[发明专利]蓄电装置

说明书

技术领域

本发明涉及蓄电装置。

背景技术

近年来，随着环境技术的提高，对与现有的发电方式相比环境负荷小的发电装置（例如，太阳能发电装置）积极地进行研究开发。对发电技术进行开发的同时，对锂二次电池、锂离子电容器、空气电池等蓄电装置也进行开发。

为了实现这些蓄电装置的大容量化，提出了在正极及负极中设置多个柱状突起物的技术（参照专利文献1至3）。为了降低由于该突起物施加到设置在正极和负极之间的分离器的压力，在正极及负极的每一个突起物的尖端上设置有绝缘体。

此外，作为集成在硅芯片上的锂电池的电极，提出了设置在n型硅晶片上的亚微米直径的硅支柱（参照专利文献4）。已公开了通过岛光刻技术(island lithography)或光刻技术制造支柱。

此外，一般来说，蓄电装置用电极一般包括：集流体以及以接触于集流体上的方式设置的活性物质等。作为负极活性物质，例如使用碳或硅等能够进行用作载流子的离子（以下，表示为载流子离子（carrier ions））的吸留及释放的材料。例如，硅或掺杂有磷的硅与碳相比，能够吸留碳的四倍的用作载流子的离子，因此其理论容量大，从蓄电装置的大容量化的观点来看是优选的。因此，通过组合上述柱状突起物结构，可以实现更大容量。

但是，当对负极活性物质的载流子离子吸留量增大时，充放电循环中的伴随载流子离子的吸留及释放体积变化增大，使集流体与硅的密接性降低。其结果是，产生如下问题：重复充放电导致电池特性的劣化。

于是，通过在集流体上形成由硅构成的层且在该由硅构成的层上设置由石墨构成的层，降低由硅构成的层的膨胀和收缩所导致的电池特性的劣化（参照专利文献5）。另外，硅的导电性比碳低，因此通过使用石墨覆盖硅粒子的表面且将包含该硅粒子的活性物质层形成在集流体上，制造降低了活性物质层的电阻率的负极。

另一方面，近年来，提出了在半导体装置中使用石墨烯作为具有导电性的电子构件的技术。

由于石墨烯具有化学稳定性和良好的电特性，所以有望应用于包括在半导体装置中的晶体管的沟道区、通孔、布线等。此外，为了提高锂离子电池用的电极材料的导电性，粒子状的活性物质被石墨或石墨烯覆盖（参照专利文献6）。

专利文献1：日本专利申请公开2010-219030号公报

专利文献2：日本专利申请公开2010-239122号公报

专利文献3：日本专利申请公开2010-219392号公报

专利文献4：日本专利申请公开2010-135332号公报

专利文献5：日本专利申请公开2001-283834号公报

专利文献6：日本专利申请公开2011-29184号公报。

但是，当作为蓄电装置的电极采用上述柱状突起物时，保持该突起物的机械强度是困难的。就是说，柱状突起物在其结构上，耐冲击性及耐振动性不好。此外，由于重复进行对载流子离子的突起物的充放电，突起物变形，毕竟难以保持强度。并且，随着强度的降低，突起物从集流体滑落。此外，在圆筒型、角型等的蓄电装置中，卷绕电极而构成该蓄电装置，因此作为这些蓄电装置采用具有机械强度脆弱的突起物结构的电极是困难的。

此外，当使用由石墨构成的层覆盖设置在集流体上的由硅构成的层时，由石墨构成的层的厚度变厚，即从亚微米变成微米单位，而使电解质和由硅构成的层之间的载流子离子的移动量降低。另一方面，在包含被石墨覆盖的硅粒子的活性物质层中，包含在活性物质层中的硅含量降低。其结果是，硅与载流子离子的反应量减少，而这会导致充放电容量的降低，并且难以进行对蓄电装置的急速充放电。

此外，即使使用石墨烯覆盖粒子状的活性物质，也难以抑制重复充放电所导致的体积的膨胀以及由于该膨胀所导致的粒子状的活性物质的细粉化。

发明内容

于是，本发明的一个方式提供一种充放电容量大，能够进行急速充放电且充放电所导致的电池特性的劣化少的蓄电装置。

本发明的一个方式是一种蓄电装置，其中负极包括具有多个柱状突起物（或多个突起物）的活性物质，将垂直于突起物的轴的截面形状设定为如十字形、H字形、L字形、I字形、T字形、U字形以及Z字形那样的多角形状（或当其内角大于180度时，有时被称为凹多角形状）或包括曲线的多角形状，以与柱状突起物为四棱柱或圆柱的情况相比加强机械强度。