JP2008293678A - Half cell and air secondary battery using the same - Google Patents

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JP2008293678A JP2007135263A JP2007135263A JP2008293678A JP 2008293678 A JP2008293678 A JP 2008293678A JP 2007135263 A JP2007135263 A JP 2007135263A JP 2007135263 A JP2007135263 A JP 2007135263A JP 2008293678 A JP2008293678 A JP 2008293678A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a half cell in which a one-electron oxidation-reduction reaction between O<SB>2</SB>and O<SB>2</SB><SP>-</SP>occurs reversibly and which is hardly affected by reaction inhibition due to water, while being satisfactory in charge/discharge cycle characteristics, even under open-air conditions and does not require expensive catalyst, such as a noble metal, a metal oxide, and a metal composite oxide for an air electrode in a half cell made of ionic liquid and an air electrode. <P>SOLUTION: The half cell is constituted of an ionic liquid and an air electrode. The air electrode comprises nickel particles and a binder. An air secondary battery is constituted of the air electrode of the half cell as a positive electrode, the ionic liquid as an electrolytic solution, and a negative electrode that uses any one from among lithium, aluminum, iron, zinc, sodium, magnesium, and cadmium as negative-electrode active material. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン液体と、ガス拡散性を有し酸素発生・酸素還元がともに可能な空気極からなる半電池、および空気極と、イオン液体と、負極とから基本的に構成してなる空気二次電池に関する。   The present invention relates to a half cell composed of an ionic liquid, an air electrode having gas diffusibility and capable of both oxygen generation and oxygen reduction, and an air basically composed of an air electrode, an ionic liquid, and a negative electrode. The present invention relates to a secondary battery.

空気電池は、炭素粉末などの導電材とポリテトラフオロエチレン(PTFE)のような撥水性の結着剤と酸素還元触媒とを組み合わせた空気極と、亜鉛、アルミニウム、鉄、水素のいずれかを活物質とする負極、およびアルカリ水溶液のような水溶液系電解液を備え、正極となる空気極では空気中の酸素を還元し、負極では負極活物質の酸化反応を生じて電力を外部に取り出すことが可能な一次電池として一般に知られている。   An air battery uses an air electrode that combines a conductive material such as carbon powder, a water-repellent binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and an oxygen reduction catalyst, and one of zinc, aluminum, iron, and hydrogen. Equipped with a negative electrode as an active material and an aqueous electrolyte such as an alkaline aqueous solution, the air electrode as the positive electrode reduces oxygen in the air, and the negative electrode causes an oxidation reaction of the negative electrode active material to extract power to the outside It is generally known as a primary battery capable of

また、水溶液を用いる空気電池は一次電池だけでなく、特許文献1および特許文献2では正極に酸素還元と酸素発生がともに可能な空気極を用いる空気二次電池が開示されている。また、特許文献3では、負極を充電するための第3の電極として、ダイヤモンド電極を空気極および負極とともに備えた空気二次電池が開示されている。

特開2002−158013号公報 特開2005−190833号公報 特開2006−93022号公報
Further, air batteries that use aqueous solutions are not only primary batteries, but Patent Documents 1 and 2 disclose air secondary batteries that use an air electrode capable of both oxygen reduction and oxygen generation at the positive electrode. Patent Document 3 discloses an air secondary battery provided with a diamond electrode together with an air electrode and a negative electrode as a third electrode for charging the negative electrode.

JP 2002-158013 A JP-A-2005-190833 JP 2006-93022 A

これらの水溶液を用いる空気二次電池での空気極の反応は、以下に示すように、放電時は1モルのO2に対して2モルのH2Oと4モルの電子が反応して4モルの水酸化物イオンを生成し、充電時にはその逆方向への反応が進行するといういわゆる4電子反応であり、O2を酸化体、水酸化物イオンを還元体とする酸化還元対の反応である。

放電反応: O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
充電反応: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e
As shown below, the reaction of the air electrode in the air secondary battery using these aqueous solutions is as follows: 2 mol of H 2 O and 4 mol of electrons react with 1 mol of O 2 during discharge. This is a so-called four-electron reaction in which a molar hydroxide ion is generated and the reaction proceeds in the opposite direction at the time of charging. It is a redox pair reaction in which O 2 is an oxidant and hydroxide ion is a reductant. is there.

Discharge reaction: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH -
Charging reaction: 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e

このようなO2と水酸化物イオンの間の4電子反応に対して、空気極には炭素粉末または炭素繊維上に金属触媒または金属酸化物触媒を担持した材料が広く知られているが、充放電に対する空気極のサイクル特性を向上させるために、特許文献4では空気極材料にカーボンナノチューブやフラーレンを用いた空気二次電池が開示されている。

特開2003−178816号公報
For such a four-electron reaction between O 2 and hydroxide ions, a material carrying a metal catalyst or metal oxide catalyst on carbon powder or carbon fiber is widely known in the air electrode, In order to improve the cycle characteristics of the air electrode with respect to charging and discharging, Patent Document 4 discloses an air secondary battery using carbon nanotubes or fullerene as the air electrode material.

JP 2003-178816 A

一方、水溶液系電解液ではなく、非水溶液系電解液を用いる空気電池も検討されている。例えば、特許文献5および特許文献6では、電解液にプロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)、またはこれらの混合溶液などのような有機溶媒を用いる空気二次電池が開示されており、これらの中では水溶液系電解液を用いる空気電池の場合と同様に、炭素粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などを用いた空気極が使用されている。
特開2003−7357号公報 特開2003−17143号公報
On the other hand, an air battery using a non-aqueous electrolyte instead of an aqueous electrolyte has been studied. For example, Patent Document 5 and Patent Document 6 disclose air secondary batteries that use an organic solvent such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), or a mixed solution thereof as an electrolytic solution. Among them, an air electrode using carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as in the case of an air battery using an aqueous electrolyte.
JP 2003-7357 A JP 2003-17143 A

さらに、特許文献7にはポリエチレンオキサイド(PEO)やポリビニリデンフルオライド(PVDF)などにリチウム塩を溶解した有機固体電解質を用いる空気−リチウム二次電池が開示されており、その中で活性炭または活性炭素繊維と、コバルト触媒および結着剤から構成される空気極を使用した二次電池が記載されている。
特開2005−166685号公報
Further, Patent Document 7 discloses an air-lithium secondary battery using an organic solid electrolyte in which a lithium salt is dissolved in polyethylene oxide (PEO) or polyvinylidene fluoride (PVDF), among which activated carbon or active A secondary battery using an air electrode composed of carbon fiber, a cobalt catalyst, and a binder is described.
Japanese Patent Laid-Open No. 2005-166585

上記のような有機溶媒電解液または有機固体電解質を用いる空気電池では、水溶液系電解液の場合に比べて、電解液または電解質の電気化学窓が広いために、水溶液系電解液では使用できないリチウムのような負極材料を用いることが可能となって、同じ空気極材料を用いたとしても、空気電池の起電力は増加し、またエネルギー密度や出力密度も向上するというメリットを有する。一方で、有機溶媒電解液や有機固体電解質は、その成分が揮発性や可燃性であるために、未使用状態での長期保存における電解液の枯渇や劣化、さらには電池の破損などの際に可燃性成分によって爆発的な破壊を生じる危険性があるという問題がある。   In the air battery using the organic solvent electrolyte or the organic solid electrolyte as described above, the electrochemical window of the electrolyte or electrolyte is wider than that of the aqueous electrolyte. Such negative electrode materials can be used, and even if the same air electrode material is used, the electromotive force of the air battery is increased, and the energy density and the output density are improved. On the other hand, organic solvent electrolytes and organic solid electrolytes are volatile and flammable, so in the event of depletion or deterioration of the electrolyte during long-term storage in an unused state, or even when the battery is damaged There is a problem that there is a risk of causing explosive destruction by combustible components.

これに対して、有機溶媒や有機固体電解質に代わる新たな空気電池の電解液として、イオン液体が注目されている。イオン液体は、常温溶融塩、室温溶融塩、室温イオン液体とも呼ばれており、一般には室温(25℃)において液体である溶融塩(融解塩)である。その成分は、基本的にカチオンとアニオンから構成されるもので、上記の有機溶媒や有機固体電解質のようないわゆるイオンを含まない分子性有機化合物を基本とするものとは異なる。一つのイオン液体を構成するカチオンとアニオンがそれぞれ一種類ずつの場合もあれば、単一カチオンと複数のアニオン、複数のカチオンと単一のアニオン、もしくは複数のカチオンと複数のアニオンが一つのイオン液体の構成成分として含まれる場合もある。いずれの場合も、イオン液体全体としては電気的に中性となるように、アニオンおよびカチオンの電荷と濃度のバランスが保たれている。このようなイオン液体は、有機溶媒や有機固体電解質とは異なり、不燃性である。また、蒸気圧が低く、揮発性もほとんど無いことから、上記に記したような有機溶媒の問題を解決できる。さらに、イオン液体も広い電気化学窓を有するものが多く、イオン液体を用いることでリチウムなどの電気化学的に卑な金属を負極活物質として使用できる可能性がある。   On the other hand, an ionic liquid has attracted attention as an electrolyte solution for a new air battery that replaces an organic solvent or an organic solid electrolyte. The ionic liquid is also called a room temperature molten salt, a room temperature molten salt, or a room temperature ionic liquid, and is generally a molten salt (molten salt) that is liquid at room temperature (25 ° C.). The component is basically composed of a cation and an anion, and is different from that based on a molecular organic compound containing no so-called ions such as the above organic solvent or organic solid electrolyte. There may be one kind of cation and anion each constituting one ionic liquid, or a single cation and multiple anions, multiple cations and single anions, or multiple cations and multiple anions as one ion It may be contained as a liquid component. In either case, the balance between the charge and concentration of anions and cations is maintained so that the ionic liquid as a whole is electrically neutral. Such an ionic liquid is nonflammable, unlike an organic solvent or an organic solid electrolyte. Moreover, since the vapor pressure is low and there is almost no volatility, the problem of the organic solvent as described above can be solved. Further, many ionic liquids have a wide electrochemical window, and by using the ionic liquid, there is a possibility that an electrochemically base metal such as lithium can be used as the negative electrode active material.

すでに、このようなイオン液体を用いる空気電池が、特許文献8、特許文献9、特許文献10に「非水電解質空気電池」として開示されており、イオン液体(常温溶融塩)と空気極、およびリチウムイオンを吸蔵放出する負極からなる空気電池について放電試験の結果が記載されている。
特開2004−119278号公報 特開2005−26023号公報 特開2005−190880号公報
Already, an air battery using such an ionic liquid is disclosed as “non-aqueous electrolyte air battery” in Patent Document 8, Patent Document 9, and Patent Document 10, and an ionic liquid (room temperature molten salt), an air electrode, and The results of a discharge test are described for an air battery comprising a negative electrode that occludes and releases lithium ions.
JP 2004-119278 A JP-A-2005-26023 JP-A-2005-190880

さらに、特許文献11には空気極と、金属負極と、60℃以下の融点を有する室温溶融塩を疎水性非水電解質として備えた空気電池が開示されており、長期保存後の電池の端子電圧の測定結果が記載されている。
特開2005−116317号公報
Further, Patent Document 11 discloses an air battery including an air electrode, a metal negative electrode, and a room temperature molten salt having a melting point of 60 ° C. or less as a hydrophobic nonaqueous electrolyte, and the terminal voltage of the battery after long-term storage is disclosed. The measurement results of are described.
JP 2005-116317 A

上記のようにイオン液体を用いる空気電池は水溶液系電解液や、有機溶媒電解液、有機固体電解質を用いる場合にはないメリットを有するが、これまでのイオン液体を用いる空気電池は放電のみを検討した空気一次電池であって、二次電池としての利用には至っていない。二次電池としての利用を可能とするためには、空気極とイオン液体とから構成される半電池において、酸素の還元とその逆反応である酸素の発生が可逆的に生じる必要があるが、この反応は非特許文献1に開示されているように、水溶液系電解質のような4電子反応ではなく、以下に示すような1電子反応である。

放電反応: O2 + e → O2 -
充電反応: O2 -→ O2 + e

Journal of The Electrochemical Society, 151(1), pp. A59-A63 (2004).
As described above, air batteries using ionic liquids have advantages that are not available when using aqueous electrolytes, organic solvent electrolytes, or organic solid electrolytes. However, conventional air batteries using ionic liquids only consider discharge. The air primary battery is not used as a secondary battery. In order to enable use as a secondary battery, in a half-cell composed of an air electrode and an ionic liquid, it is necessary to reversibly generate oxygen, which is a reduction reaction of oxygen and its reverse reaction, As disclosed in Non-Patent Document 1, this reaction is not a four-electron reaction like an aqueous electrolyte but a one-electron reaction as shown below.

Discharge reaction: O 2 + e → O 2 -
Charging reaction: O 2 - → O 2 + e

Journal of The Electrochemical Society, 151 (1), pp. A59-A63 (2004).

非特許文献1によれば、不活性ガス雰囲気とした測定系において、イオン液体中に酸素を飽和させて、かつディスク状のグラファイト電極をイオン液体に浸漬して得られたサイクリックボルタモグラムの結果から、上記の1電子反応は両方向ともに比較的可逆に進行するが、イオン液体に微量の水を加えただけでも、上記に充電反応として示したO2 -の酸化が阻害されることが開示されている。
また、非特許文献2には同様に不活性ガス雰囲気とした測定系において、酸素飽和したイオン液体中でO2の酸化還元反応をサイクリックボルタモグラムの測定から検討した結果が開示されており、3種類の電極材料の触媒性について比較した結果、グラッシーカーボンが最もよく、次に金、最後に白金のように、貴金属材料に比べて炭素材料のほうが触媒性は良いことが記載されている。これは水溶液系電解質を用いた場合の4電子反応に対する触媒性とはまったく逆であり、イオン液体と電極界面でのO2の1電子酸化還元反応に対する電極触媒材料の特性は、水溶液や有機溶媒を用いた場合とは異なり、どのような電極触媒材料が特性として優れているかは明確になっていない。
Journal of The Electrochemical Society, 151(4), pp. D31-D37 (2004).
According to Non-Patent Document 1, from the result of cyclic voltammogram obtained by saturating oxygen in an ionic liquid and immersing a disk-shaped graphite electrode in the ionic liquid in an inert gas atmosphere measurement system. The one-electron reaction proceeds relatively reversibly in both directions, but it is disclosed that the addition of a small amount of water to the ionic liquid inhibits the oxidation of O 2 shown above as a charging reaction. Yes.
Similarly, Non-Patent Document 2 discloses a result of examining the oxidation-reduction reaction of O 2 in an oxygen-saturated ionic liquid from the measurement of a cyclic voltammogram in an inert gas atmosphere. As a result of comparison of the catalytic properties of various kinds of electrode materials, it is described that glassy carbon is the best, followed by gold, and finally platinum, carbon materials have better catalytic properties than noble metal materials. This is completely opposite to the catalytic property for the four-electron reaction when using an aqueous electrolyte, and the characteristics of the electrocatalyst material for the one-electron redox reaction of O 2 at the interface between the ionic liquid and the electrode are Unlike the case of using, it is not clear what kind of electrocatalyst material is excellent in characteristics.
Journal of The Electrochemical Society, 151 (4), pp. D31-D37 (2004).

以上のように、イオン液体を用いる空気二次電池を開発する上では、空気極とイオン液体とから構成される半電池において、酸素の還元とその逆反応である酸素の発生が可逆的に生じる必要がある。しかし、水溶液系では問題とならない水が反応の進行を阻害する原因となり、かつ酸素の4電子反応において明らかとなっている電極材料と触媒性の関係は、イオン液体を用いる場合に生じる1電子反応に対しては同様な傾向が認められていない。したがって、O2の還元とO2 -の酸化が可逆的に可能で、かつ水の影響を受けにくい電極材料を用いた空気極とイオン液体との組合せで構成される半電池が、イオン液体を用いる空気二次電池の実現には必要であるが、これまで検討されている炭素系材料を用いた空気極とイオン液体からなる半電池では、水の影響により可逆的な1電子反応が進行しないという課題があった。また、非特許文献1や非特許文献2では不活性ガス雰囲気とした測定系でイオン液体に酸素をバブリングして飽和させた条件での結果であり、実際の使用環境として想定される大気開放条件においては、導電材としての炭素系材料と触媒としての貴金属などを用いた空気極とイオン液体を組み合わせた半電池の場合、O2とO2 -との間の酸化還元反応のサイクル性が悪く、充放電可能な半電池として使用できないという課題があった。さらに、上記のような課題から、イオン液体を用いる空気電池は、これまで一次電池としての放電特性が開示されている一方で、大気開放条件における空気極の充放電特性はサイクルとともに劣化して、空気二次電池としてのサイクル性を維持できないという課題があった。 As described above, in developing an air secondary battery using an ionic liquid, in a half cell composed of an air electrode and an ionic liquid, oxygen reduction and reverse generation of oxygen occur reversibly. There is a need. However, water, which is not a problem in aqueous systems, is a cause that hinders the progress of the reaction, and the relationship between the electrode material and the catalytic property that has become apparent in the four-electron reaction of oxygen is the one-electron reaction that occurs when an ionic liquid is used. A similar trend has not been observed. Therefore, O 2 reducing the O 2 - of oxidation and reversibly, and the half-cell comprised of a combination of the air electrode and the ionic liquid influenced using less susceptible electrode material of water, an ionic liquid Necessary for the realization of the air secondary battery to be used, but the reversible one-electron reaction does not proceed due to the influence of water in the half cell composed of the air electrode and the ionic liquid using the carbon-based material studied so far. There was a problem. Further, in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the results are obtained under the condition that oxygen is bubbled into the ionic liquid and saturated in the measurement system in an inert gas atmosphere. in the case of half-cell that combines an air electrode and an ionic liquid with a noble metal such as a carbon-based material and catalyst as the conductive material, O 2 and O 2 - cycle of the oxidation-reduction reaction between the poor There is a problem that it cannot be used as a chargeable / dischargeable half-cell. Furthermore, from the above problems, the air battery using an ionic liquid has been disclosed so far as the discharge characteristics as a primary battery, while the charge / discharge characteristics of the air electrode in the open atmosphere condition deteriorates with the cycle, There was a problem that the cycle performance as an air secondary battery could not be maintained.

上記の課題に対して、本発明は、イオン液体と空気極とからなる半電池において、O2とO2 -との間の1電子酸化還元反応が可逆的に生じ、水による反応阻害の影響を受けにくく、かつ大気開放条件においても充放電のサイクル性が良く、また空気極に貴金属や金属酸化物や金属複合酸化物や金属硫化物などのような高価な触媒を必要としない半電池の提供を目的とする。また、本発明は、空気極でのO2とO2 -との反応が可逆的に生じ、かつ空気極での水の影響が小さく、これによって充放電のサイクル性に優れるとともに、空気極に高価な触媒を使用する必要がない、充放電が可能でサイクル性に優れたイオン液体を用いる空気二次電池の提供を目的とする。 For the above object, the present invention provides a half-cell consisting of the ionic liquid and the air electrode, O 2 and O 2 - 1 electron oxidation-reduction reaction occurs reversibly, the influence of the reaction inhibition by water between the A half-cell that is not easily affected, has good charge / discharge cycle characteristics even under open air conditions, and does not require an expensive catalyst such as a noble metal, metal oxide, metal composite oxide, or metal sulfide at the air electrode. For the purpose of provision. Further, the present invention, O 2 and O 2 in the air electrode - reaction with occurs reversibly, and small influence of the water at the air electrode, is excellent in cycle characteristics of charge and discharge by this, the air electrode It is an object of the present invention to provide an air secondary battery that uses an ionic liquid that can be charged and discharged and has excellent cycle performance, without using an expensive catalyst.

本発明者は、上記課題に対して、空気極とイオン液体からなる新しい半電池の開発を行い、空気極の構成材料、製造方法、製造条件の検討とともに、空気極とイオン液体との組合せにより得られる半電池の特性評価と、この半電池を利用する空気二次電池の作製と特性評価に対して、様々な研究を行った結果より得られた知見に基づいて本発明をなすに至った。   The present inventor has developed a new half-cell consisting of an air electrode and an ionic liquid in response to the above-mentioned problems. Based on the knowledge obtained from the results of various studies on the evaluation of the characteristics of the obtained half-cell and the production and evaluation of the air secondary battery using this half-cell, the present invention has been made. .

すなわち、本発明は、イオン液体と空気極から構成される半電池であって、空気極がニッケル粒子と結着剤から構成される半電池である。本発明者は、ニッケル粒子と結着剤を構成材料とする空気極とイオン液体からなる半電池が、大気開放条件での1電子反応による酸素発生と酸素還元に対して優れた触媒性を示し、空気中に含まれる水分による経時的な影響を受けず、かつサイクル性が良く、充放電可能な半電池として良好な充放電特性を有することを見出した。その触媒性のメカニズムの詳細は明らかではないが、本発明の空気極ではニッケルとイオン液体の界面において、電子的および化学的な相互作用によって、O2の1電子還元がすみやかに生じ、かつ生成するO2 -が安定に存在しており、このO2 -の1電子酸化も同様にすみやかに生じることによるものである。また、炭素繊維、活性炭、活性炭繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素系材料は水との親和性が良い上に、水を吸着させかつ保持できるような細孔や表面形態を有しているが、ニッケル粒子の場合にはこのような特徴がないため、ニッケル粒子を用いる空気極内部に存在および蓄積する水は炭素系材料を用いる空気極に比べて極めて少なく、かつ結着剤による撥水性の効果も加わって、O2とO2 の間の酸化還元反応に対する水の影響が有効に抑制される。また、O2とO2 の間の酸化還元反応に対しては、ニッケルは極めて安定で、ニッケル粒子の酸化還元反応はほとんど進行しないことから、ニッケル自身の電気化学的な安定性も、本発明の半電池が優れたサイクル性を有する理由となっている。 That is, the present invention is a half-cell composed of an ionic liquid and an air electrode, and the air electrode is composed of nickel particles and a binder. The present inventor has shown that a half-cell consisting of an air electrode and an ionic liquid comprising nickel particles and a binder as constituent materials exhibits excellent catalytic properties for oxygen generation and oxygen reduction by a one-electron reaction under atmospheric release conditions. The present inventors have found that a half-cell capable of being charged / discharged has good charge / discharge characteristics without being affected by the moisture contained in the air over time and having good cycleability. Although details of the catalytic mechanism are not clear, in the air electrode of the present invention, one-electron reduction of O 2 occurs promptly and is generated by electronic and chemical interaction at the interface between nickel and ionic liquid. This is because O 2 is stably present, and this one-electron oxidation of O 2 occurs promptly in the same manner. Carbon-based materials such as carbon fiber, activated carbon, activated carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene have good affinity with water and have pores and surface morphology that can adsorb and retain water. In the case of nickel particles, since there is no such feature, the water present and accumulated inside the air electrode using nickel particles is extremely small compared to the air electrode using carbon-based materials, and the water repellency due to the binder is low. In addition to the effect, the influence of water on the redox reaction between O 2 and O 2 is effectively suppressed. Also, O 2 and O 2 - with respect to the oxidation-reduction reaction between the nickel is very stable, since it hardly proceeds redox reaction of the nickel particles, also electrochemical stability of the nickel itself, the This is the reason why the half-cell of the invention has excellent cycle characteristics.

本発明における空気極では、ニッケル粒子間が電気的に接続されており、ニッケル粒子は空気極全体の導電性を保持する機能とともに、空気極内部に形成されるニッケル粒子表面とイオン液体と大気との三相界面において、O2の還元を行うとともに、生成したO2 -の酸化を生じるという触媒機能を兼ね備えている。これらの機能は、従来の水溶液または有機溶媒またはイオン液体を用いる空気電池では見出されていない新たな機能である。また、従来の水溶液や有機溶媒やイオン液体を用いる空気電池では、炭素系材料と結着剤の混合物を成型する際に集電体としてのニッケル網を一体成型したものが用いられることがあるが、本発明の半電池におけるニッケル粒子の機能は、上記の通りこのような集電体として用いられるニッケルとは全く異なっている。また、従来の水溶液や有機溶媒を用いる空気電池では、ニッケル粉末を空気極の構成材料として使用することも知られているが、この場合、ニッケル粉末だけでは酸素の4電子酸化還元反応の触媒としては機能せず、必ずニッケル粉末とともに貴金属や酸化物などの酸化還元触媒が必要となる。したがって、本発明のように空気極とイオン液体の界面で生じる酸素の1電子酸化還元反応が、ニッケル粒子とイオン液体界面ですみやかに、かつサイクル性よく進行することは、ニッケル粉末と酸素の酸化還元触媒を構成材料として使用した空気極での酸素の4電子反応に関する知見からは容易に予測することは困難であり、本発明において新規に見出されたものである。 In the air electrode according to the present invention, nickel particles are electrically connected, and the nickel particles have a function of maintaining the conductivity of the entire air electrode, as well as the surface of the nickel particles formed inside the air electrode, the ionic liquid, and the atmosphere. in the three-phase interface of, it performs the reduction of O 2, resulting O 2 - has both a catalytic function that results in oxidation of. These functions are new functions that have not been found in air batteries using conventional aqueous solutions, organic solvents, or ionic liquids. In addition, in a conventional air battery using an aqueous solution, an organic solvent, or an ionic liquid, a nickel net as a current collector may be integrally molded when a mixture of a carbon-based material and a binder is molded. The function of the nickel particles in the half-cell of the present invention is completely different from the nickel used as such a current collector as described above. In addition, in a conventional air battery using an aqueous solution or an organic solvent, it is also known that nickel powder is used as a constituent material of the air electrode. In this case, nickel powder alone is used as a catalyst for oxygen four-electron redox reaction. Does not function, and a redox catalyst such as noble metals and oxides is always required together with nickel powder. Therefore, the one-electron redox reaction of oxygen occurring at the interface between the air electrode and the ionic liquid as in the present invention proceeds promptly and with good cycle characteristics at the nickel particle / ionic liquid interface. It is difficult to easily predict from the knowledge about the four-electron reaction of oxygen at the air electrode using a reduction catalyst as a constituent material, and has been newly found in the present invention.

ここで、本発明におけるニッケル粒子には、市販されている粒状ニッケル、粉末ニッケルなどを用いることができる。その純度は高いほうが好ましいが、特に酸素の1電子反応に対する触媒性が不純物によって低下することから、99%以上がより好ましい。空気極作製時に用いるニッケル粒子の粒径は、ニッケル粒子と結着剤粒子を混合・加圧成型して作製する場合には0.1μm〜100μmが好ましい。ニッケル粒子の粒径が0.1μmよりも小さくなると、空気極を作製した際に、空気極の内部が結着剤とニッケル粒子によってほとんど埋められてしまい、その結果、大気中の酸素を取り込むことが困難になるとともにイオン液体が空気極内部に浸透することも阻害され、結果的に酸素の1電子酸化還元反応が起こりにくくなるため、好ましくない。また、ニッケル粒子の粒径が100μmよりも大きくなると、空気極を作製した際に、空気極の内部における間隙が大きくなりすぎるため、イオン液体が外部に漏れやすくなるとともに、空気極内部を通過して空気がイオン液体に浸透しやすくなり、同時に空気中に含まれる水分がイオン液体に溶解して酸素の1電子酸化還元反応を阻害するようになるため、好ましくない。尚、粒子状ニッケルまたは粉末状ニッケルまたは類似形状のニッケルから製造した、間隙を有するニッケル発泡体も本発明の空気極の構成材料として用いることもできる。この場合の原材料としてのニッケルの形状や大きさは特に上記の範囲に限定されるものではない。   Here, commercially available granular nickel, powdered nickel, etc. can be used for the nickel particles in the present invention. The purity is preferably higher, but 99% or more is more preferable because the catalytic property for one-electron reaction of oxygen is deteriorated by impurities. The particle diameter of the nickel particles used at the time of producing the air electrode is preferably 0.1 μm to 100 μm when produced by mixing and pressure forming the nickel particles and the binder particles. When the particle size of the nickel particles is smaller than 0.1 μm, when the air electrode is produced, the inside of the air electrode is almost filled with the binder and the nickel particles, and as a result, oxygen in the atmosphere can be taken in. This is not preferable because it is difficult and also prevents the ionic liquid from penetrating into the air electrode, and as a result, the one-electron redox reaction of oxygen hardly occurs. In addition, when the particle size of the nickel particles is larger than 100 μm, when the air electrode is produced, the gap inside the air electrode becomes too large, so that the ionic liquid easily leaks to the outside and passes through the air electrode. Therefore, air easily penetrates into the ionic liquid, and at the same time, moisture contained in the air dissolves in the ionic liquid and inhibits the one-electron redox reaction of oxygen. In addition, a nickel foam having gaps manufactured from particulate nickel, powdered nickel, or nickel having a similar shape can also be used as a constituent material of the air electrode of the present invention. The shape and size of nickel as a raw material in this case are not particularly limited to the above range.

次に、本発明における結着剤には、撥水性を有するとともに、ニッケル粒子を相互に結着させながらその間隙に空気の浸透、拡散を許容することを可能にするものであって、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン-プロピレン-ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)などの材料が用いられるが、上記条件を満足するものであれば、特にこれらに限定されるものではない。   Next, the binder according to the present invention has water repellency and allows air to permeate and diffuse into the gap while binding nickel particles to each other. Materials such as fluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC) are used, but satisfy the above conditions If it is, it will not be limited to these in particular.

ニッケル粒子と、結着剤との配合割合は、質量比で、99.5〜60:0.5〜40が好ましい。結着剤が0.5質量%よりも少ないと空気極内部で撥水性を十分に付与することができず、空気の浸透性や拡散性が低下して酸素還元時の分極が大きくなるとともに、イオン液体が空気極を通って大気側まで浸透して外部へ漏れを生じて空気極として機能することができなくなるため好ましくなく、また40質量%よりも多くなると空気極内の撥水性が強くなりすぎてイオン液体が空気極内に浸透することが困難となり、酸素発生反応においてイオン液体中のO2 -が空気極内部でニッケル粒子と接触する面積が減少して、酸素発生時の分極が大きくなるため好ましくない。 The blending ratio between the nickel particles and the binder is preferably 99.5-60: 0.5-40 in terms of mass ratio. When the amount of the binder is less than 0.5% by mass, water repellency cannot be sufficiently imparted inside the air electrode, air permeability and diffusibility are lowered, and polarization during oxygen reduction is increased. Since the ionic liquid penetrates to the atmosphere side through the air electrode and leaks to the outside and cannot function as the air electrode, it is not preferable, and if it exceeds 40% by mass, the water repellency in the air electrode becomes strong. Therefore, it becomes difficult for the ionic liquid to penetrate into the air electrode, and in the oxygen generation reaction, the area where O 2 in the ionic liquid comes into contact with the nickel particles in the air electrode decreases, and the polarization at the time of oxygen generation increases. Therefore, it is not preferable.

また、本発明におけるイオン液体には、常温溶融塩、室温溶融塩、室温イオン液体とも呼ばれている、一般に室温(25℃)において液体である様々な溶融塩を用いることができる。特に、室温において同体積の水と混合した場合に均一にならずに2層に分離する疎水性のイオン液体が用いられる。この疎水性イオン液体は様々な種類のカチオンとアニオンの組合せによって構成されるものであり、カチオンの具体例としては、アンモニウムカチオンの場合は、N,N,N,N−テトラメチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルエチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルプロピルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルブチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルペンチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルヘキシルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルヘプチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルオクチルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルデシルアンモニウムイオン、N,N,N−トリメチルドデシルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルヘキシルアンモニウムイオン、2−メトキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウムイオン、2−エトキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウムイオン、2−プロポキシ−N,N,N−トリメチルエチルアンモニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオンなどが挙げられる。   In the present invention, various molten salts that are generally liquid at room temperature (25 ° C.), which are also called room temperature molten salts, room temperature molten salts, and room temperature ionic liquids, can be used. In particular, a hydrophobic ionic liquid that separates into two layers without being uniform when mixed with the same volume of water at room temperature is used. This hydrophobic ionic liquid is composed of a combination of various types of cations and anions. Specific examples of cations include N, N, N, N-tetramethylammonium ions, N in the case of ammonium cations, N , N, N-trimethylethylammonium ion, N, N, N-trimethylpropylammonium ion, N, N, N-trimethylbutylammonium ion, N, N, N-trimethylpentylammonium ion, N, N, N-trimethyl Hexylammonium ion, N, N, N-trimethylheptylammonium ion, N, N, N-trimethyloctylammonium ion, N, N, N-trimethyldecylammonium ion, N, N, N-trimethyldodecylammonium ion, N- Ethyl-N, N-dimethyl Propylammonium ion, N-ethyl-N, N-dimethylbutylammonium ion, N-ethyl-N, N-dimethylhexylammonium ion, 2-methoxy-N, N, N-trimethylethylammonium ion, 2-ethoxy- N, N, N-trimethylethylammonium ion, 2-propoxy-N, N, N-trimethylethylammonium ion, N- (2-methoxyethyl) -N, N-dimethylpropylammonium ion, N- (2-methoxy) Ethyl) -N, N-dimethylbutylammonium ion and the like.

また、同じく、カチオンの具体例としてイミダゾリウムカチオンの場合は、1,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ヘプチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムイオン、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、3−エチル−1,2−ジメチル−イミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−ヘキシルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−オクチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウムイオンなどが挙げられる。   Similarly, in the case of an imidazolium cation as a specific example of the cation, 1,3-dimethylimidazolium ion, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl -3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-pentylimidazolium ion, 1-hexyl-3-methylimidazolium ion, 1-heptyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-octylimidazolium ion Ion, 1-decyl-3-methylimidazolium ion, 1-dodecyl-3-methylimidazolium ion, 1-ethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-3-ethylimidazolium ion, 3-ethyl- 1,2-dimethyl-imidazolium ion, 1,2-di Til-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-octylimidazolium ion, 1- Examples include ethyl-3,4-dimethylimidazolium ion.

また、同じく、カチオンの具体例としてピロリジニウムカチオンの場合は、N,N−ジメチルピロリジニウムイオン、N−エチル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−メチル−N−ペンチルピロリジニウムイオン、N−ヘキシル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−メチル−N−オクチルピロリジニウムイオン、N−デシル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−ドデシル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−プロポキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−イソプロポキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオンなどが挙げられる。   Similarly, in the case of a pyrrolidinium cation as a specific example of the cation, N, N-dimethylpyrrolidinium ion, N-ethyl-N-methylpyrrolidinium ion, N-methyl-N-propylpyrrolidinium ion, N- Butyl-N-methylpyrrolidinium ion, N-methyl-N-pentylpyrrolidinium ion, N-hexyl-N-methylpyrrolidinium ion, N-methyl-N-octylpyrrolidinium ion, N-decyl-N-methylpyrrole Dinium ion, N-dodecyl-N-methylpyrrolidinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium ion, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium ion, N- (2 -Propoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium ion, N- (2-isopropyl) Pokishiechiru) -N- such methylpyrrolidinium ion.

また、同じく、カチオンの具体例としてピペリジニウムカチオンの場合は、N,N−ジメチルピペリジニウムイオン、N−エチル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−メチル−N−ペンチルピペリジニウムイオン、N−ヘキシル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−メチル−N−オクチルピペリジニウムイオン、N−デシル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−ドデシル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピペリジニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−エチルピペリジニウムイオン、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピペリジニウムイオン、N−メチル−N−(2−メトキシフェニル)ピペリジニウムイオン、N−メチル−N−(4−メトキシフェニル)ピペリジニウムイオン、N−エチル−N−(2−メトキシフェニル)ピペリジニウムイオン、N−エチル−N−(4−メトキシフェニル)ピペリジニウムイオンなどが挙げられる。   Similarly, in the case of piperidinium cation as a specific example of the cation, N, N-dimethylpiperidinium ion, N-ethyl-N-methylpiperidinium ion, N-methyl-N-propylpiperidinium ion, N- Butyl-N-methylpiperidinium ion, N-methyl-N-pentylpiperidinium ion, N-hexyl-N-methylpiperidinium ion, N-methyl-N-octylpiperidinium ion, N-decyl-N-methylpipe Lidinium ion, N-dodecyl-N-methylpiperidinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N-methylpiperidinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N-ethylpiperidinium ion, N- (2 -Ethoxyethyl) -N-methylpiperidinium ion, N-methyl-N- ( -Methoxyphenyl) piperidinium ion, N-methyl-N- (4-methoxyphenyl) piperidinium ion, N-ethyl-N- (2-methoxyphenyl) piperidinium ion, N-ethyl-N- (4-methoxy Phenyl) piperidinium ion.

また、同じく、カチオンの具体例としてモルホリニウムカチオンの場合は、N,N−ジメチルモルホリニウムイオン、N−エチル−N−メチルモルホリニウムイオン、N−メチル−N−プロピルモルホリニウムイオン、N−ブチル−N−メチルモルホリニウムイオン、N−メチル−N−ペンチルモルホリニウムイオン、N−ヘキシル−N−メチルモルホリニウムイオン、N−メチル−N−オクチルモルホリニウムイオン、N−デシル−N−メチルモルホリニウムイオン、N−ドデシル−N−メチルモルホリニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルモルホリニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−エチルモルホリニウムイオン、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルモルホリニウムイオン、N−メチル−N−(2−メトキシフェニル)モルホリニウムイオン、N−メチル−N−(4−メトキシフェニル)モルホリニウムイオン、N−エチル−N−(2−メトキシフェニル)モルホリニウムイオン、N−エチル−N−(4−メトキシフェニル)モルホリニウムイオンなどを挙げることができる。   Similarly, in the case of a morpholinium cation as a specific example of the cation, N, N-dimethylmorpholinium ion, N-ethyl-N-methylmorpholinium ion, N-methyl-N-propylmorpholinium ion N-butyl-N-methylmorpholinium ion, N-methyl-N-pentylmorpholinium ion, N-hexyl-N-methylmorpholinium ion, N-methyl-N-octylmorpholinium ion, N -Decyl-N-methylmorpholinium ion, N-dodecyl-N-methylmorpholinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N-methylmorpholinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N -Ethylmorpholinium ion, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylmorpholinium ion, N-methyl-N- ( -Methoxyphenyl) morpholinium ion, N-methyl-N- (4-methoxyphenyl) morpholinium ion, N-ethyl-N- (2-methoxyphenyl) morpholinium ion, N-ethyl-N- ( 4-methoxyphenyl) morpholinium ion and the like.

上記のカチオンとともにイオン液体を構成するアニオンとしては、PF6 -、BF4 -、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、[(CF3SO2)2N]-、[(C2F5SO2)2N]-、[(CN)2N]-などが挙げられる。上記のカチオンとアニオンの組合せによって構成されるイオン液体の中でも、特に疎水性に優れ、かつ電気化学窓が広く、かつ導電性に優れるといった特徴から、アンモニウムカチオンと、[(CF3SO2)2N]- または[(C2F5SO2)2N]-から構成されるイオン液体が望ましい。
また、本発明は、上記のイオン液体がN,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドであることを特徴とする半電池である。N,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドは、イオン液体の中でも、疎水性に優れ、かつ電気化学窓が広く、かつ導電性に優れることから、イオン液体への大気中の水分の溶解が抑制されて水分の影響による充放電サイクル性の低下を防止できるとともに、電気化学窓が広いことで電気化学的により卑な金属を負極に用いることが可能なり、かつ高い導電性によって、イオン液体で生じるオーム損を低減できることから、空気二次電池の起電力および作動放電電圧を高くすることが可能となり、作動充電電圧を低くすることも可能になるという作用を有する。
The anions that constitute the ionic liquid together with the above cations include PF 6 , BF 4 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , [(CF 3 SO 2 ) 2 N] , [(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N] , [(CN) 2 N] − and the like. Among the ionic liquids composed of a combination of the above cation and anion, the ammonium cation and [(CF 3 SO 2 ) 2 are particularly excellent in hydrophobicity, wide electrochemical window, and excellent conductivity. N] - or [(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N] - ionic liquids composed desirable.
In addition, the present invention is a half cell, wherein the ionic liquid is N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide. N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide is superior in hydrophobicity, has a wide electrochemical window, and has excellent conductivity among ionic liquids. Dissolution of moisture in the atmosphere is suppressed and deterioration of charge / discharge cycleability due to the influence of moisture can be prevented, and a wide electrochemical window makes it possible to use electrochemically base metals for the negative electrode and is high Since the ohmic loss generated in the ionic liquid can be reduced by the conductivity, the electromotive force and the operating discharge voltage of the air secondary battery can be increased, and the operating charging voltage can be decreased.

また、本発明は、上記の半電池の空気極を正極、イオン液体を電解液とし、リチウム、アルミニウム、鉄、亜鉛、ナトリウム、マグネシウム、カドミウムのいずれか1つを負極活物質とする負極とから構成される空気二次電池である。
リチウムを活物質とする負極については、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウム金属、リチウム合金、リチウム酸化物、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料などを用いることができる。例えば、金属酸化物としてはスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物など、金属硫化物としてはスズ硫化物、チタン硫化物など、金属窒化物としてはリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物など、リチウム合金としてはリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金などを挙げることができる。また、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料としては、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料、熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体に500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料などを挙げることができる。
アルミニウム、鉄、亜鉛のいずれかの元素を活物質とする負極については、従来のアルミニウム−空気電池、鉄−空気電池、亜鉛−空気電池に用いられているような負極を使用することができる。
In addition, the present invention includes a negative electrode using the air electrode of the above half cell as a positive electrode, an ionic liquid as an electrolyte, and any one of lithium, aluminum, iron, zinc, sodium, magnesium, and cadmium as a negative electrode active material. It is the air secondary battery comprised.
For the negative electrode using lithium as an active material, metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, lithium metals, lithium alloys, lithium oxides, carbon materials that occlude and release lithium ions, and the like can be used. For example, tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, tungsten oxide etc. as metal oxide, tin sulfide, titanium sulfide etc. as metal sulfide, lithium cobalt as metal nitride Examples of lithium alloys such as nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride include lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium lead alloy, and lithium silicon alloy. Carbon materials that occlude and release lithium ions include graphite, coke, carbon fiber, spherical carbon and other graphite materials or carbonaceous materials, thermosetting resins, isotropic pitch, mesophase pitch, mesophase pitch carbon fiber Examples thereof include graphite materials or carbonaceous materials obtained by subjecting mesophase spherules to heat treatment at 500 to 3000 ° C.
As the negative electrode using any element of aluminum, iron, and zinc as an active material, a negative electrode used in a conventional aluminum-air battery, iron-air battery, or zinc-air battery can be used.

ナトリウム、マグネシウム、カドミウムのいずれかを活物質とする負極については、板状、網状、棒状、方形状、スパイラル上などの様々な形状の金属、または合金、または金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物などが挙げられる。
また、本発明の二次電池の容器の形状や構造は、水溶液系または有機溶媒を用いる空気一次電池や空気二次電池で用いられているものと同様のものを利用することができる。 本発明に係る空気二次電池の一例を図1に示す。図1において、1は空気極、2は負極、3は電解液、4はケース、5は正極端子、6は負極端子である。
For negative electrodes that use sodium, magnesium, or cadmium as the active material, various shapes of metals such as plates, nets, rods, squares, spirals, etc., alloys, metal oxides, metal sulfides, metals Nitride etc. are mentioned.
Moreover, the shape and structure of the container of the secondary battery of this invention can utilize the thing similar to what is used with the air primary battery and air secondary battery which use aqueous solution system or an organic solvent. An example of the air secondary battery according to the present invention is shown in FIG. In FIG. 1, 1 is an air electrode, 2 is a negative electrode, 3 is an electrolyte, 4 is a case, 5 is a positive electrode terminal, and 6 is a negative electrode terminal.

以上説明したように、本発明によれば下記の効果を奏する。
(1)本発明の半電池によれば、大気開放条件下におけるイオン液体と空気極との界面において、O2とO2 -との間の1電子酸化還元反応を可逆的に生じさせ、かつその反応に対する水の反応阻害の影響が抑制されるとともに、半電池としての充放電サイクル性が向上することから、これを利用した空気極、イオン液体、負極を用いた空気二次電池において、充放電サイクル性の良い電池特性を有し、使用条件における大気環境や貯蔵時における周辺環境の変化に対して電池特性の変化が小さい空気二次電池を提供できるという効果を有する。
As described above, the present invention has the following effects.
(1) According to the half cell of the present invention, a one-electron redox reaction between O 2 and O 2 is reversibly generated at the interface between the ionic liquid and the air electrode under an open air condition, and Since the influence of water reaction inhibition on the reaction is suppressed and the charge / discharge cycle performance as a half-cell is improved, in an air secondary battery using an air electrode, an ionic liquid, and a negative electrode using this, It has an effect of providing an air secondary battery having battery characteristics with good discharge cycle characteristics and small changes in battery characteristics with respect to changes in the atmospheric environment under use conditions and the surrounding environment during storage.

(2)本発明の空気二次電池によれば、酸素の1電子酸化還元反応の可逆性がよく、かつ水の影響を受けにくい、充放電サイクル性に優れた空気極を正極として用いることから、イオン液体を用いる空気二次電池の充放電サイクル性が飛躍的に向上するという効果を有する。また、これによって、イオン液体特有の高起電力、不燃性、不揮発性をいかした空気二次電池において、電解液の揮発による特性低下が無く、高い起電力やエネルギー密度、出力密度を充放電サイクルにおいて維持できるという効果を有する。また、本発明の空気二次電池では、空気極に高価な貴金属や金属酸化物や金属複合酸化物からなる触媒を必要としないことから、他の空気二次電池のような高価な触媒の使用による製造コストの増加を抑制できるという効果を有する。 (2) According to the air secondary battery of the present invention, an air electrode having excellent charge / discharge cycle characteristics, which is excellent in reversibility of oxygen one-electron redox reaction and hardly affected by water, is used as a positive electrode. In addition, the charge / discharge cycle performance of the air secondary battery using the ionic liquid is greatly improved. In addition, this makes it possible to maintain high electromotive force, energy density, and output density in an air secondary battery that utilizes the high electromotive force, nonflammability, and non-volatility unique to ionic liquids, without causing deterioration in characteristics due to volatilization of the electrolyte. It has the effect that it can be maintained in. In addition, since the air secondary battery of the present invention does not require an expensive noble metal, metal oxide or metal composite oxide catalyst for the air electrode, the use of an expensive catalyst such as other air secondary batteries This has the effect of suppressing an increase in manufacturing cost.

以下、本発明を実施例、比較例を用いてより詳しく説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

ニッケル粒子(ニラコ株式会社製、品番NI−314013、純度99.9%以上、粒径3〜7μm)とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子懸濁液(ダイキン工業株式会社製、品名ポリフロンPTFE D−1E)を攪拌混合して粘土状とした。この時、ニッケル粒子が90質量%、PTFE粒子が10質量%となるようにした。これを室温で乾燥させてから、集電体となるニッケル網(ニラコ製、品番NI−318100、100メッシュ、厚み0.1mm)上に100kgf/cmでディスク状(直径13mm)にプレス成形してから、窒素雰囲気中370℃で12.5分間熱処理して空気極を作製した。 Nickel particles (manufactured by Niraco Corporation, product number NI-314013, purity 99.9% or more, particle size 3-7 μm) and polytetrafluoroethylene (PTFE) particle suspension (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name Polyflon PTFE D-) 1E) was stirred and mixed to form a clay. At this time, nickel particles were 90% by mass and PTFE particles were 10% by mass. After drying this at room temperature, it was press-formed into a disk shape (diameter 13 mm) at 100 kgf / cm 2 on a nickel net (Niraco, product number NI-318100, 100 mesh, thickness 0.1 mm) to be a current collector. After that, heat treatment was performed at 370 ° C. for 12.5 minutes in a nitrogen atmosphere to produce an air electrode.

(比較例1)
多孔質炭素粉末(ケッチェンブラックEC600JDTM)とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子懸濁液(ダイキン工業株式会社製、品名ポリフロンPTFE D−1E)を攪拌混合して粘土状とした。この時、多孔質炭素粉末が40質量%、PTFE粒子が60質量%となるようにした。これを室温で乾燥させてから、集電体となるニッケル網(ニラコ製、品番NI−318100、100メッシュ、厚み0.1mm)上に、実施例1と同じプレス機およびプレス型を用いて、100kgf/cmでディスク状(直径13mm)にプレス成形してから、窒素雰囲気中370℃で12.5分間熱処理して空気極を作製した。
(Comparative Example 1)
Porous carbon powder (Ketjen Black EC600JD ) and polytetrafluoroethylene (PTFE) particle suspension (Daikin Kogyo Co., Ltd., product name Polyflon PTFE D-1E) were stirred and mixed to form a clay. At this time, the porous carbon powder was 40% by mass and the PTFE particles were 60% by mass. After drying this at room temperature, using the same press machine and press die as Example 1 on a nickel net (Niraco, product number NI-318100, 100 mesh, thickness 0.1 mm) to be a current collector, After press-molding into a disk shape (diameter 13 mm) at 100 kgf / cm 2 , heat treatment was performed at 370 ° C. for 12.5 minutes in a nitrogen atmosphere to produce an air electrode.

上記実施例1、比較例1で得られた各空気極について、対極に白金板(14cm)、参照極に銀電極、イオン液体にN,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを用いてサイクリックボルタモグラムを測定した。尚、測定は室温で全自動電気化学分析装置を用いて行い、ガラスビーカー内のイオン液体に対極を浸漬し、また空気極はPTFE製ホルダー内にセットした後にイオン液体にホルダーを浸漬し、その状態において空気極の片面がイオン液体と接触し、反対の面は大気に開放された状態となるようにした。 For each air electrode obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the counter electrode is a platinum plate (14 cm 2 ), the reference electrode is a silver electrode, the ionic liquid is N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoro) Cyclic voltammograms were measured using (romethanesulfonyl) imide. Measurement is performed at room temperature using a fully automatic electrochemical analyzer, and the counter electrode is immersed in an ionic liquid in a glass beaker, and the air electrode is set in a PTFE holder, and then the holder is immersed in the ionic liquid. In this state, one side of the air electrode was in contact with the ionic liquid, and the opposite side was opened to the atmosphere.

実施例1で得られたサイクリックボルタモグラムを図2に、比較例1で得られたサイクリックボルタモグラムを図3に示した。図2では開始電位からまず電位をよりマイナス側へ走査することによって−1.1V付近から還元電流が流れており、これはO2が1電子反応によってO2 -に還元されることに伴う電流である。次に、−1.5Vで電位の走査方向を反転してプラス側へ電位走査を行うと、約−1.1Vにピークを示す酸化電流が観察され、生成したO2 -がO2へと酸化されていることが示された。すなわち、実施例1では大気開放条件においてO2とO2 との酸化還元反応が可逆的に進行した。尚、一般に、反応に関与する酸化体と還元体がいずれも電解液に溶存していて、これらの間の酸化還元反応が可逆的に進行する場合は、還元反応、酸化反応のいずれに対してもピークを有する還元波、酸化波が観察される。しかし、本発明の半電池のように酸化体(O2)が気体であり、かつその酸化体は空気極の片面から連続的に供給可能な状態である場合には、酸化体の供給が拡散限界にならないため、還元電流はピーク形状とはならない。一方、還元体であるO2 -はO2の還元によって生じ、かつ電位走査の間に生成されるイオン液体中のO2 -量は有限である。したがって、O2 -の酸化ではO2 -が拡散限界となるため電流がピークを有する形状となっている。さらに、図2に示した同じ電位範囲においてサイクリックボルタモグラムを連続して測定した結果、図2に示した形状は全く変化せず、サイクル特性が極めてよいことが示された。 The cyclic voltammogram obtained in Example 1 is shown in FIG. 2, and the cyclic voltammogram obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. Figure is a reduction current to flow from the vicinity of -1.1V by a first potential from 2 in onset potential more scanning the minus side, which O 2 is O 2 by one-electron reaction - current due to be reduced to It is. Next, when the potential scanning direction is reversed at −1.5 V and the potential scanning is performed on the positive side, an oxidation current having a peak at about −1.1 V is observed, and the generated O 2 is changed to O 2 . It was shown to be oxidized. That is, in Example 1, the redox reaction between O 2 and O 2 progressed reversibly under the open air condition. In general, when both the oxidant and the reductant involved in the reaction are dissolved in the electrolyte and the redox reaction between them proceeds reversibly, either the reduction reaction or the oxidation reaction A reduction wave and an oxidation wave having a peak are also observed. However, when the oxidant (O 2 ) is a gas as in the half-cell of the present invention, and the oxidant is in a state that can be continuously supplied from one side of the air electrode, the supply of the oxidant is diffused. Since the limit is not reached, the reduction current does not have a peak shape. On the other hand, the reductant O 2 is generated by the reduction of O 2 , and the amount of O 2 in the ionic liquid generated during the potential scan is finite. Therefore, O 2 - in the oxidizing O 2 - is the current because the diffusion limiting has a shape having a peak. Furthermore, as a result of continuously measuring cyclic voltammograms in the same potential range shown in FIG. 2, the shape shown in FIG. 2 did not change at all, and it was shown that the cycle characteristics were very good.

次に、比較例1で得られた図3のサイクリックボルタモグラムでは、開始電位からまず電位をよりマイナス側へ走査すると、実施例1と同様に還元電流が流れ、比較例1においてもO2が1電子反応によってO2 -に還元されることが示された。しかし、−1.5Vで電位の走査方向を反転してプラス側へ電位走査を行っても、実施例1のようなピークを伴う酸化電流は観察されなかった。また、実施例1では還元電流の最大値と酸化電流のピーク値がほぼ一致したが、比較例1では還元電流の最大値に対して酸化電流の最大値は半分以下であった。すなわち、比較例1ではO2からO2 -への還元反応は起こるが、その逆反応であるO2 -からO2への酸化は可逆的に進行しなかった。さらに、図3に示した同じ電位範囲においてサイクリックボルタモグラムを連続して測定した結果、図3に示した形状は電位走査の繰り返し回数の増加とともに変化し、特に酸化電流の減少が認められ、比較例1ではサイクル性が悪いことが示された。 Next, in the cyclic voltammogram of FIG. 3 obtained in Comparative Example 1, when the potential is first scanned to the minus side from the starting potential, a reduction current flows as in Example 1, and in Comparative Example 1, O 2 is It is reduced to the indicated - O 2 by one-electron reaction. However, even when the potential scanning direction was reversed at −1.5 V and the potential scanning was performed to the plus side, an oxidation current with a peak as in Example 1 was not observed. In Example 1, the maximum value of the reduction current almost coincided with the peak value of the oxidation current, but in Comparative Example 1, the maximum value of the oxidation current was less than half of the maximum value of the reduction current. That is, in Comparative Example 1, a reduction reaction from O 2 to O 2 occurred, but the reverse reaction, O 2 to O 2 oxidation, did not proceed reversibly. Furthermore, as a result of continuously measuring cyclic voltammograms in the same potential range shown in FIG. 3, the shape shown in FIG. 3 changes with an increase in the number of repetitions of potential scanning, and in particular, a decrease in oxidation current is observed. Example 1 showed poor cycle performance.

次に、自動充放電装置を用いて、上記のサイクリックボルタモグラムを測定したときと同じ状態に各電極およびイオン液体を配置して、周期的に極性を反転する定電流パルスを用いて実施例1および比較例1の各空気極の充放電試験を行った。まず、実施例1では図4に示したように、1mAでの放電、0.1mAの充電において、いずれも安定した電位が観察され、かつ充放電サイクルが可能であった。さらに、図5のように放電電流を一定値として充電電流を変化させた場合の比較でも、いずれも繰り返し充放電が可能であり、かつ充放電サイクルに対して電位の変化は見られなかった。また、充放電サイクル後にホルダーから取り出した実施例1の空気極には電極形状の変化はまったく認められなかった。   Next, using an automatic charging / discharging device, each electrode and ionic liquid are arranged in the same state as when the above cyclic voltammogram was measured, and a constant current pulse that periodically reverses polarity is used in Example 1. And the charging / discharging test of each air electrode of Comparative Example 1 was performed. First, as shown in FIG. 4, in Example 1, a stable potential was observed in both discharging at 1 mA and charging at 0.1 mA, and a charge / discharge cycle was possible. Furthermore, as shown in FIG. 5, even when the charging current was changed with the discharging current being a constant value, charging and discharging could be repeated repeatedly, and no potential change was observed with respect to the charging / discharging cycle. Further, no change in the electrode shape was observed in the air electrode of Example 1 taken out from the holder after the charge / discharge cycle.

一方、比較例1の空気極の場合、1mAでの放電(O2の還元)は可能であったが、その後ただちに0.1mAでの充電を行うと、電位が急激に上昇し、自動充放電装置で測定可能な電位範囲を超えて測定不能となった。このことは、放電時間を例えば30秒としても、5分としても同じであった。さらに、放電電流や充電電流の値を変えて同様に測定したが、いずれも充電開始直後に測定可能な電位範囲を超えたため、比較例1では充放電サイクルを行うことができなかった。また、この後にホルダーから取り出した比較例1の空気極では、ディスク状の中央部が膨らんでおり、電極形状の変形が認められた。 On the other hand, in the case of the air electrode of Comparative Example 1, discharge at 1 mA (reduction of O 2 ) was possible, but immediately after charging at 0.1 mA, the potential suddenly increased and the automatic charge / discharge device It was impossible to measure beyond the measurable potential range. This was the same whether the discharge time was 30 seconds or 5 minutes, for example. Furthermore, although the measurement was performed in the same manner by changing the values of the discharge current and the charge current, both of them exceeded the measurable potential range immediately after the start of charging, and therefore the charge / discharge cycle could not be performed in Comparative Example 1. Further, in the air electrode of Comparative Example 1 taken out from the holder after this, the disk-shaped central portion swells, and deformation of the electrode shape is recognized.

本発明は、モバイル機器、パソコン、メモリーバックアップ用電池、小型電子機器、補聴器、ハイブリッド自動車、電気自動車、分散型家庭用電源、分散型事業用電源、電力貯蔵用電池等に利用可能である。   The present invention can be used for mobile devices, personal computers, memory backup batteries, small electronic devices, hearing aids, hybrid vehicles, electric vehicles, distributed household power sources, distributed business power sources, power storage batteries, and the like.

本発明の空気二次電池の概略構成を示す。The schematic structure of the air secondary battery of this invention is shown. 実施例1のサイクリックボルタモグラムを示す。The cyclic voltammogram of Example 1 is shown. 比較例1のサイクリックボルタモグラムを示す。The cyclic voltammogram of the comparative example 1 is shown. 実施例1の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of Example 1 is shown. 実施例1の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of Example 1 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 空気極
2 負極
3 イオン液体
4 ケース
5 正極端子
6 負極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air electrode 2 Negative electrode 3 Ionic liquid 4 Case 5 Positive electrode terminal 6 Negative electrode terminal

Claims (3)

イオン液体と空気極から構成される半電池であって、空気極がニッケル粒子と結着剤から構成されることを特徴とする半電池。   A half cell comprising an ionic liquid and an air electrode, wherein the air electrode comprises nickel particles and a binder. 該イオン液体がN,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドであることを特徴とする請求項1に記載の半電池。   The half cell according to claim 1, wherein the ionic liquid is N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide. 請求項1または2に記載の該半電池の該空気極を正極、該イオン液体を電解液とし、リチウム、アルミニウム、鉄、亜鉛、ナトリウム、マグネシウム、カドミウムのいずれか1つを負極活物質とする負極とから構成される空気二次電池。

The air electrode of the half-cell according to claim 1 or 2 is a positive electrode, the ionic liquid is an electrolytic solution, and any one of lithium, aluminum, iron, zinc, sodium, magnesium, and cadmium is a negative electrode active material. An air secondary battery composed of a negative electrode.

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