可再充电电池和其制造方法技术

本发明专利技术涉及可再充电电池和其制造方法。一种可再充电电池，至少包含多孔基材(10)、第一电极层(11)、离子传导体层(13)和第二电极层(12)。所述多孔基材(10)包含导电性的骨架(1)。所述骨架(1)具有三维网络结构。在所述多孔基材(10)的内部的所述骨架(1)的至少一部分表面上，依次层叠有所述第一电极层(11)、所述离子传导体层(13)和所述第二电极层(12)。所述第一电极层(11)和所述第二电极层(12)具有相反的极性。

Rechargeable batteries and their manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
可再充电电池和其制造方法本非临时申请基于2017年12月27日向日本专利局提交的日本专利申请第2017-251798号，其全部内容通过引用被并入本文中。
本公开内容涉及可再充电电池和其制造方法。
技术介绍
已经对具有三维(立体)电极结构的可再充电电池(所谓的“三维电池”)进行了研究。图1是示出二维电极结构的概念图。常规的可再充电电池具有二维(平面)电极结构。更具体地，这种电池具有彼此对置的平面正极201和平面负极202。对于具有这种二维电极结构的可再充电电池，为了增加体积能量密度(即每单位体积可存储的电量)，需要增加电极的厚度而使得其它部件(如集电器)相对较薄。然而，认为电极越厚则输出越低。原因被认为是当电极厚时，在电极的厚度方向上移动的电荷载体的速度对输出的影响大。换句话说，在二维电极结构中，在体积能量密度与输出之间存在权衡。需要能够解决这种权衡的创新技术。图2是示出三维电极结构的概念图。Ferrari等公开了一种三维电池(S.Ferrari等，“制造3D可再充电锂微电池的最新进展(Latestadvancesinthemanufacturingof3Drechargeablelithiummicrobatteries)”，电源杂志(JournalofPowerSources)，第286卷，2015，第25-46页)。法拉利等公开的三维电池具有例如其中梳状正极301与梳状负极302啮合的结构。预期这种将正极和负极放置成彼此立体相邻的布置会增加每单位体积的反应面积(对置面积)并缩短电荷载体移动的距离。在这种三维电池中，预期会获得高体积能量密度和高输出两者。然而，Ferrari等公开的三维电池是微米级的。
技术实现思路
本公开内容的目的是提供一种能够是厘米级以上的三维电池。在下文中，描述了根据本公开内容的技术结构和效果。应注意，根据本公开内容的作用机制的一部分是基于推断的。因此，权利要求的范围不应受作用机制是否正确的限制。[1]根据本公开内容的可再充电电池至少包含多孔基材、第一电极层、离子传导体层和第二电极层。所述多孔基材包含导电性的骨架。所述骨架具有三维网络结构。在所述多孔基材的内部的所述骨架的至少一部分表面上，依次层叠有第一电极层、离子传导体层和第二电极层。第一电极层和第二电极层具有相反的极性。骨架作为根据本公开内容的可再充电电池的电极结构的基础，具有三维网络结构。在所述骨架的表面上，依次层叠有第一电极层、离子传导体层和第二电极层。因此，认为第一电极层、离子传导体层和第二电极层中的每一个均具有三维网络结构。认为由于这些结构，第一电极层与第二电极层彼此立体相邻。换句话说，认为根据本公开内容的可再充电电池是三维电池。所述骨架是导电的。此外，所述骨架能够起到第一电极层的集电器的作用。当所述骨架起到集电器的作用时，集电结构能够是简单的。具有简单的集电结构意味着除电极之外的部件为少量。预期除电极之外的部件为少量的可再充电电池具有大的用于电极占据的空间。第一电极层和第二电极层由离子传导体层彼此分隔开。所述离子传导体层是负责第一电极层与第二电极层之间的离子传导的层。例如，离子传导体层可以包含固体电解质。例如，离子传导体层可以包含胶凝电解质。如下文在根据本公开内容的实施例中所述的，通过上文[1]的结构能够提供能够为厘米级以上的三维电池。被表述为“多孔基材的内部”的空间是指与多孔基材的外表面相比更靠近多孔基材的几何中心的空间的部分。“三维网络结构”是指至少满足以下条件(i)和(ii)的结构：(i)在三维空间中，该结构沿着至少三个方向延伸；(ii)不存在所有这些方向均能位于其上的单一平面。[2]根据本公开内容的可再充电电池还可以包含液体电解质。所述第一电极层和第二电极层中的每一个均可以为多孔的。所述离子传导体层可以含有胶凝电解质。所述液体电解质可以渗透第一电极层、胶凝电解质和第二电极层。预期在所述液体电解质内移动的电荷载体的速度高。当液体电解质分布在整个电极结构上时，预期获得改善的输出。可以通过使液体电解质(客体)渗透聚合物材料(主体)从而使聚合物材料溶胀来形成胶凝电解质。所述胶凝电解质可以是柔性且弹性的。认为第一电极层和第二电极层随着充电和放电的进行而膨胀和收缩。认为胶凝电解质可以根据第一电极层和第二电极层的这种体积变化而经历变形。预期当离子传导体层含有胶凝电解质时，在第一电极层、离子传导体层和第二电极层之间会获得稳固的互连。还认为当离子传导体层含有胶凝电解质时，能够释放由第一电极层和第二电极层的体积变化产生的应变。预期这些现象改善例如循环耐久性。[3]第一电极层和第二电极层中的每一个均可以是固定层。“固定层”是指被固定到支撑体上的层。第一电极层可以被固定到骨架(支撑体)的表面。第二电极层可以被固定到离子传导体层(支撑体)的表面。可以通过例如被包含在层中的粘合剂而使第一电极层和第二电极层中的每一个均粘附到支撑体。所述粘合剂可以具有分别使第一电极层的成分彼此粘附和使第二电极层的成分彼此粘附的功能。第一电极层和第二电极层的成分是指例如正极活性材料(或负极活性材料)、导电材料和固体电解质。当第一电极层和第二电极层是固定层时，与其中第一电极层和第二电极层可移动的状态相比，预期第一电极层和第二电极层具有高填充率。换句话说，预期获得改善的体积能量密度。[4]在其中骨架围绕第二电极层的剖面(crosssection)中，第一电极层和离子传导体层可以围绕第二电极层。在该构造中，第一电极层、离子传导体层和第二电极层可以无间隙地填充多孔基材的内部中的孔。结果，预期获得改善的体积能量密度。[5]第二电极层可以在多孔基材的外表面的一部分上露出。认为能够通过将集电器部件(如集电器极耳)接合到第二电极层的露出部分而从整个第二电极层收集电流。换句话说，认为会获得更加简单的集电结构。[6]根据本公开内容的可再充电电池可以是锂离子可再充电电池。本公开内容能够提供为三维电池且具有实用水平的容量的锂离子可再充电电池。[7]所述三维网络结构可以是螺旋(gyroid)结构。[8]所述三维网络结构可以是反蛋白石(inverse-opal)结构。[9]根据本公开内容的可再充电电池的制造方法至少包括以下(A)和(B)：(A)准备多孔基材，所述多孔基材包含导电性的骨架，所述骨架具有三维网络结构；以及(B)在所述多孔基材的内部的所述骨架的至少一部分表面上，依次层叠第一电极层、离子传导体层和第二电极层。所述第一电极层和第二电极层具有相反的极性。通过该制造方法，可以制造上文[1]至[8]中的任一项中所述的可再充电电池。根据以下对本公开内容的详细描述，本公开内容的前述和其它的目的、特征、方面和优点将变得更显而易见。附图说明图1是示出二维电极结构的概念图。图2是示出三维电极结构的概念图。图3是示出根据本实施方式的可再充电电池的结构的示意图。图4是示出根据本实施方式的可再充电电池的结构的示意剖面图。图5是示出骨架的概念图。图6是示出电极结构的概念剖面图。图7是示意性地示出根据本实施方式的可再充电电池的制造方法的流程图。具体实施方式在下文中，描述了根据本公开内容的实施方式(本文中被称为“本实施方式”)。权利要求的范围不限于以下描述。例如，尽管以下描述主要是针对向锂离子可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可再充电电池，至少包含：多孔基材；第一电极层；离子传导体层；和第二电极层，所述多孔基材包含导电性的骨架，所述骨架具有三维网络结构，在所述多孔基材的内部的所述骨架的至少一部分表面上，依次层叠有所述第一电极层、所述离子传导体层和所述第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层具有相反的极性。

【技术特征摘要】
2017.12.27 JP 2017-2517981.一种可再充电电池，至少包含：多孔基材；第一电极层；离子传导体层；和第二电极层，所述多孔基材包含导电性的骨架，所述骨架具有三维网络结构，在所述多孔基材的内部的所述骨架的至少一部分表面上，依次层叠有所述第一电极层、所述离子传导体层和所述第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层具有相反的极性。2.根据权利要求1所述的可再充电电池，还包含液体电解质，所述第一电极层和所述第二电极层均为多孔的，所述离子传导体层含有胶凝电解质，所述液体电解质渗透所述第一电极层、所述胶凝电解质和所述第二电极层。3.根据权利要求1或2所述的可再充电电池，其中所述第一电极层和所述第二电极层中的每一个均为固定层。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的可再充电...

【专利技术属性】
技术研发人员：山本邦光，佐佐木严，奥田匠昭，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP