスト金属から成る中
央シートに用いるか、あるいは、反対に、２つのホスト
金属シートを１つのリチウムシートに用いる。
【００３４】図２０に示すように、電気化学的発電装置
を製造する好ましい方法は、カソード（集電体及び複合
カソード）のシート及び電解質のシートを、ホスト金属
シート及びリチウムシートの形態のアノードと共に巻着
する（モノフェース（ｍｏｎｏｆａｃｅ）すなわち単面
システムの場合には、ポリプロピレンの如き絶縁プラス
チックフィルムと共に巻く）。
を製造する好ましい方法は、カソード（集電体及び複合
カソード）のシート及び電解質のシートを、ホスト金属
シート及びリチウムシートの形態のアノードと共に巻着
する（モノフェース（ｍｏｎｏｆａｃｅ）すなわち単面
システムの場合には、ポリプロピレンの如き絶縁プラス
チックフィルムと共に巻く）。
【００３５】図２１は、バイフェース（ｂｉｆａｃｅ）
すなわち両面システムの電気化学的発電装置を製造する
好ましい方法を示しており、この方法においては、カソ
ード（集電体及び複合カソード）及び電解質のシート
を、一枚のホスト金属シート及び二枚のリチウムシート
から成る形態のアノードと共に巻着する。このアセンブ
リにおいては、カソード（集電体）及びアノード（リチ
ウムから突出するホスト金属）のそれぞれのシートは、
上記巻着体の両側部から突出し、これにより、各々の突
出するシートの全縁部に電極を集めることができるよう
になっている。次に、粉砕された金属を上記巻着体の端
部に塗布して、最適な電気的及び熱的な交換を行わせる
ことができる。
すなわち両面システムの電気化学的発電装置を製造する
好ましい方法を示しており、この方法においては、カソ
ード（集電体及び複合カソード）及び電解質のシート
を、一枚のホスト金属シート及び二枚のリチウムシート
から成る形態のアノードと共に巻着する。このアセンブ
リにおいては、カソード（集電体）及びアノード（リチ
ウムから突出するホスト金属）のそれぞれのシートは、
上記巻着体の両側部から突出し、これにより、各々の突
出するシートの全縁部に電極を集めることができるよう
になっている。次に、粉砕された金属を上記巻着体の端
部に塗布して、最適な電気的及び熱的な交換を行わせる
ことができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】本発明は、非制限的な例を示す図
面に示されている。
面に示されている。
【００３７】図１においては、拡張(expanded)アルミニ
ウムは、２５マイクロメートルの厚さを有しており、こ
の拡張アルミニウムは、切断され、引き伸ばされ、更
に、平坦化されたものである。
ウムは、２５マイクロメートルの厚さを有しており、こ
の拡張アルミニウムは、切断され、引き伸ばされ、更
に、平坦化されたものである。
【００３８】ここで図２及び図３を参照すると、これら
の図は、局部応力緩和能を有する合金化された「高密
度」負極を化学的に作動させる原理を示している。図２
は、合金化シートを生成させる一連の作業を示してお
り、図３は、合金生成の間の拡張シートの挙動を断面で
示している。この例においては、拡張アルミニウムシー
トとリチウムシートとの間にある圧力を維持して、両シ
ートを確実に接触させると共に、両シートの表面の変形
を防止している。温度上昇により、急速な合金生成が生
じ、この合金生成は、例えば、図４の装置を用いて行わ
せることができる。
の図は、局部応力緩和能を有する合金化された「高密
度」負極を化学的に作動させる原理を示している。図２
は、合金化シートを生成させる一連の作業を示してお
り、図３は、合金生成の間の拡張シートの挙動を断面で
示している。この例においては、拡張アルミニウムシー
トとリチウムシートとの間にある圧力を維持して、両シ
ートを確実に接触させると共に、両シートの表面の変形
を防止している。温度上昇により、急速な合金生成が生
じ、この合金生成は、例えば、図４の装置を用いて行わ
せることができる。
【００３９】図１０乃至図１４を参照すると、図示の集
電体は、一般的に、通常のアルミニウムシートであり、
ＳＰＥは、ポリマー電解質を示しており、Ｃは、接着性
のポリマー電解質の中に分散された炭素の薄膜を示して
いる。（＋）は、複合カソードを示しており、この複合
カソードは、充電された反応材料すなわち活物質と、炭
素と、接着性のポリマー電解質とから形成されている。
Ｈは、合金ＬｉＡｌが生成される前に拡張されたホスト
金属（Ａｌ）のシートを示している。以上の事柄は、よ
り詳細に言えば、以下のように図示されている。
電体は、一般的に、通常のアルミニウムシートであり、
ＳＰＥは、ポリマー電解質を示しており、Ｃは、接着性
のポリマー電解質の中に分散された炭素の薄膜を示して
いる。（＋）は、複合カソードを示しており、この複合
カソードは、充電された反応材料すなわち活物質と、炭
素と、接着性のポリマー電解質とから形成されている。
Ｈは、合金ＬｉＡｌが生成される前に拡張されたホスト
金属（Ａｌ）のシートを示している。以上の事柄は、よ
り詳細に言えば、以下のように図示されている。
【００４０】図１０は、バッテリのモノフェースをＡｌ
集電体（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／Ｈの順序で示してお
り、図１１は、タイプＩの炭素の複合膜を有するモノフ
ェース型アノードを備えたバッテリを、Ａｌ集電体
（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／Ｃ／Ｈの順序で示しており、
図１２は、タイプＩＩの炭素の複合膜を有するモノフェ
ース型アノードを備えたバッテリを、Ａｌ集電体（＋）
／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／Ｌｉ°の順序で示しており、図１３
は、タイプＩＩＩの炭素の複合膜を有していて、放電状
態で作製されたモノフェース型アノードを備えたバッテ
リを、Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ／Ｃ／Ｈの順
序で示しており、図１４は、バイフェース型アノードを
備えたバッテリを、Ａｌ集電体（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°
／Ｈ／Ｌｉ°／ＳＰＥ／（＋）／Ａｌ集電体の順序で示
している。
集電体（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／Ｈの順序で示してお
り、図１１は、タイプＩの炭素の複合膜を有するモノフ
ェース型アノードを備えたバッテリを、Ａｌ集電体
（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／Ｃ／Ｈの順序で示しており、
図１２は、タイプＩＩの炭素の複合膜を有するモノフェ
ース型アノードを備えたバッテリを、Ａｌ集電体（＋）
／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／Ｌｉ°の順序で示しており、図１３
は、タイプＩＩＩの炭素の複合膜を有していて、放電状
態で作製されたモノフェース型アノードを備えたバッテ
リを、Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ／Ｃ／Ｈの順
序で示しており、図１４は、バイフェース型アノードを
備えたバッテリを、Ａｌ集電体（＋）／ＳＰＥ／Ｌｉ°
／Ｈ／Ｌｉ°／ＳＰＥ／（＋）／Ａｌ集電体の順序で示
している。
【００４１】図１５を参照すると、比較された初期放電
の曲線は、以下のバッテリに関するものである。 （ａ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°、及
び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／
Ｃ／Ｈ（Ｈは、タイプＩのＥＸＭＥＴ（登録商標）の形
態である）。
の曲線は、以下のバッテリに関するものである。 （ａ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°、及
び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°／
Ｃ／Ｈ（Ｈは、タイプＩのＥＸＭＥＴ（登録商標）の形
態である）。
【００４２】図１６を参照すると、この安定度試験は、
以下のバッテリに関するものである。 （ａ）ＳＰＥ／Ｌｉ°、及び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ
2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／Ｌｉ°（Ｈは、ＥＸＭＥＴ
（登録商標）の形態のＡｌである）。
以下のバッテリに関するものである。 （ａ）ＳＰＥ／Ｌｉ°、及び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ
2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／Ｌｉ°（Ｈは、ＥＸＭＥＴ
（登録商標）の形態のＡｌである）。
【００４３】図１７において、比較された初期放電の曲
線は、以下のバッテリの曲線である。 （ａ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°、及
び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／
Ｌｉ°（Ｈは、タイプＩＩのＥＸＭＥＴ（登録商標）の
形態のＡｌである）。
線は、以下のバッテリの曲線である。 （ａ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｌｉ°、及
び、（ｂ）Ａｌ集電体／（Ｖ2Ｏ5）／ＳＰＥ／Ｈ／Ｃ／
Ｌｉ°（Ｈは、タイプＩＩのＥＸＭＥＴ（登録商標）の
形態のＡｌである）。
【００４４】図１８、例３及び図１１に示すタイプＩの
バッテリに関するサイクリング曲線を示している。
バッテリに関するサイクリング曲線を示している。
【００４５】図１９は、以下のバッテリのサイクリング
曲線を示している。Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ
／Ｃ／Ｈ（Ｈは、ＥＸＭＥＴ（登録商標）の形態のＡｌ
である）。
曲線を示している。Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ
／Ｃ／Ｈ（Ｈは、ＥＸＭＥＴ（登録商標）の形態のＡｌ
である）。
【００４６】図２０は、バイフェース様式で平坦に巻着
されているバッテリのアセンブリの概略図であって、上
記バッテリは、炭素と、側部同士が接合された二枚の金
属リチウムシートとで被覆された拡張アルミニウムから
形成されたアノードを備えている。
されているバッテリのアセンブリの概略図であって、上
記バッテリは、炭素と、側部同士が接合された二枚の金
属リチウムシートとで被覆された拡張アルミニウムから
形成されたアノードを備えている。
【００４７】図２１は、バイフェース様式で巻着されて
いる放電状態のバッテリの概略図であって、このバッテ
リは、炭素と、互いに接合された二枚の金属リチウムシ
ートとで被覆された拡張アルミニウムから形成されたア
ノードを備えており、このバッテリにおいては、過剰の
ホスト金属が、アノードのシートのための集電体として
用いられており、合金化されていないホスト構造が巻着
体の一端部において横方向に突出している。図２１にお
いては、アノードのホストシートのカソードのアルミニ
ウム集電体の横方向の突出部は、粉砕された金属接点に
よって集合されている。
いる放電状態のバッテリの概略図であって、このバッテ
リは、炭素と、互いに接合された二枚の金属リチウムシ
ートとで被覆された拡張アルミニウムから形成されたア
ノードを備えており、このバッテリにおいては、過剰の
ホスト金属が、アノードのシートのための集電体として
用いられており、合金化されていないホスト構造が巻着
体の一端部において横方向に突出している。図２１にお
いては、アノードのホストシートのカソードのアルミニ
ウム集電体の横方向の突出部は、粉砕された金属接点に
よって集合されている。
【００４８】ここで、非限定的な例として示す以下の実
例によって本発明を説明する。
例によって本発明を説明する。
【００４９】実施例： 例 １ この例は、厚さが２０マイクロメートルの通常のアルミ
ニウムシートが、厚さが１８マイクロメートルの金属リ
チウムシートに接触した場合の性能すなわちパフォーマ
ンスを示している。重積されたシートは、図５乃至図７
に示す試験の最初に示されていて、図４の装置によって
作製される。
ニウムシートが、厚さが１８マイクロメートルの金属リ
チウムシートに接触した場合の性能すなわちパフォーマ
ンスを示している。重積されたシートは、図５乃至図７
に示す試験の最初に示されていて、図４の装置によって
作製される。
【００５０】８０°Ｃで１時間にわたって加熱した後
に、リチウムシートは、アルミニウムとの反応によって
溶解し、また、上記アルミニウムは、合金の生成により
生ずる横膨張の結果、シートの平面から突出する複数の
褶曲部を形成することが観察された。ポリマー電解質を
有する完全なバッテリにおいては、上記現象は、一般
に、短絡回路を生じさせる。
に、リチウムシートは、アルミニウムとの反応によって
溶解し、また、上記アルミニウムは、合金の生成により
生ずる横膨張の結果、シートの平面から突出する複数の
褶曲部を形成することが観察された。ポリマー電解質を
有する完全なバッテリにおいては、上記現象は、一般
に、短絡回路を生じさせる。
【００５１】例 ２ この例においては、上記高密度アルミニウムのシート
を、ＥＸＭＥＴ社（米国コネチカット州Ｎａｕｇａｔｕ
ｃｋ）によって商業的に製造されているエキスパンドメ
タルのシートで置き換えることによって、例１の試験を
再現している。リチウムをアルミニウム合金と完全に反
応させるために、上記アルミニウム合金を複合炭素の薄
膜で被覆した。使用したアルミニウムの平坦化した後の
厚さは、２５マイクロメートルであった。穿孔された表
面は、シートの全面積の約５０％に相当し、開口の幅
は、約１４５マイクロメートルであった。この例におい
ては、開口の割合は、反応後の合金化構造を完全に閉じ
るためには大き過ぎる。
を、ＥＸＭＥＴ社（米国コネチカット州Ｎａｕｇａｔｕ
ｃｋ）によって商業的に製造されているエキスパンドメ
タルのシートで置き換えることによって、例１の試験を
再現している。リチウムをアルミニウム合金と完全に反
応させるために、上記アルミニウム合金を複合炭素の薄
膜で被覆した。使用したアルミニウムの平坦化した後の
厚さは、２５マイクロメートルであった。穿孔された表
面は、シートの全面積の約５０％に相当し、開口の幅
は、約１４５マイクロメートルであった。この例におい
ては、開口の割合は、反応後の合金化構造を完全に閉じ
るためには大き過ぎる。
【００５２】図８、図９及び図７においては、リチウム
と化学反応した後のホスト構造の詳細を見ることができ
る。また、この例においては、上の例１とは異なり、挿
入の間に溝が全く形成されておらず、従って、体積変化
及び応力を局部的に吸収することができないことに注意
する必要がある。シートは、完全に平坦な状態のままで
あり、これは、薄膜を有するポリマー電解質発電装置を
良好に作動させるための重要な条件である。電子顕微鏡
（図８及び図９）で認識することのできるこの試験の他
の驚くべき効果は、アルミニウムの構造から網の上に合
金を生成させることにより、表１の値から予測されるも
のよりも小さな、高密度部分の横膨張が生ずるというこ
とである。観察された膨張は、約１０％であり、一方、
表１から予測される値は９４％である。この現象は、挿
入を許容するリチウム源の指向性、並びに、製造された
装置の完全性(solid nature)から生ずるものである。以
上の観察は、最適化されたアルミニウムの構造（ＥＸＭ
ＥＴ（登録商標））は、２０％程度の量の穿孔部を有す
る必要があるということを示唆している。
と化学反応した後のホスト構造の詳細を見ることができ
る。また、この例においては、上の例１とは異なり、挿
入の間に溝が全く形成されておらず、従って、体積変化
及び応力を局部的に吸収することができないことに注意
する必要がある。シートは、完全に平坦な状態のままで
あり、これは、薄膜を有するポリマー電解質発電装置を
良好に作動させるための重要な条件である。電子顕微鏡
（図８及び図９）で認識することのできるこの試験の他
の驚くべき効果は、アルミニウムの構造から網の上に合
金を生成させることにより、表１の値から予測されるも
のよりも小さな、高密度部分の横膨張が生ずるというこ
とである。観察された膨張は、約１０％であり、一方、
表１から予測される値は９４％である。この現象は、挿
入を許容するリチウム源の指向性、並びに、製造された
装置の完全性(solid nature)から生ずるものである。以
上の観察は、最適化されたアルミニウムの構造（ＥＸＭ
ＥＴ（登録商標））は、２０％程度の量の穿孔部を有す
る必要があるということを示唆している。
【００５３】例 ３ 以下に述べる例においては、約４ｃｍ2の表面を有する
完全な発電装置が製造される。この発電装置は、この例
３に関して図１１に示すように、Ａｌ集電体（＋）／Ｓ
ＰＥ／Ｌｉ°／Ｃ／Ｈの構造から形成されており、この
構造は、以下の膜、すなわち、厚さが１３マイクロメー
トルのアルミニウム集電体と、酸化バナジウムを含む厚
さが約４５マイクロメートルの複合カソードと、炭素導
体と、接着性ポリマーとから構成されている。該接着性
ポリマーは、エチレンオキシド系のコポリマー、及び、
リチウム塩（ＣＦ3ＳＯ2）2ＮＬｉから構成されてお
り、Ｏ（ポリエーテルの）／Ｌｉ（塩の）で表すそのモ
ル比は、３０／１である。このカソードの静電容量は、
１平方ｃｍ当たり約４クーロンである。セパレーター
は、接着剤と同じ性質を有しており、その厚さは、３０
マイクロメートルである。この正の半電池は、８０°Ｃ
で加圧することによって取り付けられている。一方、リ
チウム膜が、取り扱いを容易にするために剥離可能なサ
ポートに取り付けられた約１０マイクロメートルの厚さ
の複合炭素の薄膜に対して、８０°Ｃで圧接される。上
記炭素のコーティングは、８０°Ｃの熱い状態でＨで示
される２５マイクロメートルの厚さのＥＸＭＥＴ（登録
商標）シートに移送されて、電気的な交換及びイオン交
換を促進する。
完全な発電装置が製造される。この発電装置は、この例
３に関して図１１に示すように、Ａｌ集電体（＋）／Ｓ
ＰＥ／Ｌｉ°／Ｃ／Ｈの構造から形成されており、この
構造は、以下の膜、すなわち、厚さが１３マイクロメー
トルのアルミニウム集電体と、酸化バナジウムを含む厚
さが約４５マイクロメートルの複合カソードと、炭素導
体と、接着性ポリマーとから構成されている。該接着性
ポリマーは、エチレンオキシド系のコポリマー、及び、
リチウム塩（ＣＦ3ＳＯ2）2ＮＬｉから構成されてお
り、Ｏ（ポリエーテルの）／Ｌｉ（塩の）で表すそのモ
ル比は、３０／１である。このカソードの静電容量は、
１平方ｃｍ当たり約４クーロンである。セパレーター
は、接着剤と同じ性質を有しており、その厚さは、３０
マイクロメートルである。この正の半電池は、８０°Ｃ
で加圧することによって取り付けられている。一方、リ
チウム膜が、取り扱いを容易にするために剥離可能なサ
ポートに取り付けられた約１０マイクロメートルの厚さ
の複合炭素の薄膜に対して、８０°Ｃで圧接される。上
記炭素のコーティングは、８０°Ｃの熱い状態でＨで示
される２５マイクロメートルの厚さのＥＸＭＥＴ（登録
商標）シートに移送されて、電気的な交換及びイオン交
換を促進する。
【００５４】最後に、上記正の半電池は８０°Ｃで、Ｌ
ｉ°／Ｃ／Ｈのアセンブリのリチウム面に移送され、こ
れにより製造された発電装置（タイプＩ）は、以下の例
において説明する後の試験を行うために、６０°Ｃに維
持される。
ｉ°／Ｃ／Ｈのアセンブリのリチウム面に移送され、こ
れにより製造された発電装置（タイプＩ）は、以下の例
において説明する後の試験を行うために、６０°Ｃに維
持される。
【００５５】この例、並びに、以下の例においては、ホ
スト構造の一部を未反応の状態で残すために、最初に存
在するリチウムの量に関して約２０％過剰のアルミニウ
ムを使用し、これにより、シートの平面における集電体
の連続性を確保している。
スト構造の一部を未反応の状態で残すために、最初に存
在するリチウムの量に関して約２０％過剰のアルミニウ
ムを使用し、これにより、シートの平面における集電体
の連続性を確保している。
【００５６】例 ４ この例においては、例３（タイプＩ）の発電装置の性能
が、アノードがリチウムの単純なシートである等価の発
電装置と比較される。
が、アノードがリチウムの単純なシートである等価の発
電装置と比較される。
【００５７】初期の放電曲線が、図１５において比較さ
れており、この図においては、性能は同様であるが、平
均電圧が低いことが分かる。この電圧低下は、合金Ｌｉ
−Ａｌのリチウムの活性の低下に対応し、Ｌｉ°に対し
て約＋２７０ｍＶ乃至＋４２０ｍＶである。
れており、この図においては、性能は同様であるが、平
均電圧が低いことが分かる。この電圧低下は、合金Ｌｉ
−Ａｌのリチウムの活性の低下に対応し、Ｌｉ°に対し
て約＋２７０ｍＶ乃至＋４２０ｍＶである。
【００５８】本発明の合金化アノードを用いた発電装置
のサイクリングの間の性能（図１８）は、安定化され、
金属リチウムを用いた発電装置の性能に比肩しうるもの
であることが判明した。参考として、通常のアルミニウ
ムシートを用いた同じ発電装置は、短絡回路を形成し、
第１のサイクルの間に既に幾分かのキャパシティを失
う。
のサイクリングの間の性能（図１８）は、安定化され、
金属リチウムを用いた発電装置の性能に比肩しうるもの
であることが判明した。参考として、通常のアルミニウ
ムシートを用いた同じ発電装置は、短絡回路を形成し、
第１のサイクルの間に既に幾分かのキャパシティを失
う。
【００５９】例 ５ この例は、図１２に示すように、炭素複合物の膜の位置
が異なっている点を除いて、例３及び例４の要素と同じ
要素を含んでいる。初期の放電曲線も、図１７に示すよ
うに、リチウムアノードを有する等価のバッテリの初期
の放電曲線と比較されている。この装置の利点は、この
時点においてバッテリを活性化させることなく、そのよ
うなバッテリの組み立てを行うことができることであ
る。合金の生成反応が完了した時にだけ、バッテリは、
その完全な電位容量に達し、これにより、バッテリの組
み立て作業は更に安全になる。
が異なっている点を除いて、例３及び例４の要素と同じ
要素を含んでいる。初期の放電曲線も、図１７に示すよ
うに、リチウムアノードを有する等価のバッテリの初期
の放電曲線と比較されている。この装置の利点は、この
時点においてバッテリを活性化させることなく、そのよ
うなバッテリの組み立てを行うことができることであ
る。合金の生成反応が完了した時にだけ、バッテリは、
その完全な電位容量に達し、これにより、バッテリの組
み立て作業は更に安全になる。
【００６０】例 ６ この例においては、安全に関する本発明の重要な特徴を
示すために試験を行っている。
示すために試験を行っている。
【００６１】使用したバッテリは、金属リチウムアノー
ドを有する同一のバッテリとの熱平衡の比較試験を行う
ために図１２に示す例５の装置に相当するものである。
ドを有する同一のバッテリとの熱平衡の比較試験を行う
ために図１２に示す例５の装置に相当するものである。
【００６２】使用した技術は、Ｃｏｌｕｍｂｉａ Ｓｃ
ｉｅｎｔｉｆｉｃ（米国テキサス州Ａｕｓｔｉｎ）のＡ
ＲＣ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｒａｔｅ Ｃａｌｏｒ
ｉｍｅｔｒｙ）の名称で知られており、バッテリの各要
素の間の自発的な熱化学反応により追加の熱が発生する
（一時的な温度上昇の安定化）まで、サンプルの温度を
極めて高い温度で順次上昇させる。これは、敏感であ
り、過酷な使用条件において危険をもたらす可能性のあ
る発熱反応を集中させる技術として知られている。
ｉｅｎｔｉｆｉｃ（米国テキサス州Ａｕｓｔｉｎ）のＡ
ＲＣ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｒａｔｅ Ｃａｌｏｒ
ｉｍｅｔｒｙ）の名称で知られており、バッテリの各要
素の間の自発的な熱化学反応により追加の熱が発生する
（一時的な温度上昇の安定化）まで、サンプルの温度を
極めて高い温度で順次上昇させる。これは、敏感であ
り、過酷な使用条件において危険をもたらす可能性のあ
る発熱反応を集中させる技術として知られている。
【００６３】熱量測定比較試験ＡＲＣは、例５で作製さ
れた約０．５１５７ｇの重量の本発明のタイプＩＩの完
成された電池と、上述の試験と同一のポリマー電解質の
膜、及び、厚さが２２マイクロメートルの金属リチウム
の膜から成るサンプルとの間で行った。
れた約０．５１５７ｇの重量の本発明のタイプＩＩの完
成された電池と、上述の試験と同一のポリマー電解質の
膜、及び、厚さが２２マイクロメートルの金属リチウム
の膜から成るサンプルとの間で行った。
【００６４】図１６に示すサンプルの場合には、温度上
昇曲線は、完全なバッテリを取り扱った場合でも、観察
した全温度範囲において自己発熱効果を示さない。
昇曲線は、完全なバッテリを取り扱った場合でも、観察
した全温度範囲において自己発熱効果を示さない。
【００６５】カソードを有さず金属リチウムを有する図
１６のサンプル（ａ）は、発熱状態を示し、これは、２
５５°Ｃ（すなわち、約１８０°Ｃであるリチウムの融
解温度よりも高い）まで観察できる。完全なサンプル
（すなわち、カソードも有する）は、リチウムの融解の
後に生ずる短絡回路に起因する高い発熱状態を示すこと
がある。
１６のサンプル（ａ）は、発熱状態を示し、これは、２
５５°Ｃ（すなわち、約１８０°Ｃであるリチウムの融
解温度よりも高い）まで観察できる。完全なサンプル
（すなわち、カソードも有する）は、リチウムの融解の
後に生ずる短絡回路に起因する高い発熱状態を示すこと
がある。
【００６６】この試験は、安全性の観点からの本発明の
効果を良好に示しており、その理由は、薄く高密度の膜
の形態である非易融性の合金化リチウム製のアノードを
製造することができ、従って、３００°Ｃよりも高い温
度において完全に固体状態にある発電装置を製造するこ
とができるからである。
効果を良好に示しており、その理由は、薄く高密度の膜
の形態である非易融性の合金化リチウム製のアノードを
製造することができ、従って、３００°Ｃよりも高い温
度において完全に固体状態にある発電装置を製造するこ
とができるからである。
【００６７】例 ７ この例においては、図１３に示す装置を使用しており、
この装置においては、リチウム源は、放電状態で作製さ
れたカソードから生ずる。この場合においては、酸化バ
ナジウムが、合成により作製されて事前挿入された酸化
コバルトによって置き換えられている。
この装置においては、リチウム源は、放電状態で作製さ
れたカソードから生ずる。この場合においては、酸化バ
ナジウムが、合成により作製されて事前挿入された酸化
コバルトによって置き換えられている。
【００６８】図１９は、タイプＩＩの複合膜で作製され
たモノフェース型アノードを有していて以下の構造に相
当する本バッテリの電圧のサイクリングの間の進展を示
している。 Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ／Ｃ／Ｈ
たモノフェース型アノードを有していて以下の構造に相
当する本バッテリの電圧のサイクリングの間の進展を示
している。 Ａｌ集電体／ＬｉＣｏＯ2／ＳＰＥ／Ｃ／Ｈ
【００６９】例 ８ この例においては、以下の膜を図１４、図２０及び図２
１に示す如きダブル・バイフェース（ｄｏｕｂｌｅ ｂ
ｉｆａｃｅ）の形態で一緒に巻着することにより、バッ
テリを組み立てた（上記図面において、炭素の膜は、ホ
スト構造の各々の面に付与された状態で示されていな
い）。ＳＰＥ／（＋）／Ａｌ集電体／（＋）／ＳＰＥ、
並びに、Ｌｉ°，Ｃ／Ｈ／Ｃ、及び、Ｌｉ°（組み立て
の間に接触している）。
１に示す如きダブル・バイフェース（ｄｏｕｂｌｅ ｂ
ｉｆａｃｅ）の形態で一緒に巻着することにより、バッ
テリを組み立てた（上記図面において、炭素の膜は、ホ
スト構造の各々の面に付与された状態で示されていな
い）。ＳＰＥ／（＋）／Ａｌ集電体／（＋）／ＳＰＥ、
並びに、Ｌｉ°，Ｃ／Ｈ／Ｃ、及び、Ｌｉ°（組み立て
の間に接触している）。
【００７０】上記アセンブリを４０°Ｃで、その後、８
０°Ｃで３０分間にわたって加圧し、これにより、合金
の生成を完了させる。
０°Ｃで３０分間にわたって加圧し、これにより、合金
の生成を完了させる。
【００７１】Ｓｈｏｏｐｉｎｇ（カナダ特許第２，０６
８，２９０号）の技術によって、カソードのアルミニウ
ム集電体の横方向突出部、及び、アノードの未反応アル
ミニウムのホスト金属の横方向突出部に、銅の粉末を付
与することによって、横方向接点が形成される。
８，２９０号）の技術によって、カソードのアルミニウ
ム集電体の横方向突出部、及び、アノードの未反応アル
ミニウムのホスト金属の横方向突出部に、銅の粉末を付
与することによって、横方向接点が形成される。
【００７２】このアセンブリの電気化学的性能は、例３
及び例４に示す４ｃｍ2のバッテリの性能と同等である
（総ての割合は、使用される表面に関して考えられ
る）。
及び例４に示す４ｃｍ2のバッテリの性能と同等である
（総ての割合は、使用される表面に関して考えられ
る）。
【００７３】例 ９ この例においては、レーザで穿孔された銅の薄いシート
の組成（Ｌｉ4Ｓｎ）の合金が生成される間の性能が、
図４の装置によって示されている。シートを雑に作製し
たにも拘わらず、シートの平面のあらゆる変形が挿入の
間に除去されることが観察された。
の組成（Ｌｉ4Ｓｎ）の合金が生成される間の性能が、
図４の装置によって示されている。シートを雑に作製し
たにも拘わらず、シートの平面のあらゆる変形が挿入の
間に除去されることが観察された。
【００７４】
【表１】
【００７５】上の表１は、文献（Ｒ． Ｎｅｓｐｅｒ．
Ｐｒｏｇ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔ．Ｃｈｅｍ．， Ｖｏ
ｌ。 ２０， ｐｐ． １−４５， １９９０）に従っ
て計算された種々の合金の体積膨張を示している。
Ｐｒｏｇ． Ｓｏｌｉｄ Ｓｔ．Ｃｈｅｍ．， Ｖｏ
ｌ。 ２０， ｐｐ． １−４５， １９９０）に従っ
て計算された種々の合金の体積膨張を示している。
【００７６】請求の範囲に包含される限りにおいて、当
業者に自明の変更例が、本発明の範囲から逸脱すること
なく、可能であることは明らかである。
業者に自明の変更例が、本発明の範囲から逸脱すること
なく、可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＸＭＥＴ（登録商標）タイプのアルミニウム
製の拡張シートを２００倍の倍率の走査型電子顕微鏡で
撮影した写真（金属組織の写真）である。
製の拡張シートを２００倍の倍率の走査型電子顕微鏡で
撮影した写真（金属組織の写真）である。
【図２】本発明の合金化電極の形成を示す概略的な斜視
図である。
図である。
【図３】図２の断面図である。
【図４】リチウムシート及び拡張アルミニウムのホスト
構造から合金を生成する状態をその場で光学的に観察す
ることを可能にする実験装置の垂直方向断面図である。
構造から合金を生成する状態をその場で光学的に観察す
ることを可能にする実験装置の垂直方向断面図である。
【図５】アルミニウムシート（全面）、並びに、図４に
示す装置によって上記アルミニウムシートに機械的に付
与されたリチウムシートの合金生成前の特徴を示す写真
（金属組織の写真）である。
示す装置によって上記アルミニウムシートに機械的に付
与されたリチウムシートの合金生成前の特徴を示す写真
（金属組織の写真）である。
【図６】８０°Ｃにおける化学反応によって合金が生成
されてリチウムが消失した後に撮影された点を除いて図
５と同様な写真（金属組織の写真）である。
されてリチウムが消失した後に撮影された点を除いて図
５と同様な写真（金属組織の写真）である。
【図７】合金生成後に図４の装置によって撮影した拡張
アルミニウムシート及びリチウムシートの特徴を示す写
真（金属組織の写真）である。
アルミニウムシート及びリチウムシートの特徴を示す写
真（金属組織の写真）である。
【図８】拡張アルミニウムシートをリチウムシートと共
に図４の装置の中で８０°Ｃで加熱した後の図１と同様
のＥＸＭＥＴ（登録商標）のシートの詳細を示す走査型
電子顕微鏡で撮影した精密写真（金属組織の写真）であ
る。
に図４の装置の中で８０°Ｃで加熱した後の図１と同様
のＥＸＭＥＴ（登録商標）のシートの詳細を示す走査型
電子顕微鏡で撮影した精密写真（金属組織の写真）であ
る。
【図９】褶曲部又は溝が無い大きな表面を示す点を除い
て図８に示すシートと同様なシートを走査型電子顕微鏡
で撮影した写真（金属組織の写真）である。
て図８に示すシートと同様なシートを走査型電子顕微鏡
で撮影した写真（金属組織の写真）である。
【図１０】モノフェース型のアノードバッテリを備える
本発明の発電装置を製造する状態を示す概略的な垂直方
向断面図である。
本発明の発電装置を製造する状態を示す概略的な垂直方
向断面図である。
【図１１】タイプＩの炭素に基づくフィルムを有するモ
ノフェース型アノードバッテリに関する点を除いて、図
１０と同様な概略図である。
ノフェース型アノードバッテリに関する点を除いて、図
１０と同様な概略図である。
【図１２】タイプＩＩの対して相対的に基づくフィルム
を有するモノフェース型アノードバッテリに関する点を
除いて、図１０と同様な概略図である。
を有するモノフェース型アノードバッテリに関する点を
除いて、図１０と同様な概略図である。
【図１３】タイプＩＩＩの炭素に基づくフィルムを有す
るモノフェース型アノードバッテリに関する点を除い
て、図１０と同様な概略図である。
るモノフェース型アノードバッテリに関する点を除い
て、図１０と同様な概略図である。
【図１４】バイフェース型アノードバッテリに関する点
を除いて、図１３と同様な概略図である。
を除いて、図１３と同様な概略図である。
【図１５】通常のリチウム発電装置及び図１１の発電装
置の初期放電を比較する曲線を示すグラフである。
置の初期放電を比較する曲線を示すグラフである。
【図１６】通常の発電装置及び本発明の発電装置に関す
るＡＲＣによる安定性を比較して示すグラフである。
るＡＲＣによる安定性を比較して示すグラフである。
【図１７】発電装置が図１４に示す発電装置である点を
除いて、図１５と同様なグラフである。
除いて、図１５と同様なグラフである。
【図１８】図１１に示す発電装置のサイクリング曲線を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図１９】図１３に示す発電装置のサイクリング曲線を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図２０】モノフェース様式で平坦に巻着された本発明
のバッテリのアセンブリの放電状態を概略的に示す斜視
図である。
のバッテリのアセンブリの放電状態を概略的に示す斜視
図である。
【図２１】バイフェース様式で平坦に巻着された本発明
のバッテリのアセンブリの放電状態を概略的に示す斜視
図である。
のバッテリのアセンブリの放電状態を概略的に示す斜視
図である。
【図２２】種々の合金の体積膨張を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミシュル・アルマン カナダ国アッシュ３テ １エヌ２ ケベッ ク，モントリオール，ファンダル 2965 (72)発明者 カリム・ザジブ カナダ国ジ４ジェ １アッシュ９ ケベッ ク，ロングイユ，ドゥ・レグリーズ 120, アッパルトマン 401 (72)発明者 シルヴァン・ポアリエ カナダ国ジ３エ １セ１ ケベック，サン −ジュリエ，ピエール・ドゥ・クーベルタ ン 491 (72)発明者 ロジェ・ベルマール カナダ国ジ４ベ ５エール６ ケベック, ブーシェヴィル，リュー・ユドゾン 664
Claims (68)
- 【請求項１】 電気化学的発電装置であって、正極及び
その集電体を含む複数の薄膜と、後に負極を構成するこ
とを意図されたホスト金属シートと、アルカリイオンに
対して伝導性を有する電解質と、アルカリイオン源を構
成する手段とを備えており、前記ホスト金属シートには
複数の空隙が形成されており、前記ホスト金属シートに
おけるこれら空隙の数、及び前記空隙の配列は、前記ホ
スト金属シートのあらゆる横膨張を前記空隙の中に局部
的に吸収するように選択されており、これにより、前記
ホスト金属と前記アルカリイオンによってもたらされる
アルカリ金属との間の最初の合金生成が前記シートに生
じた時に、前記ホスト金属シートの平面におけるあらゆ
る累積的な変化を実質的に阻止するように構成されたこ
とを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の電気化学的発電装置に
おいて、充電状態において、前記シートの少なくとも一
部が、前記ホスト金属及び前記アルカリ金属から成る合
金に転化されることを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の電気化学的発電
装置において、前記アルカリイオン源は、前記ホスト金
属シートに接触しているアルカリ金属シートから構成さ
れており、前記アルカリイオン源からもたらされる前記
アルカリ金属は、当該電気化学的発電装置が充電状態に
ある時に、前記ホスト金属と合金化されることを特徴と
する電気化学的発電装置。 - 【請求項４】 請求項１又は２に記載の電気化学的発電
装置において、前記アルカリイオン源は、前記正極に存
在し、前記アルカリイオン源からもたらされる前記アル
カリ金属は、当該電気化学的発電装置が充電状態にある
時に、前記ホスト金属と合金化されることを特徴とする
電気化学的発電装置。 - 【請求項５】 請求項１又は２に記載の電気化学的発電
装置において、前記アルカリイオン源は、前記ホスト金
属シートに接触しているアルカリ金属シートであり、ま
た、前記正極にも存在しており、前記アルカリ金属シー
ト及び前記アルカリイオン源からもたらされる前記アル
カリ金属は、当該電気化学的発電装置が充電状態にある
時に、前記ホスト金属と合金化されることを特徴とする
電気化学的発電装置。 - 【請求項６】 請求項１又は２に記載の電気化学的発電
装置において、前記アルカリ金属は、リチウムであるこ
とを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項７】 請求項１又は２に記載の電気化学的発電
装置において、前記ホスト金属は、アルカリ金属の中で
高い活性を有する合金を形成することのできる金属から
成り、前記アルカリ金属の拡散が速いことを特徴とする
電気化学的発電装置。 - 【請求項８】 請求項７に記載の電気化学的発電装置に
おいて、アルカリ金属の中で中い活性を有する前記合金
は、純粋なアルカリ金属の電位に関して、０乃至＋０．
１５ボルトの電位を有することを特徴とする電気化学的
発電装置。 - 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか一に記載の電
気化学的発電装置において、前記ホスト金属の主要な構
成要素は、Ａｌ、Ｃ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、
Ｍｇあるいはこれらの組み合わせから選択されることを
特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか一に記載の
電気化学的発電装置において、前記ホスト金属シートの
空隙は、該ホスト金属シートの全表面の又は該ホスト金
属シートの本体の約５乃至８０％に相当することを特徴
とする電気化学的発電装置。 - 【請求項１１】 請求項１０に記載の電気化学的発電装
置において、前記ホスト金属シートの空隙は、該ホスト
金属シートの表面の又は該ホスト金属シートの本体の約
５乃至３０％に相当することを特徴とする電気化学的発
電装置。 - 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、前記空隙は、格子状の
形態を有していることを特徴とする電気化学的発電装
置。 - 【請求項１３】 請求項１乃至１１のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、空隙を有する前記シー
トは、格子状の形態を有していることを特徴とする電気
化学的発電装置。 - 【請求項１４】 請求項１乃至１１のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、空隙を有する前記シー
トは、切断加工、引き伸ばし加工、並びに、恐らくは再
薄板化加工によって形成されるエキスパンドメタルの形
態を有することを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項１５】 請求項１乃至１２のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、アルカリイオンに対し
て伝導性を有する前記電解質は、ポリマー電解質を含む
ことを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項１６】 請求項１乃至１２のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、アルカリイオンに対し
て伝導性を有する前記電解質は、ポリマーマトリックス
と、液体電解質と、該液体電解質に少なくとも部分的に
溶解することのできる塩とを含むことを特徴とする電気
化学的発電装置。 - 【請求項１７】 請求項１乃至９並びに請求項１２乃至
１６のいずれか一に記載の電気化学的発電装置におい
て、前記空隙は、前記ホスト金属シートの両面の中の一
方にだけ設けられていて、凹部の形態を有していること
を特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項１８】 請求項１乃至９並びに請求項１２乃至
１６のいずれか一に記載の電気化学的発電装置におい
て、前記空隙は、前記ホスト金属シートの両面に設けら
れていて、凹部の形態を有していることを特徴とする電
気化学的発電装置。 - 【請求項１９】 請求項１７又は１８に記載の電気化学
的発電装置において、前記凹部は、彫刻加工又は型彫り
加工によって形成されており、前記空隙の量は、凹部を
含む面の約５乃至８０％、好ましくは、５乃至３０％に
相当することを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項２０】 請求項１７乃至１９のいずれか一に記
載の電気化学的発電装置において、前記凹部は、前記合
金生成により前記ホスト金属シートの平面に生ずるあら
ゆる直線的な膨張を実質的に補償するように配列されて
いることを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項２１】 請求項１乃至２０のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、前記ホスト金属シート
は、該ホスト金属シートの面の中の少なくとも一方に設
けられたポリマー電極の層を含んでおり、該ポリマー電
極の層は、前記合金とアルカリイオンに対して伝導性を
有する前記電解質との間のイオン交換を最大限にすると
共に、前記負極と前記正極との間のセパレーターとして
作用するように、前記ホスト金属シートに設けられてい
ることを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項２２】 請求項２１に記載の電気化学的発電装
置において、前記ポリマー電解質は、該ポリマー電解質
の中に分散された炭素を含んでおり、該炭素は、電子伝
導添加剤として作用すると共に、イオン交換及び電子交
換を最大限にすることを特徴とする電気化学的発電装
置。 - 【請求項２３】 請求項３に記載の電気化学的発電装置
において、前記アルカリ金属シートは、前記ホスト金属
シートの一方の側部にだけ設けられていることを特徴と
する電気化学的発電装置。 - 【請求項２４】 請求項３に記載の電気化学的発電装置
において、前記アルカリ金属シートは、前記ホスト金属
シートの両側部に設けられていることを特徴とする電気
化学的発電装置。 - 【請求項２５】 請求項２に記載の電気化学的発電装置
において、前記合金は、当該電気化学的発電装置を組み
立てる間に生成されることを特徴とする電気化学的発電
装置。 - 【請求項２６】 請求項２に記載の電気化学的発電装置
において、前記合金は、当該電気化学的発電装置を組み
立てた後の活性化反応の間に生成されることを特徴とす
る電気化学的発電装置。 - 【請求項２７】 請求項３に記載の電気化学的発電装置
において、前記アルカリ金属シートは、前記正極とは反
対側の前記ホスト金属シートの面に設けられており、こ
れにより、当該電気化学的発電装置を組み立てた後の合
金生成を遅延させると共に、当該電気化学的発電装置を
組み立てる作業の安全性を最大限にすることを特徴とす
る電気化学的発電装置。 - 【請求項２８】 請求項１乃至２７のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、前記ホスト金属は、該
ホスト金属の一部が未反応の状態で残るように、前記ア
ルカリ金属に関して過剰の量で設けられ、これにより、
前記未反応の一部が、前記ホスト金属シートの平面上で
集電体として作用することを可能にしたことを特徴とす
る電気化学的発電装置。 - 【請求項２９】 請求項１乃至２２のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、円筒形、又は、平坦に
巻着された、あるいは、平坦に重積された膜から構成さ
れることを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項３０】 請求項２２に記載の電気化学的発電装
置において、前記ホスト金属シート、及び、前記正極の
集電体は、前記円筒形、又は、平坦に巻着された、ある
いは、平坦に重積された薄膜の両側部で突出し、これに
より、前記集電体及び前記ホスト金属シートのそれぞれ
の全側縁部に沿って、効率的な接続を行うことを特徴と
する電気化学的発電装置。 - 【請求項３１】 請求項３０に記載の電気化学的発電装
置において、前記接続は、前記シートの前記側縁部に導
電性金属の粉末を付与することによって達成されること
を特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項３２】 請求項３に記載の電気化学的発電装置
において、前記負極の合金シートは、当該電気化学的発
電装置を組み立てた後に、前記ホスト金属シート、及
び、該ホスト金属シートに接触している前記アルカリ金
属シートを熱処理することによって形成され、前記熱処
理は、加圧下、又は、機械的な拘束の下で、且つ、前記
負極のシートの平坦な状態を確実に維持する条件下で実
行されることを特徴とする電気化学的発電装置。 - 【請求項３３】 請求項１乃至３２のいずれか一に記載
の電気化学的発電装置において、前記ホスト金属シート
は、約１乃至１５０μｍの厚さを有していることを特徴
とする電気化学的発電装置。 - 【請求項３４】 請求項３３に記載の電気化学的発電装
置において、前記ホスト金属シートは、約１０乃至１０
０μｍの厚さを有していることを特徴とする電気化学的
発電装置。 - 【請求項３５】 電気化学的発電装置の製造方法であっ
て、正極及びその集電体を含む複数の薄膜と、後に負極
を構成することを意図されたホスト金属シートと、アル
カリイオンに対して伝導性を有する電解質と、アルカリ
イオン源を構成する手段とを準備する工程と、前記負極
及び前記シートを前記伝導性の電解質のいずれかの部分
に設ける工程とを備えており、前記シートは、複数の空
隙を有するホスト金属シートから選択され、前記ホスト
金属シートにおけるこれら空隙の量、及び前記空隙の配
列は、前記ホスト金属シートのあらゆる横膨張を前記空
隙の中に局部的に吸収するように選択され、これによ
り、前記ホスト金属と前記アルカリイオンによってもた
らされるアルカリ金属との間の最初の合金生成が前記シ
ートに生じた時に、前記ホスト金属シートの平面におけ
るあらゆる累積的な変化を実質的に阻止するようになっ
ており、更に、その後、前記複数の膜、前記伝導性の電
解質、及び、前記アルカリイオン源を組み立てて前記発
電装置を構成する工程を備えることを特徴とする製造方
法。 - 【請求項３６】 請求項３５に記載の製造方法におい
て、前記発電装置を充電し、これにより、前記シート
が、前記ホスト金属及び前記アルカリ金属から成る合金
の少なくとも一部になるようにすることを特徴とする製
造方法。 - 【請求項３７】 請求項３６に記載の製造方法におい
て、前記ホスト金属シートをアルカリ金属シートに接触
させ、その後、前記発電装置を充電し、これにより、前
記アルカリ金属が、前記ホスト金属と合金化されるよう
にすることを特徴とする製造方法。 - 【請求項３８】 請求項３５又は３６に記載の製造方法
において、前記アルカリイオン源を前記正極に集中さ
せ、その後、前記発電装置を電気化学的に充電して、前
記アルカリイオン源からもたらされるアルカリ金属を前
記ホスト金属と合金化させることを特徴とする製造方
法。 - 【請求項３９】 請求項３５又は３６に記載の製造方法
において、前記ホスト金属シートをアルカリ金属シート
に接触させ、また、別のアルカリイオン源を前記正極に
導入し、その後、前記発電装置を電気化学的に充電し
て、前記アルカリ金属シート及び前記アルカリイオン源
からもたらされるアルカリ金属を前記ホスト金属と合金
化させることを特徴とする製造方法。 - 【請求項４０】 請求項３５又は３６に記載の製造方法
において、前記アルカリ金属が、リチウムであることを
特徴とする製造方法。 - 【請求項４１】 請求項３５又は３６に記載の製造方法
において、前記ホスト金属は、アルカリ金属の中で高い
活性を有する合金を形成することのできる金属から成
り、前記アルカリ金属の拡散が速いことを特徴とする製
造方法。 - 【請求項４２】 請求項４１に記載の製造方法におい
て、アルカリ金属の中で中い活性を有する前記合金は、
純粋なアルカリ金属の電位に関して、０乃至＋０．１５
ボルトの電位を有することを特徴とする製造方法。 - 【請求項４３】 請求項３５乃至４２のいずれか一に記
載の製造方法において、前記ホスト金属の主要な構成要
素は、Ａｌ、Ｃ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ
あるいはこれらの組み合わせから選択されることを特徴
とする製造方法。 - 【請求項４４】 請求項３５乃至４３のいずれか一に記
載の製造方法において、前記ホスト金属シートの空隙
は、該ホスト金属シート本体の全表面の又は該ホスト金
属シートの本体の約５乃至８０％に相当することを特徴
とする製造方法。 - 【請求項４５】 請求項４４に記載の製造方法におい
て、前記ホスト金属シートの空隙は、該ホスト金属シー
トの表面の又は該ホスト金属シートの本体の約５乃至３
０％に相当することを特徴とする製造方法。 - 【請求項４６】 請求項３５乃至４５のいずれか一に記
載の製造方法において、前記空隙は、格子状の形態を有
していることを特徴とする製造方法。 - 【請求項４７】 請求項３５乃至４６のいずれか一に記
載の製造方法において、空隙を有する前記シートは、格
子状の形態を有していることを特徴とする製造方法。 - 【請求項４８】 請求項３５乃至４６のいずれか一に記
載の製造方法において、前記ホスト金属シートは、切断
加工し、引き伸ばし加工し、最終的には、再薄板化加工
することによって処理され、これにより、エキスパンド
メタルの形態の空隙を有するシートを形成することを特
徴とする製造方法。 - 【請求項４９】 請求項３５乃至４６のいずれか一に記
載の製造方法において、アルカリイオンに対して伝導性
を有する前記電解質は、ポリマー電解質を含むことを特
徴とする製造方法。 - 【請求項５０】 請求項３５乃至４６のいずれか一に記
載の製造方法において、アルカリイオンに対して伝導性
を有する前記電解質は、ポリマーマトリックスと、液体
電解質と、該液体電解質に少なくとも部分的に溶解する
ことのできる塩とを含むことを特徴とする製造方法。 - 【請求項５１】 請求項３５乃至４３並びに請求項４６
乃至５０のいずれか一に記載の製造方法において、前記
空隙は、前記ホスト金属シートの両面の中の一方にだけ
設けられていて、凹部の形態を有していることを特徴と
する製造方法。 - 【請求項５２】 請求項３５乃至４３並びに請求項４６
乃至５０のいずれか一に記載の製造方法において、前記
空隙は、前記ホスト金属シートの両面に設けられてい
て、凹部の形態を有していることを特徴とする製造方
法。 - 【請求項５３】 請求項５１又は５２に記載の製造方法
において、前記凹部は、彫刻加工又は型彫り加工によっ
て形成されており、前記空隙の割合は、凹部を含む面の
約５乃至８０％、好ましくは、５乃至３０％に相当する
ことを特徴とする製造方法。 - 【請求項５４】 請求項５１乃至５３のいずれか一に記
載の製造方法において、前記凹部は、前記合金生成によ
り前記ホスト金属シートの平面に生ずるあらゆる直線的
な膨張を実質的に補償するように配列されていることを
特徴とする製造方法。 - 【請求項５５】 請求項３５乃至５４のいずれか一に記
載の製造方法において、ポリマー電解質の層を前記ホス
ト金属シートの少なくとも一方の面に導入し、前記層を
前記ホスト金属シートに設け、これにより、前記合金と
アルカリイオンに対して伝導性を有する前記電解質との
間のイオン交換を最大限にさせると共に、前記負極と前
記正極との間のセパレーターとして作用させることを特
徴とする製造方法。 - 【請求項５６】 請求項５５に記載の製造方法におい
て、炭素を前記ポリマー電解質に導入し、前記炭素を前
記ポリマー電解質の中に分散させて電子伝導の添加剤と
して作用させ、これにより、イオン交換及び電子交換を
最大限にすることを特徴とする製造方法。 - 【請求項５７】 請求項３７に記載の製造方法におい
て、前記アルカリ金属シートを、前記ホスト金属シート
の一方の側部にだけ設けることを特徴とする製造方法。 - 【請求項５８】 請求項３７に記載の製造方法におい
て、前記アルカリ金属シートを、前記ホスト金属シート
の２つの側部に設けることを特徴とする製造方法。 - 【請求項５９】 請求項３６に記載の製造方法におい
て、前記合金は、前記発電装置を組み立てる時に生成さ
れることを特徴とする製造方法。 - 【請求項６０】 請求項３６に記載の製造方法におい
て、前記発電装置を組み立てた後に、活性化反応を行わ
せ、これにより、合金を生成させることを特徴とする製
造方法。 - 【請求項６１】 請求項３７に記載の製造方法におい
て、前記アルカリ金属シートを、前記正極とは反対側の
前記アルカリ金属シートの面に設け、これにより、前記
発電装置を組み立てた後の合金生成を遅延させると共
に、前記発電装置を組み立てる作業の安全性を最大限に
することを特徴とする製造方法。 - 【請求項６２】 請求項３５に記載の製造方法におい
て、前記ホスト金属は、該ホスト金属の一部が未反応の
状態で残るように、前記アルカリ金属に関して過剰の量
で設けられ、これにより、前記未反応の一部が、前記ホ
スト金属シートの平面上で集電体として作用することを
可能にしたことを特徴とする製造方法。 - 【請求項６３】 請求項３５乃至６６のいずれか一に記
載の製造方法において、前記膜を円筒形に巻着するか、
平坦に巻着するか、あるいは、平坦に重積する工程を備
えることを特徴とする製造方法。 - 【請求項６４】 請求項６３に記載の製造方法におい
て、前記ホスト金属シート、及び、前記正極の集電体
を、前記円筒形又は平坦に巻着されたあるいは平坦に重
積された膜の両側部で突出させ、これにより、前記集電
体又はホスト金属シートのそれぞれの総ての側縁部に対
して効率的な接続が行われるように実行されることを特
徴とする製造方法。 - 【請求項６５】 請求項６４に記載の製造方法におい
て、前記シートの側縁部に導電性金属の粉末を付与する
ことにより、前記接続を行うことを特徴とする製造方
法。 - 【請求項６６】 請求項３６に記載の製造方法におい
て、前記負極の合金シートを、当該電気化学的発電装置
を組み立てた後に、前記ホスト金属シート、及び、該ホ
スト金属シートに接触している前記アルカリ金属シート
を熱処理することによって形成し、前記熱処理を、加圧
下、又は、機械的な拘束の下で、且つ、前記負極のシー
トの平坦な状態を確実に維持する条件下で実行すること
を特徴とする製造方法。 - 【請求項６７】 請求項３５乃至６６に記載の製造方法
において、前記ホスト金属シートが、約１乃至１５０μ
ｍの厚さを有していることを特徴とする製造方法。 - 【請求項６８】 請求項６７に記載の製造方法におい
て、前記ホスト金属シートは、約１０乃至１００μｍの
厚さを有していることを特徴とする製造方法。
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