JP2004063345A - Air battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make an air battery as an electrode fixed-type secondary battery having superior charging and discharging cycle stability. <P>SOLUTION: This air battery uses oxygen in the air in a positive electrode active material, an active carbon, a carbon nano-tube or a graphite nano-fiber having a specific surface area of 800m<SP>2</SP>/g or more is used in a negative electrode 2, and an aqueous solution mainly composed of alkali metal phosphate or alkali metal borate is used in the electrolyte. The adsorption and releasing of H<SP>+</SP>occurs on a surface of the negative electrode 2 in charging and discharging, here, the charge is accumulated and released to an electric double layer formed on an interface of a surface of the negative electrode 2 and the electrolyte. In discharging, H<SB>2</SB>O is produced by the reaction of OH<SP>-</SP>supplied from the air pole 9 and the H<SP>+</SP>supplied from the negative electrode. Further the charging is performed by utilizing the decomposition reaction of the water. The negative electrode active material is chemically stable, so that the electrolyte is hardly deteriorated by carbon dioxide, and the secondary battery having superior cycle stability can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電が可能な空気電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
空気電池は、一般的に正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として金属を用いる電池を総称するものであり、空気中の酸素を電池内に取り込むための空気極には触媒作用を有する多孔質炭素材料、多孔質金属材料、もしくは両者の複合材料が使用され、負極活物質には亜鉛、鉄あるいはアルミニウム、そして電解液には30%前後の水酸化カリウム水溶液、塩化アンモニウム溶液もしくは塩化亜鉛溶液が使用される電池である。これらは、負極活物質の違いによりそれぞれ空気−亜鉛電池、空気−鉄電池、空気−アルミニウム電池と呼ばれている。
【0003】
空気電池の特徴は、高エネルギー密度であるという点である。空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を使用するため電池内に正極活物質を充填しておく必要がなく、通常の電池では正極活物質の充填に使用されている空間にも負極活物質を充填できるのがその理由である。空気電池の放電では、空気中のO2 は空気極の触媒作用でOH− として電解液に溶け込み負極活物質と反応し起電力を発生する。
【0004】
現在、一般に市販されている空気電池は、空気−亜鉛電池のみであるが、すべてコイン型の一次電池であり、補聴器用やポケットベル用として利用されている。
1970年代には、電気自動車用電源への利用を目的として、空気電池の二次電池化が研究されたが実用に至らなかった。空気−亜鉛電池で二次電池化が困難だった理由は、
(1)負極活物質である亜鉛が充電時にデンドライト成長を起こすため短絡を生ずる、
(2)充放電効率が悪い、
(3)電解液が大気中の二酸化炭素吸収によって劣化する、
(4)空気極に使用している炭素材料が酸化消耗してしまう
など解決すべき課題が多かったためである。
【0005】
負極の亜鉛デンドライト防止に関しては、放電終了後に亜鉛極を新しいものと交換する機械式充電と呼ばれる電極交換型の二次電池が開発されている。さらに亜鉛粉末を電解液とともに循環し、放電生成物である水酸化亜鉛や酸化亜鉛の還元を外部で行い、再び電池内に戻す方式も検討されている。
一方、電解液の二酸化炭素吸収による劣化に関しては、効果的な改善手法が開発されていない。
【0006】
さらに、空気極の酸化消耗の防止に関しては、三電極方式と呼ばれる技術が開発されている。この方式は、放電では多孔質炭素材料が使用され、充電では非酸化性の多孔質金属材料が使用されるように通電回路が自動で切り替わる方式である。
また、空気極へWC、Coなど酸素過電圧を低下させる物質を添加したり、La0.5 Sr0.5 CoO3 のような耐酸化性のある触媒を添加する方法も開発されているが、いずれにおいても電極固定式で二次電池化を目指した解決手段ではない。
【0007】
なお、空気−鉄電池および空気−アルミニウム電池の二次電池も試作されたが、以下に記述する理由から実用に至っていない。
空気−鉄電池は、亜鉛のようにデンドライト発生の問題がなく、エネルギー密度が大きい反面、寿命が短く、電解液の定期交換が必要とされる。
空気−アルミニウム電池は、水溶液系電解液では充電不可能なために基本的に機械的充電以外に二次電池化が困難である。
【0008】
最近、特開2001−313093号で化学的に安定な活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバーを使用することで充電可能な空気電池が提案されたが、電解液にアルカリ金属水酸化物水溶液を使用しているため、大気中の二酸化炭素吸収による劣化が原因で長期間のサイクル安定が得られない欠点があった。
【0009】
二酸化炭素吸収による劣化は、水溶液中でアルカリ金属イオンが二酸化炭素と結合してアルカリ金属炭酸塩を析出することに起因している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境に対する配慮からクリーンな電気エネルギーが求められているが、空気電池が電極固定式で二次電池化されることは、電気自動車のみならず補聴器用電源としても非常に好ましい。大電流密度充電が可能ならば、用途はより一層広がるものと考えられが、空気電池の電解液は大気中の二酸化炭素を吸収することで徐々にイオン伝導度が低下し、最終的に内部抵抗の増大によって充放電時の電圧降下が大きくなり、実用レベルのサイクル安定性を示す空気電池は未だ完成されていない。
【0011】
本発明は、空気電池の二次電池化における上記課題を解決するものであって、電極固定式で、サイクル安定性に優れ、大電流密度充電が可能な空気電池を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気電池は、正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として800m2 /g以上の比表面積を有する活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバー、電解液にアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液を使用することにより上記課題を解決している。
【0013】
従来の空気電池の放電では、空気極で大気中のO2 がOH− に還元され、電解液中でOH− が負極の金属と反応して金属水酸化物になる。
このときの空気極と負極における反応式は、次の通りである。
空気極:
2 +2H2 O+4e− →4OH− ・・・・・・(1)
負 極:
2M+4OH− →2M(OH)2 +4e− ・・・(2)
(Mは2価金属と仮定)
上記反応式に関して、視点を負極に置くと、負極の金属が水中で酸化される時にH+ が発生し、H+ が空気極で生成したOH− と反応し減極されると考えることができる。
【0014】
すなわち反応式は次の通りである。
空気極:
2 +2H2 O+4H+ +4e− →4OH− +4H+ →4H2 O・・(3)
負 極:
2M+4H2 O→2M(OH)2 +4H+ +4e− ・・・・・・・・(4)
(Mは2価金属と仮定)
したがって空気電池を二次電池化するために、負極活物質はH+ 吸蔵性もしくは吸着性を有し、なおかつアルカリ性水溶液と化学反応を起こさない材料が最適である。
【0015】
これらの条件を満たす材料は、活性炭、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバーである。そしてこれら材料は、比表面積が800m2 /g以上でなければならない。比表面積が800m2 /gより小さい場合にはH+ の吸着量が小さすぎ、実用的な放電容量が得られない。比表面積は一般的に大きいほど好ましい。
【0016】
本発明の空気電池は、基本的にO2 のレドックス反応に対して触媒作用を有する空気極、比表面積が800m2 /g以上の活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバーを使用した負極、空気極と負極を分けるセパレーター、そしてアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液で調製される電解液で構成した後、最初に充電を行う。
【0017】
充電では負に分極した活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバー表面に水の分解によって生成したH+ が吸着し、これら炭素材料表面と電解液との固液界面に形成される電気二重層に電荷が蓄積される。このとき、空気極からはO2 が発生し、大気中へ放出される。一方、放電ではH+ が炭素材料表面から離脱し、空気極で生成したOH− と反応し水が生成する。この時、電気二重層に蓄積されていた電荷は放出される。
【0018】
この反応は次の反応式に示すように水の分解、生成反応である。
+ +OH− ⇔H2 O・・・・(5)
活性炭は、炭素質を水蒸気、二酸化炭素あるいは塩化亜鉛、水酸化カリウムなどと反応させることにより賦活させ、微細孔が発達した構造となっているが、原料および賦活条件によって比表面積、細孔分布、表面性状が大きく変化するので、電池性能が向上する品質の物を適宜選択する。一般にフェノール樹脂を原料として調製した活性炭は高い比表面積を有する。形状は、繊維状、球状、粒状のいずれでも良い。充電でH+ は微細孔内に吸着され、電気二重層に電荷が蓄積する。
【0019】
カーボンナノチューブは、炭化水素を原料とした気相成長、炭素電極を使用したアーク放電あるいはSiCの真空加熱などによって生成され、炭素網面一層から数十層のシートが筒状に結合した形状となっている。単層(一層)チューブは直径1.2nm位であり、比表面積は理論的に3000m2 /g以上になる。充電でH+ はチューブ内面あるいは外面に吸着され、電気二重層に電荷が蓄積する。
【0020】
グラファイトナノファイバーは、エチレンなどを金属触媒上で熱分解したとき生成する直径100nm程度の繊維状炭素で、繊維表面に黒鉛結晶のa面あるいはb面が非常に多く露出した構造である。H+ は黒鉛結晶層間に吸着され、電気二重層に電荷が蓄積する。
活性炭、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーはH+ の吸着、放出の際に化学変化を伴わない。したがって大電流密度充電が可能であり、高いサイクル安定性を有する電池を作製するために重要な負極活物質である。
【0021】
空気極には、充電時に発生する活性なO2 によって酸化消耗しない耐酸化性を有する材料を使用し、O2 を大気中へ速やかに放出させることのできる高いガス透過性を有する電極構造が必要である。この条件に適した電極材料としては、触媒を担持したカーボンがある。カーボンに担持された触媒で反応式(1)で表される4電子還元が速い速度で進行し、カーボンの酸化消耗も防止できる。一方、高いガス透過性を可能にするためには、多孔質構造とする必要があり、その際電解液の漏液を防止するため撥水性が付与されなければならない。
【0022】
空気極の一例としては、白金担持活性炭粒子をポリテトラフルオロエチレンで結着したシートがあり、シートを保持するためステンレスなどの耐酸化性の優れた金属網に圧着して使用する。
触媒としては、白金の他、銀、二酸化マンガン、ニッケル−コバルト複合酸化物、フタロシアニン系化合物、WC、Co、FeWO4 、NiS、Co(OH)2 、Ni(OH)2 、La0.5 Sr0.5 CoO3 、Pr0.2 Ca0.8 Mn0.1 Fe0.9 3 、La0.8 Rb0.2 MnO3 などが知られており、これらを単独もしくは組み合わせて使用できるが、これらに限るものではない。
【0023】
またカーボンとしては、活性炭以外にカーボンブラックなどが適当である。ただしカーボンブラックは製法によって性質が異なり、例えば疎水性が強いアセチレンブラックは空気極のガス供給部分、疎水性が弱いカーボンブラックは酸化還元反応部分に使用すると良い。
カーボンの代わりに導電性酸化物を使用すれば酸化消耗は防止可能であるが、大きな比表面積が得られがたく、比抵抗がカーボンより大きいため電池性能は低下する。導電性酸化物としては、SnO2 、Fe3 4 、RuO2 、MnO2 、LaNiO3 などが挙げられる。
【0024】
電解液には、アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液を使用するが、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内いずれかの水溶液、あるいはリン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内のいずれかと、水酸化カリウム、水酸化リチウムまたは水酸化リチウムの混合水溶液を使用するのが適している。
【0025】
リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウムホウ酸ナトリウムおよびホウ酸リチウムとしては、以下のような塩が一般的に知られている。
ピロリン酸カリウム(K4 2 7 )、第三リン酸カリウム(K3 PO4 )、リン酸水素二カリウム(K2 HPO4 )、リン酸二水素カリウム(KH2 PO4 )、ピロリン酸ナトリウム(Na4 2 7 )、第三リン酸ナトリウム(Na3 PO4 )、リン酸水素二ナトリウム(Na2 HPO4 )、リン酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 )、第三リン酸リチウム(Li3 PO4 )、リン酸水素二リチウム(Li2 HPO4 )、リン酸二水素リチウム(LiH2 PO4 )、メタホウ酸カリウム(K2 2 4 )、四ホウ酸カリウム(K2 4 7 )、五ホウ酸カリウム(KB5 8 )、六ホウ酸カリウム(K2 6 10)、八ホウ酸カリウム(K2 8 13)、メタホウ酸ナトリウム(Na2 2 4 )、四ホウ酸ナトリウム(Na2 4 7 )、五ホウ酸ナトリウム(NaB5 8 )、六ホウ酸ナトリウム(Na2 6 10)、八ホウ酸ナトリウム(Na2 8 13)、二ホウ酸ナトリウム(Na4 2 5 )、メタホウ酸リチウム(Li2 2 4 )、四ホウ酸リチウム(Li2 4 7 )、五ホウ酸リチウム(LiB5 8 )、過ホウ酸リチウム(Li2 2 5 )などが挙げられるが、これら以外の塩の存在も示唆されている。
【0026】
上記塩の中では、リン酸水素二カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二リチウムは、その水溶液が弱酸性を示し、本発明の空気電池には適さない。またアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩の中でリン酸フランシウム、リン酸セシウム、リン酸ルビジウム、ホウ酸フランシウム、ホウ酸セシウム、ホウ酸ルビジウムは、一般的に高価であり、電池用の電解質としては有用ではない。
【0027】
従来の空気電池の電解液には、一般的にイオン伝導度が高い水酸化カリウム水溶液が使用されており、本発明の空気電池にも当然適用可能であるが、二次電池の場合には使用期間が長期に渡るため電解液が大気中の二酸化酸素を吸収し劣化する。水酸化カリウム水溶液以外の塩化アンモニウム、塩化亜鉛など弱酸性電解液は二酸化炭素吸収の影響がないという特徴があるが、出力密度が低く、充電時は塩素ガスを発生するので使用できない。
【0028】
それに対しアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩の多くは、その水溶液が加水分解によってアルカリ性を示すが、同濃度のアルカリ金属水酸化物水溶液と比較すると弱アルカリ性を示すものが多く、大気の二酸化炭素分圧(101Pa)では二酸化炭素による劣化が抑制される。
例えば、ピロリン酸カリウムを使用したときの反応式は次の通りである。
【0029】
ピロリン酸カリウムは、比較的加水分解し難い塩であり、水中で徐々にリン酸水素二カリウム水溶液になる。
4 2 7 +H2 O→2K2 HPO4 ・・・・(6)
リン酸水素二カリウム水溶液は、大気の二酸化炭素分圧(101Pa)下で、二酸化炭素との反応に関する標準自由エネルギー変化ΔGが正となり、アルカリ炭酸塩の析出は起こらない。
【0030】
2K2 HPO4 +CO2 +H2 O←2KH2 PO4 +K2 CO3 ・・・(7)
ただし、実際の水溶液中において、アルカリ金属リン酸塩およびアルカリ金属ホウ酸塩のイオン状態は複雑であり、式(6)および(7)は、代表的な反応を簡略し示したものである。
ここで例に挙げたピロリン酸カリウムは、溶解度が大きく、最適な電解質塩の一つである。
【0031】
塩濃度は、少なくとも室温で塩が析出しない濃度を選択するが、溶解度が小さい塩を使用すると電解液のイオン伝導度が低いため大電流密度充電ができず、電池の用途は大幅に制限される。
このため、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内いずれかに水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムを適量混合した水溶液を使用する。この水溶液の使用によってイオン伝導度が改善され、さらに二酸化炭素吸収による劣化はアルカリ金属水酸化物を使用する場合よりも緩和され、高イオン伝導度を有する電解液とすることが可能である。一般的には水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムを全電解質塩の5〜50質量%とするが、塩の種類によってイオン伝導度、化学的安定性は異なるので、電池が最も良好な特性を示す塩の組み合わせおよび混合比率は任意に求める必要がある。
【0032】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の一形態である空気電池の構成図である。
この空気電池は、空気孔8を設けたステンレス製の正極容器4に、空気拡散用不織布5、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6、集電網7を設けた空気極9、セパレーター用セロハン10、負極2、負極容器1を重ね合わせ、正極容器4と負極容器1との間をガスケット3で封止した構成となっている。
【0033】
負極2には、800m2 /g以上の比表面積を有する活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバーを使用する。いずれの材料も4.9×107 Pa以上で所定の形状にプレス成形した後、電解液に1h以上浸漬し、表面を十分濡らしておく。電解液は加圧含浸させても構わない。また形状を維持するために、ポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤を使用することに関しては何ら問題はないが、炭素材料表面を完全に被覆する結着剤は放電容量低下を引き起こすので使用できない。ただし活性炭織布の場合は、所定の大きさに切断し、電解液に浸漬した後そのまま使用する。
【0034】
空気極9は、木、大鋸屑やフェノール樹脂などを原料として低酸素雰囲気で焼成することによって得られる炭素質を水蒸気または二酸化炭素導入下で、あるいは塩化亜鉛、水酸化カリウムなどと混合した後、500〜1000℃で賦活し調製された活性炭に白金、二酸化マンガンなどの触媒を担持したものが最適である。その粒径は100μm以下で、比表面積は200〜1000m2 /gが適当であるが、これに限るものではない。白金、二酸化マンガンなどの触媒は、塩化白金あるいは硫酸マンガンなどの塩類をあらかじめ活性炭に含浸させ、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガス気流中で加熱分解することによって担持する。
【0035】
触媒を担持した活性炭は、繊維状、球状、粒状のいずれにおいても結着剤としてポリテトラフルオロエチレンなどを質量比で5〜10%混合した後、150℃で圧延ロールし、100μmのシート状に加工する。結着剤は、アルカリリン酸塩、アルカリホウ酸塩水溶液およびアルカリ金属水酸化物水溶液に対して耐食性があり、電気化学的に安定な材料である必要があるが粒子を完全に覆ってしまうようなものは使用できない。また、結着剤の混合比は、シートの形状が維持される範囲でできるだけ小さくなるようにすることが必要である。シート状に加工した活性炭は、ニッケル、ステンレスなどの集電網7(目開き150μm)に4.9×107 Pa以上で圧着し空気極9とする。
【0036】
この空気極9の集電網7側には多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6を密着させ、大気からのO2 取り込み量を制御しながら電解液の漏液防止も行う。さらに、空気極全体へO2 を均一に供給するため、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6の上にはポリプロピレン製の空気拡散用不織布5を重ね合わせる。
電解液は、例えばピロリン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウムまたはピロリン酸リチウムの5〜50%水溶液あるいはピロリン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸リチウムの内いずれかと水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムとの組み合わせで5〜50%水溶液を使用する。塩濃度は、電池の特性改善を考慮して任意に変更する。ただし、あまり希薄な溶液はイオン伝導度が低下し、大電流密度充電を不可能にするので避けなければならない。
【0037】
なお、上記各構成部材は、電池性能を低下させない範囲で変更可能である。
【0038】
【実施例】
〔実施例1〕
負極2には、フェノール樹脂を原料に使用して調製された比表面積1500m2 /gを有する活性炭織布からφ18mm×厚さ0.4mmのシートを切り出し、40%ピロリン酸カリウム水溶液に1h浸漬したものを使用した。
【0039】
空気極9は、ヤシガラを原料とした炭素質を水蒸気を導入下、900℃で賦活した活性炭で、触媒として白金と二酸化マンガンを担持した物を使用した。触媒を担持した活性炭の平均粒径は90μmで、比表面積は1000m2 /gであった。この活性炭にポリテトラフルオロエチレンを質量比で5%混合した後、150℃で圧延ロールし、100μmの厚みでシート状に加工した。
【0040】
シート状に加工した活性炭をφ18mmに切断し、ステンレス製集電網7(目開き150μm)に4.9×107 Paで圧着し空気極9とした。この空気極9の集電網7側にはポリテトラフルオロエチレン膜6を密着させ、その上にポリプロピレン製の不織布を重ね合わせた。
電解液は、ピロリン酸カリウム水溶液を使用した。
【0041】
以上の負極2、空気極9、電解液を使用し、図1に示す通り、空気孔8を設けたステンレス製の正極容器4に、空気拡散用不織布5、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6、集電網7を設けた空気極9、セパレーター用セロハン10、負極2、負極容器1の順で重ね合わせ、空気電池を構成した。
空気電池は、0〜1.45Vの範囲で充電電流10mA、放電電流1mAの充放電を繰り返し行い、サイクル安定性を調べた。
【0042】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、10mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例2〕
負極に使用した活性炭不織布の比表面積が、800m2 /gであること以外、実施例1と同様に空気電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0043】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、4mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例3〕
電解液に50%リン酸水素二カリウム水溶液を使用する以外、実施例1と同様に空気電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0044】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、9mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例4〕
電解液に20%四ホウ酸カリウム水溶液を使用する以外、実施例1と同様に空気電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0045】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、8mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例5〕
電解液に5%リン酸水素二リチウム水溶液を使用する以外、実施例1と同様に空気電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0046】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、5mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例6〕
電解液に20%四ホウ酸カリウムと10%水酸化カリウムの混合水溶液を使用する以外、実施例1と同様に空気電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0047】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、10mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の99%を維持していた。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、空気電池を、電極固定式で、サイクル安定性に優れ、大電流充電が可能な二次電池とすることができ、電気自動車のみならず補聴器用電源として環境に対してクリーンな電気エネルギーを供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態である空気電池の構成図である。
【図2】実施例1から実施例6における空気電池の放電容量のサイクル変化を示す図である。
【符号の説明】
1   負極容器
2   負極
3   ガスケット
4   正極容器
5   空気拡散用不織布
6   多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜
7   集電網
8   空気孔
9   空気極
10  セパレーター用セロハン
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a chargeable air battery.
[0002]
[Prior art]
An air battery generally refers to a battery using oxygen in the air as a positive electrode active material and a metal as a negative electrode active material, and the air electrode for taking oxygen in the air into the battery has a catalytic action. A porous carbon material, a porous metal material, or a composite material of both are used. The negative electrode active material is zinc, iron or aluminum, and the electrolyte is about 30% potassium hydroxide aqueous solution, ammonium chloride solution or zinc chloride. The battery in which the solution is used. These are called air-zinc batteries, air-iron batteries, and air-aluminum batteries, respectively, depending on the difference in the negative electrode active material.
[0003]
A feature of the air battery is that it has a high energy density. An air battery uses oxygen in the air as the positive electrode active material, so there is no need to fill the battery with the positive electrode active material.In a normal battery, the negative electrode active space is also used in the space used to fill the positive electrode active material. The reason is that the substance can be filled. In the discharge of the air battery, O 2 in the air is dissolved in the electrolyte as OH − by the catalytic action of the air electrode and reacts with the negative electrode active material to generate an electromotive force.
[0004]
Currently, the only commercially available air batteries are air-zinc batteries, but all are coin-type primary batteries, which are used for hearing aids and pagers.
In the 1970's, research on the conversion of an air battery to a secondary battery was conducted for the purpose of use as a power source for electric vehicles, but was not practical. The reason that it was difficult to make a secondary battery with an air-zinc battery is that
(1) A short circuit occurs because zinc as the negative electrode active material causes dendrite growth during charging.
(2) poor charge / discharge efficiency,
(3) the electrolyte is deteriorated by absorption of carbon dioxide in the atmosphere;
(4) There are many problems to be solved, such as the carbon material used for the air electrode being oxidized and consumed.
[0005]
Regarding the prevention of zinc dendrite on the negative electrode, an electrode-exchange-type secondary battery called mechanical charging in which the zinc electrode is replaced with a new one after the discharge is completed has been developed. Further, a method of circulating zinc powder together with an electrolytic solution to externally reduce zinc hydroxide or zinc oxide as a discharge product and returning the zinc oxide and zinc oxide to the inside of the battery has also been studied.
On the other hand, no effective improvement method has been developed for the deterioration due to carbon dioxide absorption of the electrolytic solution.
[0006]
Further, with respect to the prevention of oxidative consumption of the air electrode, a technique called a three-electrode method has been developed. This method is a method in which an energization circuit is automatically switched so that a porous carbon material is used for discharging and a non-oxidizing porous metal material is used for charging.
Also, a method of adding a substance that reduces oxygen overvoltage such as WC or Co to the air electrode, or a method of adding an oxidation-resistant catalyst such as La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 has been developed. In any case, this is not a solution aiming at a secondary battery with a fixed electrode.
[0007]
In addition, secondary batteries such as an air-iron battery and an air-aluminum battery were also prototyped, but have not been put into practical use for the reasons described below.
An air-iron battery does not have the problem of dendrite generation unlike zinc and has a large energy density, but has a short life and requires periodic replacement of an electrolyte.
Since an air-aluminum battery cannot be charged with an aqueous electrolyte solution, it is basically difficult to make a secondary battery other than mechanical charging.
[0008]
Recently, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-313093, an air battery that can be charged by using chemically stable activated carbon, carbon nanotube, or graphite nanofiber has been proposed. However, an alkaline metal hydroxide aqueous solution is used as an electrolyte. Therefore, there is a disadvantage that long-term cycle stability cannot be obtained due to deterioration due to absorption of carbon dioxide in the atmosphere.
[0009]
The deterioration due to carbon dioxide absorption is caused by the fact that alkali metal ions combine with carbon dioxide in an aqueous solution to precipitate alkali metal carbonate.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, clean electric energy has been demanded for environmental considerations. However, it is very preferable that the air battery is a secondary battery with a fixed electrode, not only for an electric vehicle but also for a hearing aid. If high-current-density charging is possible, the application will be further expanded.However, the electrolyte of the air battery gradually absorbs carbon dioxide in the atmosphere, causing a gradual decrease in ionic conductivity and ultimately an internal resistance. As a result, the voltage drop at the time of charging and discharging increases, and an air cell exhibiting a practical level of cycle stability has not yet been completed.
[0011]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in converting an air battery into a secondary battery, and to provide an air battery that has a fixed electrode, has excellent cycle stability, and can be charged with a large current density. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The air battery of the present invention comprises oxygen in the air as a positive electrode active material, activated carbon having a specific surface area of 800 m 2 / g or more as a negative electrode active material, carbon nanotubes or graphite nanofibers, and an alkali metal phosphate or an alkali metal as an electrolyte. The above problem has been solved by using an aqueous solution containing a borate as a main component.
[0013]
In the discharge of a conventional air battery, O 2 in the atmosphere is reduced to OH at the air electrode, and OH reacts with the metal of the negative electrode in the electrolyte to form a metal hydroxide.
The reaction formula at the air electrode and the negative electrode at this time is as follows.
Cathode:
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (1)
Negative pole:
2M + 4OH → 2M (OH) 2 + 4e (2)
(Assuming M is a divalent metal)
With respect to the above reaction formula, placing the viewpoint to the negative electrode, H + is generated when the negative electrode metal is oxidized in water, H + is OH generated in the air electrode - can be considered to be depolarized reacted with .
[0014]
That is, the reaction formula is as follows.
Cathode:
O 2 + 2H 2 O + 4H + + 4e → 4OH + 4H + → 4H 2 O (3)
Negative pole:
2M + 4H 2 O → 2M (OH) 2 + 4H + + 4e (4)
(Assuming M is a divalent metal)
Therefore, in order to make the air battery a secondary battery, the material for the negative electrode active material that has H + storage properties or adsorptivity and that does not cause a chemical reaction with the alkaline aqueous solution is optimal.
[0015]
Materials satisfying these conditions are activated carbon, carbon nanotubes, and graphite nanofibers. These materials must have a specific surface area of 800 m 2 / g or more. If the specific surface area is less than 800 m 2 / g, the amount of H + adsorbed is too small, and a practical discharge capacity cannot be obtained. Generally, the larger the specific surface area, the better.
[0016]
The air battery according to the present invention is basically composed of an air electrode having a catalytic action on a redox reaction of O 2 , an active carbon having a specific surface area of 800 m 2 / g or more, a negative electrode using carbon nanotube or graphite nanofiber, and an air electrode. After being composed of a separator for separating the negative electrode and an electrolytic solution prepared with an aqueous solution mainly containing an alkali metal phosphate or an alkali metal borate, charging is performed first.
[0017]
During charging, H + generated by the decomposition of water is adsorbed on the surface of negatively polarized activated carbon, carbon nanotubes or graphite nanofibers, and the electric double layer formed at the solid-liquid interface between the surface of the carbon material and the electrolytic solution is charged. Stored. At this time, O 2 is generated from the air electrode and released into the atmosphere. On the other hand, in the discharge, H + is released from the surface of the carbon material and reacts with OH generated at the air electrode to generate water. At this time, the charges stored in the electric double layer are released.
[0018]
This reaction is a decomposition and generation reaction of water as shown in the following reaction formula.
H + + OH - ⇔H 2 O ···· (5)
Activated carbon is activated by reacting carbonaceous material with water vapor, carbon dioxide or zinc chloride, potassium hydroxide, etc., and has a structure in which micropores have been developed.The specific surface area, pore distribution, Since the surface properties greatly change, a material having a quality that improves the battery performance is appropriately selected. Generally, activated carbon prepared from a phenol resin has a high specific surface area. The shape may be any of fibrous, spherical, and granular. Upon charging, H + is adsorbed in the micropores, and charges are accumulated in the electric double layer.
[0019]
Carbon nanotubes are produced by vapor-phase growth using hydrocarbon as a raw material, arc discharge using carbon electrodes, or vacuum heating of SiC, etc. ing. The single-layer (single-layer) tube has a diameter of about 1.2 nm, and the specific surface area is theoretically 3000 m 2 / g or more. Upon charging, H + is adsorbed on the inner surface or outer surface of the tube, and charges are accumulated in the electric double layer.
[0020]
Graphite nanofibers are fibrous carbons having a diameter of about 100 nm generated when ethylene or the like is thermally decomposed on a metal catalyst, and have a structure in which the a-plane or b-plane of graphite crystals is extremely exposed on the fiber surface. H + is adsorbed between graphite crystal layers, and charges are accumulated in the electric double layer.
Activated carbon, carbon nanotubes or carbon nanofibers do not undergo a chemical change when H + is adsorbed and released. Therefore, it is a negative electrode active material which can be charged at a large current density and is important for producing a battery having high cycle stability.
[0021]
The air electrode must be made of an oxidation-resistant material that is not oxidized and consumed by active O 2 generated during charging, and must have an electrode structure with high gas permeability that can quickly release O 2 into the atmosphere. It is. An electrode material suitable for this condition is carbon carrying a catalyst. The four-electron reduction represented by the reaction formula (1) proceeds at a high speed with the catalyst supported on carbon, and the oxidation and consumption of carbon can be prevented. On the other hand, in order to enable high gas permeability, it is necessary to have a porous structure, and at this time, water repellency must be imparted to prevent leakage of the electrolyte.
[0022]
As an example of the air electrode, there is a sheet in which activated carbon particles carrying platinum are bound with polytetrafluoroethylene. In order to hold the sheet, it is used by being pressed against a metal net having excellent oxidation resistance such as stainless steel.
As the catalyst, other platinum, silver, manganese dioxide, nickel - cobalt composite oxide, phthalocyanine compounds, WC, Co, FeWO 4, NiS, Co (OH) 2, Ni (OH) 2, La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 , Pr 0.2 Ca 0.8 Mn 0.1 Fe 0.9 O 3 , La 0.8 Rb 0.2 MnO 3 and the like are known, and these can be used alone or in combination. However, it is not limited to these.
[0023]
As the carbon, carbon black or the like is suitable other than activated carbon. However, carbon black has different properties depending on the manufacturing method. For example, acetylene black having high hydrophobicity is preferably used for a gas supply portion of an air electrode, and carbon black having low hydrophobicity is preferably used for a redox reaction portion.
If a conductive oxide is used in place of carbon, oxidative consumption can be prevented, but a large specific surface area is difficult to obtain, and the battery performance is reduced because the specific resistance is larger than carbon. Examples of the conductive oxide include SnO 2 , Fe 3 O 4 , RuO 2 , MnO 2 , and LaNiO 3 .
[0024]
As the electrolyte, an aqueous solution containing an alkali metal phosphate or an alkali metal borate as a main component is used. Potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate are used. Of any of the following, or a mixture of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate with potassium hydroxide, lithium hydroxide, or lithium hydroxide Suitably, an aqueous solution is used.
[0025]
The following salts are generally known as potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate and lithium borate.
Potassium pyrophosphate (K 4 P 2 O 7 ), potassium tertiary phosphate (K 3 PO 4 ), dipotassium hydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), pyrophosphoric acid Sodium (Na 4 P 2 O 7 ), tribasic sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), disodium hydrogen phosphate (Na 2 HPO 4 ), sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ), tertiary phosphoric acid Lithium (Li 3 PO 4 ), dilithium hydrogen phosphate (Li 2 HPO 4 ), lithium dihydrogen phosphate (LiH 2 PO 4 ), potassium metaborate (K 2 B 2 O 4 ), potassium tetraborate (K 2 B 4 O 7), potassium pentaborate (KB 5 O 8), potassium hexaborate acid (K 2 B 6 O 10) , potassium eight borate (K 2 B 8 O 13) , sodium metaborate (Na 2 B 2 O 4 ), sodium tetraborate (Na 2 B 4 O 7 ), sodium pentaborate (NaB 5 O 8 ), sodium hexaborate (Na 2 B 6 O 10 ), octaborate Sodium (Na 2 B 8 O 13 ), sodium diborate (Na 4 B 2 O 5 ), lithium metaborate (Li 2 B 2 O 4 ), lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ), pentaborate Examples thereof include lithium acid (LiB 5 O 8 ) and lithium perborate (Li 2 B 2 O 5 ), and the presence of a salt other than these is also suggested.
[0026]
Among the above salts, dipotassium hydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, and dilithium hydrogen phosphate are not suitable for the air battery of the present invention because their aqueous solutions show weak acidity. Also, among alkali metal phosphates or alkali metal borates, francium phosphate, cesium phosphate, rubidium phosphate, francium borate, cesium borate, rubidium borate are generally expensive, and are used for batteries. It is not useful as an electrolyte.
[0027]
As a conventional air battery electrolyte, a potassium hydroxide aqueous solution having a high ionic conductivity is generally used, and it is naturally applicable to the air battery of the present invention. Since the period is long, the electrolyte absorbs oxygen dioxide in the atmosphere and deteriorates. Weakly acidic electrolytes other than aqueous potassium hydroxide, such as ammonium chloride and zinc chloride, are characterized by being free from carbon dioxide absorption, but cannot be used because they have low output density and generate chlorine gas during charging.
[0028]
In contrast, many alkali metal phosphates or alkali metal borates have an aqueous solution that is alkaline due to hydrolysis, but many of them show weak alkalinity as compared with an alkali metal hydroxide aqueous solution of the same concentration. At carbon dioxide partial pressure (101 Pa), deterioration due to carbon dioxide is suppressed.
For example, the reaction formula when potassium pyrophosphate is used is as follows.
[0029]
Potassium pyrophosphate is a salt that is relatively difficult to hydrolyze, and gradually becomes an aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate in water.
K 4 P 2 O 7 + H 2 O → 2K 2 HPO 4 (6)
In the aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate, the standard free energy change ΔG for the reaction with carbon dioxide becomes positive under the partial pressure of carbon dioxide in the atmosphere (101 Pa), and the precipitation of alkali carbonate does not occur.
[0030]
2K 2 HPO 4 + CO 2 + H 2 O ← 2 KH 2 PO 4 + K 2 CO 3 (7)
However, in an actual aqueous solution, the ionic state of the alkali metal phosphate and the alkali metal borate is complicated, and the equations (6) and (7) are simplified representations of typical reactions.
The potassium pyrophosphate exemplified here has high solubility and is one of the most suitable electrolyte salts.
[0031]
For the salt concentration, select a concentration at which no salt precipitates at least at room temperature. However, if a salt with low solubility is used, the ionic conductivity of the electrolyte is low, so that high current density charging cannot be performed, and the application of the battery is greatly limited. .
Therefore, an aqueous solution in which potassium hydroxide, sodium hydroxide, or lithium hydroxide is appropriately mixed with any of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate is used. . By using this aqueous solution, the ionic conductivity is improved, and deterioration due to carbon dioxide absorption is alleviated as compared with the case where an alkali metal hydroxide is used, so that an electrolytic solution having high ionic conductivity can be obtained. Generally, potassium hydroxide, sodium hydroxide or lithium hydroxide is used in an amount of 5 to 50% by mass of the total electrolyte salt, but the ionic conductivity and the chemical stability vary depending on the type of the salt. It is necessary to arbitrarily determine the combination and mixing ratio of the salt exhibiting the characteristics.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of an air battery according to an embodiment of the present invention.
This air battery includes a stainless steel positive electrode container 4 provided with air holes 8, an air diffusion nonwoven fabric 5, a porous polytetrafluoroethylene film 6, an air electrode 9 provided with a current collecting network 7, a cellophane 10 for a separator, and a negative electrode. 2. The negative electrode container 1 is overlapped, and the space between the positive electrode container 4 and the negative electrode container 1 is sealed with a gasket 3.
[0033]
Activated carbon, carbon nanotube or graphite nanofiber having a specific surface area of 800 m 2 / g or more is used for the negative electrode 2. Each material is press-molded into a predetermined shape at 4.9 × 10 7 Pa or more, and then immersed in an electrolytic solution for 1 h or more to sufficiently wet the surface. The electrolytic solution may be impregnated under pressure. Although there is no problem with using a binder such as polytetrafluoroethylene to maintain the shape, a binder that completely covers the surface of the carbon material cannot be used because it causes a decrease in discharge capacity. However, in the case of an activated carbon woven cloth, it is cut into a predetermined size, and is immersed in an electrolytic solution and used as it is.
[0034]
The air electrode 9 is formed by mixing carbonaceous material obtained by firing wood, sawdust, phenol resin, or the like in a low oxygen atmosphere under the introduction of steam or carbon dioxide, or after mixing with zinc chloride, potassium hydroxide, etc. Activated carbon prepared by activating at ~ 1000 ° C and carrying a catalyst such as platinum or manganese dioxide is optimal. The particle size is suitably 100 μm or less, and the specific surface area is suitably 200 to 1000 m 2 / g, but not limited thereto. A catalyst such as platinum and manganese dioxide is supported by impregnating activated carbon with a salt such as platinum chloride or manganese sulfate in advance and thermally decomposing in an inert gas stream such as nitrogen or argon.
[0035]
Activated carbon supporting a catalyst is prepared by mixing 5 to 10% by mass ratio of polytetrafluoroethylene or the like as a binder in any of fibrous, spherical, and granular forms, and then rolling at 150 ° C. to form a 100 μm sheet. Process. The binder must be corrosion resistant to alkali phosphate, alkali borate and alkali metal hydroxide solutions, and must be an electrochemically stable material, but will completely cover the particles. Can not be used. Further, it is necessary that the mixing ratio of the binder be as small as possible within a range where the shape of the sheet is maintained. The activated carbon formed into a sheet shape is pressed into a current collecting network 7 (aperture 150 μm) of nickel, stainless steel, or the like at 4.9 × 10 7 Pa or more to form an air electrode 9.
[0036]
A porous polytetrafluoroethylene film 6 is adhered to the current collecting network 7 side of the air electrode 9 to prevent electrolyte leakage while controlling the amount of O 2 taken in from the atmosphere. Further, in order to uniformly supply O 2 to the whole air electrode, a nonwoven fabric 5 for air diffusion made of polypropylene is superposed on the porous polytetrafluoroethylene film 6.
The electrolytic solution is, for example, a 5 to 50% aqueous solution of potassium pyrophosphate, sodium pyrophosphate or lithium pyrophosphate, or any one of potassium pyrophosphate, sodium pyrophosphate, and lithium pyrophosphate and potassium hydroxide, sodium hydroxide, or lithium hydroxide. Use a 5 to 50% aqueous solution. The salt concentration is arbitrarily changed in consideration of improvement in battery characteristics. However, very dilute solutions must be avoided because they reduce ionic conductivity and make high current density charging impossible.
[0037]
In addition, each of the above-mentioned components can be changed within a range that does not lower the battery performance.
[0038]
【Example】
[Example 1]
For the negative electrode 2, a sheet of φ18 mm × 0.4 mm thick was cut out from an activated carbon woven fabric having a specific surface area of 1500 m 2 / g prepared using a phenol resin as a raw material, and immersed in a 40% aqueous potassium pyrophosphate solution for 1 hour. One used.
[0039]
The air electrode 9 was activated carbon activated at 900 ° C. by introducing water vapor from coconut husk as a raw material, and used a catalyst carrying platinum and manganese dioxide as a catalyst. The activated carbon supporting the catalyst had an average particle size of 90 μm and a specific surface area of 1000 m 2 / g. After mixing 5% by mass of polytetrafluoroethylene with this activated carbon, it was rolled at 150 ° C. and processed into a sheet having a thickness of 100 μm.
[0040]
The activated carbon processed into a sheet shape was cut into φ18 mm, and pressed into a stainless steel current collector 7 (mesh opening 150 μm) at 4.9 × 10 7 Pa to form an air electrode 9. A polytetrafluoroethylene film 6 was adhered to the current collecting network 7 side of the air electrode 9, and a nonwoven fabric made of polypropylene was laminated thereon.
As the electrolytic solution, an aqueous solution of potassium pyrophosphate was used.
[0041]
Using the above negative electrode 2, air electrode 9, and electrolytic solution, a non-woven fabric for air diffusion 5, a porous polytetrafluoroethylene film 6, a stainless steel positive electrode container 4 provided with air holes 8 as shown in FIG. The air electrode 9 provided with the current collecting network 7, the cellophane for separator 10, the negative electrode 2, and the negative electrode container 1 were stacked in this order to form an air battery.
The air battery was repeatedly charged and discharged at a charging current of 10 mA and a discharging current of 1 mA in the range of 0 to 1.45 V, and the cycle stability was examined.
[0042]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 10 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 2]
Except that the specific surface area of the activated carbon nonwoven fabric used for the negative electrode was 800 m 2 / g, an air battery was constructed in the same manner as in Example 1, and the cycle stability was examined in the same manner.
[0043]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 4 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 3]
An air battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a 50% aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was examined in the same manner.
[0044]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 9 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 4]
An air battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a 20% aqueous solution of potassium tetraborate was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was examined in the same manner.
[0045]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 8 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 5]
An air battery was constructed in the same manner as in Example 1, except that a 5% aqueous solution of dilithium hydrogen phosphate was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was examined in the same manner.
[0046]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 5 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 6]
An air battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a mixed aqueous solution of 20% potassium tetraborate and 10% potassium hydroxide was used as the electrolytic solution, and cycle stability was examined in the same manner.
[0047]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 10 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 99% of the initial discharge capacity.
[0048]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an air battery can be made into a secondary battery which is a fixed electrode, is excellent in cycle stability, and can be charged with a large current, and is environmentally friendly as a power source for not only electric vehicles but also hearing aids. It is possible to supply a great amount of electrical energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an air battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cycle change of a discharge capacity of an air battery in Examples 1 to 6.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode container 2 Negative electrode 3 Gasket 4 Positive electrode container 5 Non-woven fabric for air diffusion 6 Porous polytetrafluoroethylene film 7 Current collection network 8 Air hole 9 Air electrode 10 Cellophane for separator

Claims (3)

正極活物質として空気中の酸素を使用し、負極活物質として800m2 /g以上の比表面積を有する活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバーを使用し、電解液にアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液を使用することを特徴とする空気電池。Oxygen in the air is used as a positive electrode active material, activated carbon, carbon nanotube or graphite nanofiber having a specific surface area of 800 m 2 / g or more is used as a negative electrode active material, and an alkali metal phosphate or an alkali metal borate is used as an electrolyte. An air battery using an aqueous solution containing an acid salt as a main component. アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液として、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムのいずれかの水溶液を使用することを特徴とする請求項1記載の空気電池。As an aqueous solution mainly containing an alkali metal phosphate or an alkali metal borate, an aqueous solution of any of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate is used. The air battery according to claim 1, wherein: アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液として、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内のいずれかと、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムの混合水溶液を使用することを特徴とする請求項1記載の空気電池。As an aqueous solution containing an alkali metal phosphate or an alkali metal borate as a main component, any one of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate, The air battery according to claim 1, wherein a mixed aqueous solution of potassium, sodium hydroxide or lithium hydroxide is used.
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