JP2014075269A - Metal-air battery - Google Patents

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浩文 飯坂
Manabu Konno
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal-air battery having discharge capacity higher than that of conventional ones.SOLUTION: A metal-air battery includes a positive electrode layer, a negative electrode layer and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The positive electrode layer includes a first layer disposed on the electrolyte layer side and a second layer disposed on the side opposite to the electrolyte layer side. Each of the first layer and the second layer contains a solid electrolyte and a carbon material, and a ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer relative to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is more than 1 and 2.1 or less.

Description

本発明は、酸素を正極活物質として利用する金属空気電池に関する。   The present invention relates to a metal-air battery that uses oxygen as a positive electrode active material.

近年の携帯電話等の機器の普及、進歩に伴い、その電源である電池の高容量化が望まれている。このような中で、金属空気電池は、正極において、大気中の酸素を正極活物質として利用して、当該酸素の酸化還元反応が行われ、一方、負極において、負極を構成する金属の酸化還元反応が行われることで、充電又は放電が可能であるため、エネルギー密度が高く、現在汎用されているリチウムイオン電池に優る高容量電池として注目されている(非特許文献1)。   With the spread and progress of devices such as mobile phones in recent years, it is desired to increase the capacity of the battery as the power source. Under such circumstances, the metal-air battery uses the oxygen in the atmosphere as the positive electrode active material at the positive electrode, and the oxygen reduction reaction of the oxygen is performed. On the other hand, the redox of the metal constituting the negative electrode is performed at the negative electrode. Since the reaction can be performed, the battery can be charged or discharged, so that it has a high energy density and has attracted attention as a high-capacity battery that is superior to the currently used lithium ion batteries (Non-patent Document 1).

そして、リチウム空気電池の高容量化のためにカーボン及び電極触媒としてのリチウムイオン伝導性を有する固体電解質が混合された正極を備えたリチウム空気電池が提案されている(特許文献1)。   In order to increase the capacity of a lithium air battery, a lithium air battery including a positive electrode mixed with carbon and a solid electrolyte having lithium ion conductivity as an electrode catalyst has been proposed (Patent Document 1).

特開2010−244827号公報JP 2010-244827 A

独立行政法人 産業技術総合研究所(産総研)、「新しい構造の高性能リチウム空気電池を開発」、[online]、2009年2月24日報道発表、[平成23年8月19日検索]、インターネット<http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090224/pr20090224.html>National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), “Development of high-performance lithium-air battery with new structure”, [online], press release on February 24, 2009, [search on August 19, 2011], Internet <http: // www. aist. go. jp / aist_j / press_release / pr2009 / pr20090224 / pr20090224. html>

このように、従来、リチウム空気電池の高容量化を目的として、カーボンと固体電解質とが混合された正極を備えたリチウム空気電池が提案されているが、依然として、さらなる高容量を有する金属空気電池が望まれている。   As described above, for the purpose of increasing the capacity of a lithium air battery, a lithium air battery having a positive electrode in which carbon and a solid electrolyte are mixed has been proposed. However, a metal air battery having still higher capacity is still proposed. Is desired.

本発明は、正極層、負極層、並びに正極層及び負極層の間に配置される電解質層を含む金属空気電池であって、
前記正極層が、電解質層側に配置される第1の層と、電解質層側とは反対側に配置される第2の層とを備え、
第1の層及び第2の層がそれぞれ、固体電解質と炭素材料とを含み、
第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率が、1より大きく2.1以下である、
金属空気電池である。
The present invention is a metal-air battery including a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The positive electrode layer includes a first layer disposed on the electrolyte layer side and a second layer disposed on the side opposite to the electrolyte layer side,
Each of the first layer and the second layer includes a solid electrolyte and a carbon material;
The ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is greater than 1 and 2.1 or less.
It is a metal-air battery.

本発明によれば、従来よりも高い放電容量を有する金属空気電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal air battery which has a higher discharge capacity than before can be provided.

図1は、本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層の構成を表す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a positive electrode layer used in a metal-air battery according to the present invention. 図2は、比較例の金属空気電池に用いられる正極層の構成を表す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the positive electrode layer used in the metal-air battery of the comparative example. 図3は、本発明に係る金属空気電池を含む電気化学セルの一例の断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an example of an electrochemical cell including a metal-air battery according to the present invention. 図4は、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率とセルの放電容量との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the ratio of the solid electrolyte content contained in the second layer with respect to the solid electrolyte content contained in the first layer and the discharge capacity of the cell.

本発明に係る金属空気電池に含まれる正極層は、電解質層側に配置される第1の層と、電解質層側とは反対側に配置される第2の層とを含み、第1の層及び第2の層がそれぞれ、固体電解質と炭素材料とを含み、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率が、1より大きく2.1以下である構成を有する。   The positive electrode layer included in the metal-air battery according to the present invention includes a first layer disposed on the electrolyte layer side and a second layer disposed on the side opposite to the electrolyte layer side. And the second layer includes a solid electrolyte and a carbon material, respectively, and the ratio of the content ratio of the solid electrolyte included in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte included in the first layer is larger than 1. .1 or less.

金属空気電池においては、放電中に、正極層中にて空気中の酸素が還元され負極の金属イオンが酸化される酸化還元反応が起こる。   In a metal-air battery, during discharge, an oxidation-reduction reaction occurs in which oxygen in the air is reduced in the positive electrode layer and metal ions in the negative electrode are oxidized.

特許文献1等のように、金属空気電池において、固体電解質をカーボン等の導電材と混合して成形した正極層を用いた場合、正極層中に、高酸素還元活性を有する触媒である固体電解質がほぼ均一に存在するため、放電生成物の析出も均一に起こり、正極層全体に析出物が堆積しやすく、正極層の電解質層側(金属イオン供給側)及び電解質層側とは反対側(酸素供給側)の空隙が閉塞されて酸素や金属イオンの供給が阻害されてしまう、といった問題がおこりやすいことが分かった。   When a positive electrode layer formed by mixing a solid electrolyte with a conductive material such as carbon is used in a metal-air battery as in Patent Document 1, a solid electrolyte that is a catalyst having high oxygen reduction activity in the positive electrode layer Since the discharge product is deposited uniformly, deposits are likely to be deposited on the entire positive electrode layer, and the positive electrode layer is opposite to the electrolyte layer side (metal ion supply side) and the electrolyte layer side ( It has been found that problems such as the oxygen supply side) being clogged and the supply of oxygen and metal ions being hindered are likely to occur.

特に、正極層の電解質層側とは反対側(酸素供給側)にリチウムイオン等の金属イオンが到達する前に、電解質層側(金属イオン供給側)で金属イオンがトラップされ、リチウムイオン等の金属イオンの供給が阻害されやすいことが分かった。   In particular, before metal ions such as lithium ions reach the side opposite to the electrolyte layer side (oxygen supply side) of the positive electrode layer, metal ions are trapped on the electrolyte layer side (metal ion supply side), It was found that the supply of metal ions is likely to be hindered.

このような問題に対して、本発明者は、正極層、負極層、並びに正極層及び負極層の間に配置される電解質層を含む金属空気電池であって、正極層が金属イオン伝導性を有する固体電解質と炭素材料とを含み、正極層中の固体電解質の含有割合が、正極層の酸素供給側の領域にて多く電解質層側の領域にて少ない構成を有する金属空気電池を見出した。このように固体電解質の含有割合を傾斜させた正極層を金属空気電池に用いることにより、酸素及び金属イオンの供給性を向上することが可能となり、金属空気電池の放電容量を向上することができる。   In order to solve such a problem, the present inventor is a metal-air battery including a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode layer has metal ion conductivity. The present inventors have found a metal-air battery that includes a solid electrolyte and a carbon material, and has a configuration in which the content of the solid electrolyte in the positive electrode layer is large in the oxygen supply region of the positive electrode layer and small in the region of the electrolyte layer. Thus, by using the positive electrode layer in which the content ratio of the solid electrolyte is inclined for the metal-air battery, it becomes possible to improve the supply of oxygen and metal ions, and the discharge capacity of the metal-air battery can be improved. .

図面を参照して本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層の構成を説明する。   The configuration of the positive electrode layer used in the metal-air battery according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に、本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層の構成を表す断面模式図を示す。図1に示すように、本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層は、電解質層側(金属イオン供給側)に配置される第1の層11、及び電解質層側とは反対側(酸素供給側)に配置される第2の層12を含み、第1の層11及び第2の層12は、それぞれ、固体電解質及び炭素材料を含む。   In FIG. 1, the cross-sectional schematic diagram showing the structure of the positive electrode layer used for the metal air battery which concerns on this invention is shown. As shown in FIG. 1, the positive electrode layer used in the metal-air battery according to the present invention includes a first layer 11 disposed on the electrolyte layer side (metal ion supply side) and a side opposite to the electrolyte layer side (oxygen layer). The second layer 12 is disposed on the supply side, and the first layer 11 and the second layer 12 each include a solid electrolyte and a carbon material.

第2の層に含まれる固体電解質の含有割合は、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合よりも大きい。すなわち、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率は1より大きく、好ましくは1.2以上であり、より好ましくは1.3以上である。   The content rate of the solid electrolyte contained in the second layer is larger than the content rate of the solid electrolyte contained in the first layer. That is, the ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is greater than 1, preferably 1.2 or more, more preferably 1.3 or more. It is.

第2の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第1の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率を1より大きくすることで、正極層の電解質層側の領域にて、電子伝導性を確保しつつ、放電生成物が生成を抑制してリチウムイオン等の金属イオンの供給を確保することができ、正極層の空気孔側の領域を有効利用することができる。   By increasing the ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer, the electron conductivity is increased in the region on the electrolyte layer side of the positive electrode layer. While ensuring, it can suppress generation | occurrence | production of a discharge product and can ensure supply of metal ions, such as lithium ion, and can utilize the area | region by the side of the air hole of a positive electrode layer effectively.

また、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率は2.1以下であり、好ましくは1.9以下であり、より好ましくは1.8以下である。   The ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is 2.1 or less, preferably 1.9 or less, more preferably 1 .8 or less.

第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率が大きすぎると、正極層の電解質層側とは反対側の領域(酸素供給側の領域)にて、電子伝導性が低下したり、放電生成物が多量に生成することで酸素の供給が阻害されやすくなるため、前記比率の上限値は、上記範囲が好ましい。   If the ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is too large, the region on the opposite side of the positive electrode layer from the electrolyte layer side (region on the oxygen supply side) ), The electron conductivity is reduced, or the supply of oxygen is likely to be hindered due to the generation of a large amount of discharge products. Therefore, the upper limit value of the ratio is preferably in the above range.

第1の層及び第2の層に含まれる固体電解質の含有割合はそれぞれ、好ましくは10〜40質量%である。そして、例えば、第2の層に含まれる固体電解質の含有割合が30質量%のとき、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合は、上記比率を満足するように、好ましくは14.3質量%〜30質量%未満、より好ましくは15.8質量%〜30質量%未満、さらに好ましくは16.7質量%〜30質量%未満であることができる。   The content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer and the second layer is preferably 10 to 40% by mass, respectively. For example, when the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer is 30% by mass, the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is preferably 14.3 so as to satisfy the above ratio. The content may be from mass% to less than 30 mass%, more preferably from 15.8 mass% to less than 30 mass%, and even more preferably from 16.7 mass% to less than 30 mass%.

第1の層及び第2の層に含まれる固体電解質材料として、全固体電池の固体電解質として利用可能な材料を用いることができ、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を好ましく用いることができる。   As the solid electrolyte material contained in the first layer and the second layer, a material that can be used as a solid electrolyte of an all-solid battery can be used, and a solid electrolyte having lithium ion conductivity can be preferably used.

第1の層及び第2の層に含まれる固体電解質材料としては、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P25、LiI−Li2S−B23、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P25、LiI−Li3PO4−P25、若しくはLi2S−P25等の硫化物系固体電解質、Li2O−B23−P25、Li2O−SiO2、Li2O−B23、若しくはLi2O−B23−ZnO等の酸化物系非晶質固体電解質、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO43、Li1+x+yxTi2-xSiy3-y12(Aは、AlまたはGa、0≦x≦0.4、0<y≦0.6)、[(B1/2Li1/21-zz]TiO3(Bは、La、Pr、Nd、またはSm、CはSrまたはBa、0≦z≦0.5)、Li5La3Ta212、Li7La3Zr212(LLZO)、Li6BaLa2Ta212、若しくはLi3.6Si0.60.44等の結晶質酸化物、Li3PO(4-3/2w)w(w<1)等の結晶質酸窒化物、またはLiI、LiI−Al23、Li3N、若しくはLi3N−LiI−LiOH等を用いることができる。また、第1の層及び第2の層に含まれる固体電解質として、リチウム塩を含むポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、またはポリアクリロニトリル等の半固体のポリマー電解質も使用することができる。 Examples of solid electrolyte materials contained in the first layer and the second layer include Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—P 2 S 5 , and LiI—Li 2 S. -B 2 S 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , sulfide-based solid electrolytes such as Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 O—B 2 O 3 —P 2 O 5 , Li 2 O—SiO 2 , Li 2 O—B 2 O 3 , Li 2 O—B 2 O 3 —ZnO or other oxide-based amorphous solid electrolyte, Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , Li 1 + x + y A x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (A is, Al or Ga, 0 ≦ x ≦ 0.4,0 < y ≦ 0.6), [(B 1/2 Li 1/2) 1-z C z] TiO 3 Is B, La, Pr, Nd or Sm, C is Sr or Ba, 0 ≦ z ≦ 0.5) , Li 5 La 3 Ta 2 O 12, Li 7 La 3 Zr 2 O 12, (LLZO), Li 6 Crystalline oxides such as BaLa 2 Ta 2 O 12 or Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , crystalline oxynitrides such as Li 3 PO (4-3 / 2w) N w (w <1), or LiI , it can be used LiI-Al 2 O 3, Li 3 N, or Li 3 N-LiI-LiOH and the like. Further, as the solid electrolyte contained in the first layer and the second layer, a semi-solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide containing lithium salt, polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride, or polyacrylonitrile can also be used.

本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層に含まれる第1の層及び第2の層の厚みは、好ましくは10〜200μm、より好ましくは20〜100μm、さらに好ましくは30〜70μmであることができる。   The thickness of the first layer and the second layer included in the positive electrode layer used in the metal-air battery according to the present invention is preferably 10 to 200 μm, more preferably 20 to 100 μm, and still more preferably 30 to 70 μm. Can do.

第1の層及び第2の層に含まれる炭素材料は、好ましくは多孔質材料である。多孔質材料としては、好ましくは、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、メソポーラスカーボン等のカーボンブラック、活性炭、カーボン炭素繊維等が挙げられ、比表面積の大きいカーボン材料がより好ましく用いられる。また、多孔質材料としては、1mL/g程度のナノメートルオーダーの細孔容積を有するものが望ましい。   The carbon material contained in the first layer and the second layer is preferably a porous material. Preferred examples of the porous material include carbon black such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, and mesoporous carbon, activated carbon, carbon carbon fiber, and the like, and a carbon material having a large specific surface area is more preferably used. . Moreover, as a porous material, what has the pore volume of nanometer order of about 1 mL / g is desirable.

炭素材料は、正極層中において好ましくは10〜90質量%、さらに好ましくは20〜70質量%、より好ましくは40〜50質量%を占める。第1の層及び第2の層に含まれる炭素材料の含有量はそれぞれ、第1の層及び第2の層に含まれる固体電解質の含有割合に応じて変更することができる。   The carbon material preferably accounts for 10 to 90% by mass, more preferably 20 to 70% by mass, and more preferably 40 to 50% by mass in the positive electrode layer. The content of the carbon material contained in the first layer and the second layer can be changed according to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer and the second layer, respectively.

また、第1の層に含まれる炭素材料及び第2の層に含まれる炭素材料の種類は、同じでもよく、異なってもよい。第1の層及び第2の層は、好ましくは同じ炭素材料を含む。   Further, the types of the carbon material contained in the first layer and the carbon material contained in the second layer may be the same or different. The first layer and the second layer preferably comprise the same carbon material.

本発明に係る金属空気電池に用いられる正極層においては、電解質層側に第1の層が配置され、電解質層側とは反対側(酸素供給側)に第2の層が配置され、固体電解質の含有割合が、第1の層より第2の層にて上記所定の比率で多い構成を有する限り、他の変形構成を有することができる。例えば、図1に示すように第1の層及び第2の層が隣接して配置されていてもよく、あるいは、第1の層及び第2の層に加えて、第3の層またはさらに多くの層を含んでもよく、この場合、固体電解質の含有割合が異なる第1の層及び第2の層の間に、固体電解質の含有割合が傾斜を有するように、第3の層またはさらに多くの層が配置され得る。   In the positive electrode layer used in the metal-air battery according to the present invention, the first layer is disposed on the electrolyte layer side, the second layer is disposed on the opposite side (oxygen supply side) to the electrolyte layer side, and the solid electrolyte As long as the content ratio of is higher in the second layer than in the first layer at the predetermined ratio, it can have other modified configurations. For example, as shown in FIG. 1, the first layer and the second layer may be arranged adjacent to each other, or in addition to the first layer and the second layer, a third layer or more. In this case, the third layer or even more may be provided so that the solid electrolyte content has a gradient between the first layer and the second layer having different solid electrolyte content. Layers can be placed.

第1の層及び第2の層はバインダーを含むことができる。バインダーとしては、例えば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)、フッ素ゴム等のフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル等の熱可塑性樹脂、またはスチレンブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。バインダーは、第1の層及び第2の層において好ましくは1〜30質量%を占める。第1の層に含まれるバインダー及び第2の層に含まれるバインダーの含有量は、第1の層及び第2の層に含まれ得る固体電解質及び炭素材料の含有量等に応じて変更することができる。   The first layer and the second layer can include a binder. As the binder, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, a thermoplastic resin such as polypropylene, polyethylene, polyacrylonitrile, or styrene butadiene rubber (SBR) is used. be able to. The binder preferably occupies 1 to 30% by mass in the first layer and the second layer. The content of the binder contained in the first layer and the content of the binder contained in the second layer should be changed according to the content of the solid electrolyte and the carbon material that can be contained in the first layer and the second layer. Can do.

第1の層及び第2の層は、酸化還元触媒を含んでもよく、酸化還元触媒としては、二酸化マンガン、酸化コバルト、酸化セリウム等の金属酸化物、Pt、Pd、Au、Ag等の貴金属、Co等の遷移金属、コバルトフタロシアニン等の金属フタロシアニン、Feポルフィリン等の有機材料等が挙げられる。酸化還元触媒は、第1の層及び第2の層においてそれぞれ好ましくは1〜90質量%、より好ましく1〜50質量%、さらに好ましくは1〜30質量%を占める。   The first layer and the second layer may include a redox catalyst. Examples of the redox catalyst include metal oxides such as manganese dioxide, cobalt oxide, and cerium oxide, noble metals such as Pt, Pd, Au, and Ag, Examples thereof include transition metals such as Co, metal phthalocyanines such as cobalt phthalocyanine, and organic materials such as Fe porphyrin. The redox catalyst preferably occupies 1 to 90% by mass, more preferably 1 to 50% by mass, and even more preferably 1 to 30% by mass in each of the first layer and the second layer.

本発明に係る金属空気電池は、上述した正極層、負極層、並びに正極層及び負極層の間の電解質層を含むことができる。   The metal-air battery according to the present invention can include the above-described positive electrode layer, negative electrode layer, and an electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer.

電解質層は、正極層及び負極層の間で金属イオンの伝導を行うものであり、液体電解質、固体電解質、ゲル状電解質、ポリマー電解質、またはそれらの組み合わせを含むことができる。   The electrolyte layer conducts metal ions between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and can include a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, a polymer electrolyte, or a combination thereof.

正極層及び負極層の間の電解質層に含まれ得る液体電解質としては、正極層と負極層との間で金属イオンを交換することができる液体を用いることができ、非プロトン性の有機溶媒、またはイオン液体等であることができる。   As the liquid electrolyte that can be included in the electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer, a liquid that can exchange metal ions between the positive electrode layer and the negative electrode layer can be used, and an aprotic organic solvent, Or it can be an ionic liquid or the like.

有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、グライム類等が挙げられる。   Examples of organic solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane. 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, glymes and the like.

イオン液体としては、副反応を抑制することができる酸素ラジカル耐性の高いものが好ましく、例えばN,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(DEMETFSA)、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(PP13TFSA)、またはそれらの組み合わせ等が挙げられる。また、液体電解質として、上述のイオン液体と有機溶媒を組み合わせて用いることもできる。   As the ionic liquid, those having high resistance to oxygen radicals capable of suppressing side reactions are preferable. For example, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide ( DEMETFSA), N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (PP13TFSA), or combinations thereof. Further, as the liquid electrolyte, a combination of the above ionic liquid and an organic solvent can be used.

液体電解質には支持塩を溶解させてもよい。支持塩としては、例えばリチウムイオンと、次に挙げるアニオン:
Cl-、Br-、I-などのハロゲン化物アニオン;BF4 -、B(CN)4 -、B(C242 -等のホウ素化物アニオン;(CN)2-、[N(CF32-、[N(SO2CF32-等のアミドアニオン又はイミドアニオン;RSO3 -(以下、Rは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基を指す)、RSO4 -、RfSO3 -(以下、Rfは含フッ素ハロゲン化炭化水素基を指す)、RfSO4 -等のスルフェートアニオン又はスルフォネートアニオン;Rf 2P(O)O-、PF6 -、Rf 3PF3 -等の含リンアニオン;SbF6等の含アンチモンアニオン;またはラクテート、硝酸イオン、トリフルオロアセテート、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド等のアニオン、
とからなる塩を用いることができ、
例えばLiPF6、LiBF4、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiN(CF3SO22、以下、LiTFSAという)、LiCF3SO3、LiC49SO3、LiC(CF3SO23及びLiClO4等が挙げられ、LiTFSAが好ましく用いられる。このような支持塩を2種以上組み合わせて用いてもよい。また、液体電解質に対する支持塩の添加量は特に限定されないが、0.1〜1mol/kg程度とすることが好ましい。
A supporting salt may be dissolved in the liquid electrolyte. Examples of the supporting salt include lithium ions and the following anions:
Halide anions such as Cl , Br and I ; Boron anions such as BF 4 , B (CN) 4 and B (C 2 O 4 ) 2 ; (CN) 2 N , [N ( Amide anion or imide anion such as CF 3 ) 2 ] , [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] ; RSO 3 (hereinafter, R represents an aliphatic hydrocarbon group or aromatic hydrocarbon group), RSO Sulfate anion or sulfonate anion such as 4 , R f SO 3 (hereinafter, R f represents a fluorinated halogenated hydrocarbon group), R f SO 4 —, etc .; R f 2 P (O) O Phosphorus-containing anions such as PF 6 , R f 3 PF 3 ; antimony-containing anions such as SbF 6 ; or anions such as lactate, nitrate ion, trifluoroacetate, tris (trifluoromethanesulfonyl) methide,
A salt consisting of
For example, LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , hereinafter referred to as LiTFSA), LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and LiClO 4 and the like, and LiTFSA is preferably used. Two or more such supporting salts may be used in combination. Moreover, although the addition amount of the supporting salt with respect to a liquid electrolyte is not specifically limited, It is preferable to set it as about 0.1-1 mol / kg.

正極層及び負極層の間に配置される電解質層に含まれ得るポリマー電解質は、例えばイオン液体と共に用いることができ、リチウム塩及びポリマーを含有するものであることが好ましい。リチウム塩としては、例えば、上述した支持塩として用いられるリチウム塩等を用いることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。   The polymer electrolyte that can be contained in the electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer can be used together with, for example, an ionic liquid, and preferably contains a lithium salt and a polymer. As the lithium salt, for example, the lithium salt used as the support salt described above can be used. The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

正極層及び負極層の間に配置される電解質層に含まれ得るゲル電解質は、例えばイオン液体と共に用いることができ、リチウム塩とポリマーと非水溶媒とを含有するものであることが好ましい。リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば上述した有機溶媒を用いることができる。これらの非水溶媒は、一種のみを用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。   The gel electrolyte that can be included in the electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer can be used, for example, with an ionic liquid, and preferably contains a lithium salt, a polymer, and a nonaqueous solvent. The lithium salt described above can be used as the lithium salt. The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, the above-described organic solvents can be used. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled. Examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyurethane, polyacrylate, and cellulose. It is done.

正極層及び負極層の間に配置される電解質層に含まれ得る固体電解質材料としては、全固体電池の固体電解質として利用可能な材料を用いることができ、上述した正極層中に含まれる固体電解質材料のいずれかまたはそれらの組み合わせを用いることができ、好ましくは正極層中に含まれる固体電解質材料と同じ固体電解質材料を用いることができる。   As the solid electrolyte material that can be included in the electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, a material that can be used as a solid electrolyte of an all-solid battery can be used, and the solid electrolyte included in the positive electrode layer described above. Any of the materials or a combination thereof can be used, and preferably the same solid electrolyte material as the solid electrolyte material contained in the positive electrode layer can be used.

本発明に係る金属空気電池に含まれる電解質層は、セパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布、ポリフェニレンスルフィド製不織布等の高分子不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂等の微多孔フィルム、またはこれらの組み合わせを用いることができる。例えば、液体電解質等をセパレータに含浸させて電解質層を形成してもよい。   The electrolyte layer included in the metal-air battery according to the present invention may include a separator. Although it does not specifically limit as a separator, For example, polymer nonwoven fabrics, such as a nonwoven fabric made from a polypropylene, a nonwoven fabric made from a polyphenylene sulfide, microporous films, such as olefin resin, such as polyethylene and a polypropylene, or these combinations can be used. For example, the electrolyte layer may be formed by impregnating a separator with a liquid electrolyte or the like.

本発明に係る金属空気電池に含まれる負極層は、金属を含む負極活物質を含有する層である。負極活物質としては、金属、合金材料、または炭素材料等を用いることができ、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属、アルミニウム等の第13族元素、亜鉛、鉄、銀等の遷移金属、これらの金属を含有する合金材料、若しくはこれらの金属を含有する材料、またはグラファイト等の炭素材料、さらにはリチウムイオン電池等に用いられ得る負極材料等が挙げられる。   The negative electrode layer included in the metal-air battery according to the present invention is a layer containing a negative electrode active material containing a metal. As the negative electrode active material, a metal, an alloy material, a carbon material, or the like can be used. For example, an alkali metal such as lithium, sodium, or potassium, an alkaline earth metal such as magnesium or calcium, or a Group 13 element such as aluminum Transition metals such as zinc, iron, silver, alloy materials containing these metals, materials containing these metals, carbon materials such as graphite, and negative electrode materials that can be used for lithium ion batteries, etc. Can be mentioned.

また、負極活物質としてリチウムを含有する材料を用いる場合、リチウムを含有する材料としては、リチウムの炭素質物、リチウム元素を含む合金、またはリチウム元素を含む酸化物、窒化物、若しくは硫化物を用いることができる。リチウム元素を含む合金としては、例えば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等を挙げることができる。リチウム元素を含む金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含む金属窒化物としては、例えば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等を挙げることができる。   When a material containing lithium is used as the negative electrode active material, a lithium-containing material, an alloy containing lithium element, or an oxide, nitride, or sulfide containing lithium element is used as the material containing lithium. be able to. Examples of the alloy containing lithium element include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Examples of the metal oxide containing lithium element include lithium titanium oxide. Examples of the metal nitride containing lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride.

負極層は、導電材及び/またはバインダーをさらに含有してもよい。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極層とすることができ、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及びバインダーを有する負極層とすることができる。なお、導電材及びバインダーについては、上述の正極層に用いられ得る炭素材料及びバインダーと同様のものを用いることができる。   The negative electrode layer may further contain a conductive material and / or a binder. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, it can be a negative electrode layer containing only the negative electrode active material, and when the negative electrode active material is in a powder form, the negative electrode layer has a negative electrode active material and a binder. be able to. In addition, about a electrically conductive material and a binder, the thing similar to the carbon material and binder which can be used for the above-mentioned positive electrode layer can be used.

本発明に係る金属空気電池に用いられ得る外装材としては、金属缶、樹脂、ラミネートパック等、空気電池の外装材として通常用いられる材料を使用することができる。   As an exterior material that can be used for the metal-air battery according to the present invention, a material that is usually used as an exterior material for an air battery, such as a metal can, a resin, or a laminate pack, can be used.

外装材には、酸素を供給するための孔を、任意の位置に設けることができ、例えば、正極層の空気との接触面に向かって設けることができる。酸素源としては、乾燥空気または純酸素が好ましい。   The exterior material can be provided with a hole for supplying oxygen at an arbitrary position, for example, toward the contact surface of the positive electrode layer with air. As the oxygen source, dry air or pure oxygen is preferable.

本発明に係る金属空気電池は酸素透過膜を含むことができる。酸素透過膜は、例えば正極層上であって酸素供給側に配置され得る。酸素透過膜としては、空気中の酸素を透過させ、かつ水分の進入を防止できる撥水性の多孔質膜等を用いることができ、例えば、ポリエステルやポリフェニレンサルファイド等の多孔質膜を用いることができる。撥水膜を別途配置してもよい。   The metal-air battery according to the present invention may include an oxygen permeable membrane. The oxygen permeable membrane may be disposed on the oxygen supply side, for example, on the positive electrode layer. As the oxygen permeable membrane, a water-repellent porous membrane that allows oxygen in the air to permeate and prevents moisture from entering can be used. For example, a porous membrane such as polyester or polyphenylene sulfide can be used. . A water repellent film may be provided separately.

正極層に隣接して正極集電体を配置することができる。正極集電体は、通常、正極層上であって、酸素供給側に配置され得るが、正極層と電解質層との間にも配置してもよい。正極集電体としては、カーボンペーパー、金属メッシュ等の多孔質構造、網目状構造、繊維、不織布等、従来から集電体として用いられる材料であれば特に限定されず用いることができ、例えば、SUS、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン等から形成した金属メッシュを用いることができる。正極集電体として、酸素供給孔を有する金属箔を用いることもできる。   A positive electrode current collector can be disposed adjacent to the positive electrode layer. The positive electrode current collector is usually on the positive electrode layer and can be disposed on the oxygen supply side, but may be disposed between the positive electrode layer and the electrolyte layer. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a material conventionally used as a current collector, such as a carbon paper, a porous structure such as a metal mesh, a network structure, a fiber, a nonwoven fabric, etc. A metal mesh formed from SUS, nickel, aluminum, iron, titanium, or the like can be used. A metal foil having oxygen supply holes can also be used as the positive electrode current collector.

負極層に隣接して負極集電体を配置することができる。負極集電体としては、多孔質構造の導電性基板、無孔の金属箔等、従来から負極集電体として用いられる材料であれば特に限定されず用いることができ、例えば、銅、SUS、ニッケル等から形成した金属箔を用いることができる。   A negative electrode current collector can be disposed adjacent to the negative electrode layer. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is a material conventionally used as a negative electrode current collector, such as a conductive substrate having a porous structure, a non-porous metal foil, etc. For example, copper, SUS, A metal foil formed from nickel or the like can be used.

本発明に係る金属空気電池の形状は、酸素取り込み孔を有する形状であれば特に限定されず、円筒型、角型、ボタン型、コイン型、または扁平型等、所望の形状をとることができる。   The shape of the metal-air battery according to the present invention is not particularly limited as long as it has an oxygen uptake hole, and can take a desired shape such as a cylindrical shape, a square shape, a button shape, a coin shape, or a flat shape. .

本発明に係る金属空気電池は、二次電池として使用することができるものであるが、一次電池として使用してもよい。   The metal-air battery according to the present invention can be used as a secondary battery, but may be used as a primary battery.

本発明に係る金属空気電池に含まれる正極層及び負極層の形成は、従来行われている任意の方法で行うことができる。例えば、カーボン粒子、固体電解質粒子、及びバインダーを含む正極層を形成する場合、所定量のカーボン粒子、固体電解質粒子、及びバインダーに適量のエタノール等の溶媒を加えて混合し、得られた混合物をロールプレスで所定の厚みに圧延して、乾燥及び切断して正極層を形成することができる。次いで、正極集電体を圧着し、加熱真空乾燥して、集電体を組み合わせた正極層を得ることができる。   Formation of the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the metal-air battery according to the present invention can be performed by any conventional method. For example, when forming a positive electrode layer containing carbon particles, solid electrolyte particles, and a binder, a predetermined amount of carbon particles, solid electrolyte particles, and a binder are mixed with an appropriate amount of a solvent such as ethanol, and the resulting mixture is mixed. The positive electrode layer can be formed by rolling to a predetermined thickness with a roll press, drying and cutting. Next, the positive electrode current collector is pressure-bonded and heated and vacuum dried to obtain a positive electrode layer in which the current collector is combined.

別法として、所定量のカーボン粒子、固体電解質粒子、及びバインダーに適量の溶媒を加えて混合してスラリーを得て、スラリーを基材上に塗工及び乾燥を行って正極層を得ることができる。所望により得られた正極層をプレス成形してもよい。スラリーを得るための溶媒としては、沸点が200℃以下のアセトン、NMP等を用いることができる。正極層の基材上にスラリーを塗工するプロセスとしては、ドクターブレード法、グラビヤ転写法、インクジェット法等が挙げられる。用いられる基材は、特に制限されるものではなく、集電体として用いる集電板、フィルム状の柔軟性を有する基材、硬質基材等を用いることができ、例えばSUS箔、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、テフロン(登録商標)等の基材を用いることができる。負極層の形成方法についても同様である。   Alternatively, a predetermined amount of carbon particles, solid electrolyte particles, and a binder can be mixed with an appropriate amount of solvent to obtain a slurry, and the slurry is coated on a substrate and dried to obtain a positive electrode layer. it can. The positive electrode layer obtained as desired may be press-molded. As a solvent for obtaining the slurry, acetone, NMP or the like having a boiling point of 200 ° C. or less can be used. Examples of the process for applying the slurry onto the base material of the positive electrode layer include a doctor blade method, a gravure transfer method, and an ink jet method. The base material used is not particularly limited, and a current collector plate used as a current collector, a base material having film-like flexibility, a hard base material, and the like can be used. For example, SUS foil, polyethylene terephthalate ( A substrate such as PET) film or Teflon (registered trademark) can be used. The same applies to the method of forming the negative electrode layer.

(セルの作製)
(実施例1)
質量比で44.5wt%のケッチェンブラック(KB)(ECP−600JD、ケッチェンブラックインターナショナル製)、33.3wt%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー(F−104、ダイキン製)、22.2wt%のLi7La3Zr212(LLZO)(日本ガイシ株式会社製)の粉末、並びに溶媒として適量のエタノールを混合して、混合物を得た。得られた混合物をロールプレスにて圧延し、乾燥及び切断し、直径18mmφ、厚み75μmの第1の層を作製した。
(Production of cell)
Example 1
22. 44.5 wt% Ketjen Black (KB) (ECP-600JD, manufactured by Ketjen Black International), 33.3 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE) binder (F-104, manufactured by Daikin) A 2 wt% Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) (manufactured by NGK Corporation) powder and an appropriate amount of ethanol as a solvent were mixed to obtain a mixture. The obtained mixture was rolled with a roll press, dried and cut to produce a first layer having a diameter of 18 mmφ and a thickness of 75 μm.

質量比で40.0wt%のケッチェンブラック(KB)(ECP−600JD、ケッチェンブラックインターナショナル製)、30.0wt%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー(F−104、ダイキン製)、30.0wt%のLi7La3Zr212(LLZO)(日本ガイシ株式会社製)の粉末、並びに溶媒として適量のエタノールを混合して、混合物を得た。得られた混合物をロールプレスにて圧延し、乾燥及び切断し、直径18mmφ、厚み75μmの第2の層を作製した。 30. Ketjen black (KB) (ECP-600JD, manufactured by Ketjenblack International) having a mass ratio of 40.0 wt%, 30.0 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE) binder (F-104, manufactured by Daikin), 30. A powder of 0 wt% Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) (manufactured by NGK Corporation) and an appropriate amount of ethanol as a solvent were mixed to obtain a mixture. The obtained mixture was rolled with a roll press, dried and cut to produce a second layer having a diameter of 18 mmφ and a thickness of 75 μm.

SUS304製100メッシュ(ニラコ社製)を正極集電体として用いて、第1の層、第2の層、及び正極集電体の順番で積層したものを圧着し、次いで加熱真空乾燥を行い、厚み150μmの正極層を形成しつつ、正極層に正極集電体を組み合わせた。   Using SUS304 100 mesh (manufactured by Niraco) as the positive electrode current collector, the first layer, the second layer, and the positive electrode current collector laminated in this order are pressure-bonded, and then heated and vacuum dried. A positive electrode current collector was combined with the positive electrode layer while forming a positive electrode layer having a thickness of 150 μm.

N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(DEMETFSA、関東化学製)を溶媒として、リチウム塩であるリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSA、キシダ化学製)を0.35mol/kgの濃度になるように、25℃にて12時間、Ar雰囲気下で混合して溶解させて、電解液を調製した。   N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (DEMETFSA, manufactured by Kanto Chemical) is used as a solvent, and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide ( LiTFSA (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was mixed and dissolved in an Ar atmosphere at 25 ° C. for 12 hours to a concentration of 0.35 mol / kg to prepare an electrolyte solution.

負極層として、直径22mmφ、厚み500μmの金属リチウム箔(本城金属製)を用意し、その表面に直径22mm、厚み2cmのSUS304板(ニラコ社製)の負極集電体に貼り付けた。   As a negative electrode layer, a metal lithium foil (made by Honjo Metal) having a diameter of 22 mmφ and a thickness of 500 μm was prepared, and attached to a negative electrode current collector of a SUS304 plate (manufactured by Niraco) having a diameter of 22 mm and a thickness of 2 cm.

図3に示すように、Ar雰囲気下で、正極層と負極層とが電気的に絶縁するように間に絶縁樹脂が介在している金属製の密閉容器9に、負極集電体が下側になるようにして負極集電体7及び負極層3を配置し、負極層3の上にセパレータとして厚み40μm、直径28mmφのポリプロピレン製不織布を配置し、100マイクロリットルの調製した電解液を注入してセパレータに含浸させて電解質層2を形成し、次いで正極(空気極)層1中の空隙にも電解液が浸透するように正極層1及び正極集電体6を組み付けて、ガス溜め部8を備えた評価用電気化学セル10を作製した。   As shown in FIG. 3, the negative electrode current collector is placed on the lower side in a metal sealed container 9 in which an insulating resin is interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer so that the positive electrode layer and the negative electrode layer are electrically insulated. The negative electrode current collector 7 and the negative electrode layer 3 were arranged so that a polypropylene nonwoven fabric having a thickness of 40 μm and a diameter of 28 mmφ was arranged on the negative electrode layer 3 as a separator, and 100 μl of the prepared electrolyte was injected. The separator is impregnated to form the electrolyte layer 2, and then the positive electrode layer 1 and the positive electrode current collector 6 are assembled so that the electrolyte solution penetrates into the voids in the positive electrode (air electrode) layer 1. The electrochemical cell 10 for evaluation provided with this was produced.

次いで、電気化学セル10をガス置換コック付のガラスデシケーター(500mL仕様)に入れて、ガラスデシケーター中の雰囲気を、純酸素(大陽日酸、99.9%)を用いて酸素雰囲気に置換した。   Next, the electrochemical cell 10 was placed in a glass desiccator (500 mL specification) with a gas replacement cock, and the atmosphere in the glass desiccator was replaced with an oxygen atmosphere using pure oxygen (Taiyo Nippon Sanso, 99.9%). .

(比較例1)
40.0質量%のケッチェンブラック(KB)、30.0質量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー、30.0質量%のLi7La3Zr212(LLZO)粉末、及び溶媒として適量のエタノールを用いて第1の層を作製して、第1の層及び第2の層を組み合わせて正極層を得たこと以外は、実施例1と同様にして評価用セルを作製し、ガラスデシケーターに入れて、ガラスデシケーター中の雰囲気を、酸素雰囲気に置換した。
(Comparative Example 1)
40.0 wt% of ketjen black (KB), 30.0 wt% of polytetrafluoroethylene (PTFE) binder, 30.0 wt% Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) powder, and a solvent An evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first layer was prepared using an appropriate amount of ethanol, and the positive electrode layer was obtained by combining the first layer and the second layer. In the glass desiccator, the atmosphere in the glass desiccator was replaced with an oxygen atmosphere.

(比較例2)
36.3質量%のケッチェンブラック(KB)、27.3質量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー、36.4質量%のLi7La3Zr212(LLZO)粉末、及び溶媒として適量のエタノールを用いて第1の層を作製して、第1の層及び第2の層を組み合わせて正極層を得たこと以外は、実施例1と同様にして評価用セルを作製し、ガラスデシケーターに入れて、ガラスデシケーター中の雰囲気を、酸素雰囲気に置換した。
(Comparative Example 2)
36.3 wt% Ketjen Black (KB), 27.3 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE) binder, 36.4 wt% Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) powder, and solvent An evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first layer was prepared using an appropriate amount of ethanol, and the positive electrode layer was obtained by combining the first layer and the second layer. In the glass desiccator, the atmosphere in the glass desiccator was replaced with an oxygen atmosphere.

(比較例3)
50.0質量%のケッチェンブラック(KB)、37.5質量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー、12.5質量%のLi7La3Zr212(LLZO)粉末、及び溶媒として適量のエタノールを用いて第1の層を作製して、第1の層及び第2の層を組み合わせて正極層を得たこと以外は、実施例1と同様にして評価用セルを作製し、ガラスデシケーターに入れて、ガラスデシケーター中の雰囲気を、酸素雰囲気に置換した。
(Comparative Example 3)
50.0 wt% of ketjen black (KB), 37.5 wt% of polytetrafluoroethylene (PTFE) binder, 12.5 wt% Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) powder, and a solvent An evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first layer was prepared using an appropriate amount of ethanol, and the positive electrode layer was obtained by combining the first layer and the second layer. In the glass desiccator, the atmosphere in the glass desiccator was replaced with an oxygen atmosphere.

(比較例4)
40質量%のケッチェンブラック(KB)、30質量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー、30質量%のLi7La3Zr212(LLZO)粉末、及び溶媒として適量のエタノールを用いて、図2に示すような厚み150μmの1層からなる正極層を得たこと以外は、実施例1と同様にして評価用セルを作製し、ガラスデシケーターに入れて、ガラスデシケーター中の雰囲気を、酸素雰囲気に置換した。
(Comparative Example 4)
40% by weight ketjen black (KB), 30% by weight polytetrafluoroethylene (PTFE) binder, 30% by weight Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) powder, and an appropriate amount of ethanol as a solvent Except that a positive electrode layer having a thickness of 150 μm as shown in FIG. 2 was obtained, an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1, put in a glass desiccator, and the atmosphere in the glass desiccator was changed. The atmosphere was replaced with an oxygen atmosphere.

(放電試験)
実施例1及び比較例1〜4で作製したガラスデシケーターに入れた評価用セルを、試験開始前に60℃の恒温槽にて3時間静置した。次いで、マルチチャンネルポテンショスタット/ガルバノスタットVMP3(Bio−Logic社製)充放電I−V測定装置を用いて、60℃、純酸素、1気圧の条件下で、正極層の面積基準で0.1mA/cm2の放電電流密度で、セルの放電特性を測定した。
(Discharge test)
The evaluation cell placed in the glass desiccator prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was allowed to stand for 3 hours in a 60 ° C. thermostat before the start of the test. Then, using a multichannel potentiostat / galvanostat VMP3 (manufactured by Bio-Logic) charge / discharge IV measurement device, the area standard of the positive electrode layer is 0.1 mA under the conditions of 60 ° C., pure oxygen, and 1 atm. The discharge characteristics of the cell were measured at a discharge current density of / cm 2 .

図4に、実施例1及び比較例1〜4で作製したセルの、セル電圧が2.3Vになったときの放電容量を示す。   FIG. 4 shows the discharge capacity when the cell voltage of the cells produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 is 2.3V.

表1に、実施例1及び比較例1〜4における、第1の層及び第2の層の組成、第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率、及びセルの放電容量を示す。   Table 1 shows the composition of the first layer and the second layer in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, and the content of the solid electrolyte contained in the second layer relative to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer. The ratio of the content ratio and the discharge capacity of the cell are shown.

Figure 2014075269
Figure 2014075269

図4において、丸印は実施例1及び比較例1〜3のデータに対応し、三角印は比較例4のデータに対応する。また、波線で示した曲線は、実施例1及び比較例1〜3のデータについてフィッティングした最小自乗法による2次式近似曲線である。   In FIG. 4, circles correspond to the data of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, and triangles correspond to the data of Comparative Example 4. Moreover, the curve shown with the wavy line is the quadratic approximate curve by the least square method fitted to the data of Example 1 and Comparative Examples 1-3.

第1の層に含まれる固体電解質の含有割合に対する第2の層に含まれる固体電解質の含有割合の比率が1より大きく2.1以下の範囲で、従来よりも高い放電容量を得ることができた。また、比較例4で作製したセルの放電容量は比較例1で作製したセルの放電容量と同等であった。   When the ratio of the content of the solid electrolyte contained in the second layer to the content of the solid electrolyte contained in the first layer is greater than 1 and less than or equal to 2.1, it is possible to obtain a higher discharge capacity than before. It was. Further, the discharge capacity of the cell produced in Comparative Example 4 was equivalent to the discharge capacity of the cell produced in Comparative Example 1.

1 正極層
2 電解質層
3 負極層
6 正極集電体
7 負極集電体
8 ガス溜め部
9 密閉容器
10 電気化学セル
11 第1の層
12 第2の層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode layer 2 Electrolyte layer 3 Negative electrode layer 6 Positive electrode collector 7 Negative electrode collector 8 Gas reservoir part 9 Sealed container 10 Electrochemical cell 11 1st layer 12 2nd layer

Claims (8)

正極層、負極層、並びに前記正極層及び負極層の間に配置される電解質層を含む金属空気電池であって、
前記正極層が、前記電解質層側に配置される第1の層と、前記電解質層側とは反対側に配置される第2の層とを備え、
前記第1の層及び第2の層がそれぞれ、固体電解質と炭素材料とを含み、
前記第1の層に含まれる前記固体電解質の含有割合に対する前記第2の層に含まれる前記固体電解質の含有割合の比率が、1より大きく2.1以下である、
金属空気電池。
A metal-air battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The positive electrode layer includes a first layer disposed on the electrolyte layer side, and a second layer disposed on the opposite side of the electrolyte layer side,
Each of the first layer and the second layer includes a solid electrolyte and a carbon material;
The ratio of the content ratio of the solid electrolyte contained in the second layer to the content ratio of the solid electrolyte contained in the first layer is greater than 1 and 2.1 or less.
Metal-air battery.
前記第1の層及び第2の層に含まれる前記固体電解質が、Li7La3Zr212(LLZO)である、請求項1に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte contained in the first layer and the second layer is Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO). 前記電解質層がセパレータを含む、請求項1または2に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 1, wherein the electrolyte layer includes a separator. 前記負極層がリチウムを含有する材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 1, wherein the negative electrode layer includes a material containing lithium. 前記電解質層が、イオン液体を含む液体電解質を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrolyte layer includes a liquid electrolyte containing an ionic liquid. 前記イオン液体が、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(DEMETFSA)、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(PP13TFSA)、またはそれらの組み合わせである、請求項5に記載の金属空気電池。   The ionic liquid is N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (DEMETFSA), N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl). 6. The metal-air battery of claim 5, which is amide (PP13TFSA), or a combination thereof. 前記液体電解質がリチウム含有金属塩を含む、請求項5または6に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 5 or 6, wherein the liquid electrolyte includes a lithium-containing metal salt. 前記リチウム含有金属塩がリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSA)である、請求項7に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 7, wherein the lithium-containing metal salt is lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (LiTFSA).
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