JP2007214114A - Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell - Google Patents
Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007214114A JP2007214114A JP2006349301A JP2006349301A JP2007214114A JP 2007214114 A JP2007214114 A JP 2007214114A JP 2006349301 A JP2006349301 A JP 2006349301A JP 2006349301 A JP2006349301 A JP 2006349301A JP 2007214114 A JP2007214114 A JP 2007214114A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- air
- catalyst
- binder
- fluorine compound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y02E60/128—
Landscapes
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Description
本発明は、酸素を活物質として作用させる空気極を備えた空気電池、特に空気極の改良に関するものである。 The present invention relates to an air battery equipped with an air electrode that allows oxygen to act as an active material, and particularly to an improvement of the air electrode.
空気電池に用いられる空気極は、触媒層、集電体及び撥水膜から構成される。触媒層内部では酸素の還元反応が進行する。触媒層は、酸素還元触媒、酸素還元による生成物の分解作用を有する助触媒、導電材料、及びバインダから構成されるのが一般的である。酸素還元触媒としては、カーボン材料が用いられることが多く、例えば、活性炭やグラファイト、あるいはカーボンブラックが挙げられる。助触媒は、一般的にマンガン酸化物が用いられる。酸素還元触媒と助触媒は、導電性カーボンと混合され、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素樹脂バインダによって結着される。フッ素樹脂バインダは、撥水剤としての機能をも有する。集電体は、触媒層を保持し、電子伝達の役目を担う。撥水膜は、PTFEなど、撥水性を有する高分子の多孔膜が用いられ、電解液が触媒層を通過して空気極の外へ漏出するのを防止する役目を担う。また、撥水膜は、触媒層へ空気を供給するための細孔を有する。 An air electrode used in an air battery is composed of a catalyst layer, a current collector, and a water repellent film. The oxygen reduction reaction proceeds inside the catalyst layer. The catalyst layer is generally composed of an oxygen reduction catalyst, a cocatalyst having an action of decomposing a product by oxygen reduction, a conductive material, and a binder. As the oxygen reduction catalyst, a carbon material is often used, and examples thereof include activated carbon, graphite, and carbon black. As the promoter, manganese oxide is generally used. The oxygen reduction catalyst and the cocatalyst are mixed with conductive carbon and bound by a fluororesin binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE). The fluororesin binder also has a function as a water repellent. The current collector holds the catalyst layer and plays a role of electron transfer. As the water repellent film, a porous polymer film having water repellency such as PTFE is used and plays a role of preventing the electrolyte solution from leaking out of the air electrode through the catalyst layer. The water repellent film has pores for supplying air to the catalyst layer.
触媒層内部における酸素還元反応は、固相である触媒、液相である電解液、及び気相である空気の三相の表面が互いに接触した境界面(三相界面)において進行すると考えられている。従って、三相界面の面積を多くするほど、あるいは単位時間当たりに三相界面へ空気が供給される効率を向上させるほど、空気極の出力特性を向上させることができる。 The oxygen reduction reaction inside the catalyst layer is thought to proceed at the interface (three-phase interface) where the three-phase surfaces of the solid-phase catalyst, the liquid-phase electrolyte, and the gas-phase air contact each other. Yes. Therefore, the output characteristics of the air electrode can be improved as the area of the three-phase interface is increased or the efficiency of supplying air to the three-phase interface per unit time is improved.
空気極の出力特性を向上させる試みとしては、例えば、特許文献1に示されるように、触媒層の撥水膜側に導電性撥水層を設け、触媒層のフッ素樹脂バインダの配合比を最適化することで、三相界面の面積を増大させる方法が挙げられる。また、特許文献2に示されるように、触媒層の空隙率を30〜60%とすることで、単位時間当たりに三相界面へ空気が供給される効率を向上させる方法が挙げられる。また、特許文献3に示されるように、触媒層を空隙率の異なる2層で形成し、撥水膜側に隣接する触媒層の空隙率を小さくし、負極側に隣接する触媒層の空隙率を大きくすることで、単位時間当たりに三相界面へ空気が供給される効率を向上させる方法が挙げられる。
しかしながら、特許文献1に示される、触媒層の撥水膜側に導電性撥水層を設け、触媒層のフッ素樹脂バインダの配合比を最適化する方法では、三相界面の面積を増大させるために、フッ素樹脂バインダの配合比を減少させる必要がある。フッ素樹脂バインダの配合比を減少させると、触媒層は電解液に濡れやすくなり、触媒層内部へ電解液が浸透する速度が大きくなる。そのため、常温で長期保存したり、高温で保存したりすると、触媒層内部へ電解液が浸透してしまう。そのため、保存後の電池は、放電電圧が低下するという保存特性低下の問題が生じる。 However, in the method disclosed in Patent Document 1 in which a conductive water repellent layer is provided on the water repellent film side of the catalyst layer and the blending ratio of the fluororesin binder in the catalyst layer is optimized, the area of the three-phase interface is increased. In addition, it is necessary to reduce the blending ratio of the fluororesin binder. When the blending ratio of the fluororesin binder is decreased, the catalyst layer is easily wetted with the electrolytic solution, and the rate at which the electrolytic solution penetrates into the catalyst layer is increased. Therefore, if it preserve | saves for a long time at normal temperature, or preserve | saves at high temperature, electrolyte solution will osmose | permeate inside a catalyst layer. For this reason, the battery after storage has a problem of deterioration in storage characteristics in which the discharge voltage decreases.
また、特許文献2に示されるように、触媒層の空隙率を30〜60%とすることで空気供給効率を向上させる方法では、単位時間当たりに触媒層内部へ供給される酸素量が増大されるのと同時に、水蒸気や二酸化炭素も触媒層へ導入されやすくなる。従って、軽負荷放電のような長期放電において、水蒸気や二酸化炭素の影響がより顕著に現れ、放電容量あるいは放電持続時間が減少するという問題が生じる。
Further, as shown in
また、特許文献3に示されるような方法では、水蒸気や二酸化炭素の影響を低減するために、撥水膜側に隣接する触媒層の空隙率を小さくした影響により、単位時間当たりに三相界面へ空気が供給される効率は、撥水膜側に隣接する触媒層の空隙率に依存することとなり、出力を大幅に向上させることができないという問題が生じる。 Further, in the method as shown in Patent Document 3, in order to reduce the influence of water vapor and carbon dioxide, the effect of reducing the porosity of the catalyst layer adjacent to the water-repellent film side causes a three-phase interface per unit time. The efficiency with which the air is supplied depends on the porosity of the catalyst layer adjacent to the water-repellent film side, which causes a problem that the output cannot be significantly improved.
さらに、特許文献1及び特許文献3に共通する課題として、触媒層を空隙率の異なる2層で形成させることは、空気極の製造工程を複雑にし、また空気電池の生産効率を低下させることが挙げられる。 Furthermore, as a problem common to Patent Document 1 and Patent Document 3, forming the catalyst layer with two layers having different porosity may complicate the air electrode manufacturing process and reduce the production efficiency of the air battery. Can be mentioned.
本発明は、以上に鑑み、空気極の触媒層の三相界面を安定に保持することにより、重負荷放電特性及び保存特性に優れた空気電池を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an air battery excellent in heavy load discharge characteristics and storage characteristics by stably holding the three-phase interface of the catalyst layer of the air electrode.
以上のような課題を解決するために、本発明の空気電池は、触媒層、集電体、及び撥水膜から構成される空気極を備え、前記触媒層が非ポリマー性フッ素化合物を含有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the air battery of the present invention includes an air electrode composed of a catalyst layer, a current collector, and a water repellent film, and the catalyst layer contains a non-polymeric fluorine compound. It is characterized by that.
本発明の空気極は、その触媒層が非ポリマー性フッ素化合物を含有することにより、触媒層の撥水性が高まり、触媒層の電解液に対する濡れ性が低下する。このため、触媒層内部へ電解液が浸透する速度が減少し、空気電池の保存特性を向上させることができる。さらに、撥水性が高く、かつ空隙率が大きな触媒層を形成することが可能なため、保存特性の低下を来たすことなく、重負荷放電特性を向上させることができる。 In the air electrode of the present invention, when the catalyst layer contains a non-polymeric fluorine compound, the water repellency of the catalyst layer increases and the wettability of the catalyst layer with respect to the electrolyte solution decreases. For this reason, the speed | rate in which an electrolyte solution osmose | permeates the inside of a catalyst layer reduces, and the preservation | save characteristic of an air battery can be improved. Furthermore, since it is possible to form a catalyst layer having high water repellency and a large porosity, it is possible to improve heavy load discharge characteristics without deteriorating storage characteristics.
本発明によると、撥水性が高く、かつ空隙率が大きな触媒層を具備する空気極を得ることができ、保存特性及び重負荷放電特性に優れた空気電池を提供することができる。 According to the present invention, an air electrode having a catalyst layer having high water repellency and a large porosity can be obtained, and an air battery excellent in storage characteristics and heavy load discharge characteristics can be provided.
本発明の空気電池は、上記のように、触媒層と、集電体と、撥水膜とから構成される空気極を備える空気電池であって、前記触媒層が非ポリマー性フッ素化合物を含有する。非ポリマー性フッ素化合物が触媒層へ含有されることにより、触媒層の電解液に対する濡れ性が低下し、触媒層内部へ電解液が浸透する速度が減少する効果が得られる。従って、触媒層へ含有させる非ポリマー性フッ素化合物の配合量を制御し、触媒層内部へ電解液が浸透する速度を減少させることで、保存時に触媒層内の三相界面の面積が減少するのを抑制することができる。したがって、長期保存後や高温保存後における放電電圧の低下を抑制することが可能である。 As described above, the air battery of the present invention is an air battery including an air electrode composed of a catalyst layer, a current collector, and a water repellent film, and the catalyst layer contains a non-polymeric fluorine compound. To do. By containing the non-polymeric fluorine compound in the catalyst layer, the wettability of the catalyst layer with respect to the electrolyte solution is reduced, and the effect of reducing the rate of penetration of the electrolyte solution into the catalyst layer is obtained. Therefore, the area of the three-phase interface in the catalyst layer is reduced during storage by controlling the amount of the non-polymeric fluorine compound contained in the catalyst layer and reducing the rate at which the electrolyte penetrates into the catalyst layer. Can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in discharge voltage after long-term storage or after high-temperature storage.
本発明の触媒層は、酸素還元触媒、酸素還元による生成物を分解する作用を有する助触媒、導電材、およびバインダを含む通常の触媒層に、さらに非ポリマー性フッ素化合物を含有する。この触媒層の好ましい組成は、酸素還元触媒15〜50wt%、助触媒15〜35wt%、導電材5〜15wt%、バインダ1〜45%、非ポリマー性フッ素化合物0.5〜50wt%である。 The catalyst layer of the present invention further contains a non-polymeric fluorine compound in an ordinary catalyst layer containing an oxygen reduction catalyst, a cocatalyst having an action of decomposing a product of oxygen reduction, a conductive material, and a binder. The preferable composition of this catalyst layer is 15-50 wt% of oxygen reduction catalyst, 15-35 wt% of cocatalyst, 5-15 wt% of conductive material, 1-45% of binder, and 0.5-50 wt% of non-polymeric fluorine compound.
非ポリマー性フッ素化合物は、撥水性が高く、鱗片状、球状、あるいは針状などの形状を有し、粉体として得られるものであればどのような形状及び組成でもよい。
好ましい非ポリマー性フッ素化合物は、フッ化黒鉛またはフッ化ピッチである。これらの非ポリマー性フッ素化合物は、他の触媒層構成材とともに混合及び練合する際、せん断力が加わることによって、非ポリマー性フッ素化合物の粒子が変形した場合でも、撥水性の低下が起こりにくい。
The non-polymeric fluorine compound has high water repellency, has a scaly shape, a spherical shape, or a needle shape, and may have any shape and composition as long as it is obtained as a powder.
Preferred non-polymeric fluorine compounds are fluorinated graphite or fluorinated pitch. When these non-polymeric fluorine compounds are mixed and kneaded with other catalyst layer constituent materials, even when the particles of the non-polymeric fluorine compound are deformed by applying a shearing force, the water repellency is unlikely to decrease. .
フッ化黒鉛は、黒鉛を直接フッ素化することで得られる。組成式は(CF)n、あるいは(C2F)n で表される。最適な組成は、CFx(0.5≦x≦1.0)であり、フッ素含有比率が低いほど、つまり炭素の含有比率が高いほど導電性が高い。また、フッ化ピッチは、ピッチを直接フッ素化することで得られる。組成式はCFx(x<1.6)で表される。ピッチをフッ素化する反応温度が低いほど、得られるフッ化ピッチのフッ素含有比率が小さくなる傾向がある。フッ化ピッチは、フッ化黒鉛と同様に、フッ素含有比率が低いほど、つまり炭素の含有比率が高いほど導電性が高い。これらの化合物は、撥水性が非常に高く、粉末や薄膜の状態において、水の接触角が145°以上となる超撥水性を示す。従って、非ポリマー性フッ素化合物を触媒層へ少量添加し、均一に分散させることにより、触媒層の撥水性が増大し、触媒層中へ電解液が浸透する速度が小さくなる。 Fluorinated graphite can be obtained by directly fluorinating graphite . The composition formula is represented by (CF) n or (C 2 F) n . The optimum composition is CF x (0.5 ≦ x ≦ 1.0), and the lower the fluorine content ratio, that is, the higher the carbon content ratio, the higher the conductivity. Further, the fluorinated pitch can be obtained by directly fluorinating the pitch. The composition formula is represented by CF x (x <1.6). The lower the reaction temperature for fluorinating the pitch, the smaller the fluorine content ratio of the resulting fluorinated pitch. The fluorinated pitch, like the fluorinated graphite, has higher conductivity as the fluorine content is lower, that is, as the carbon content is higher. These compounds have very high water repellency, and exhibit super water repellency with a water contact angle of 145 ° or more in the state of powder or thin film. Therefore, by adding a small amount of the non-polymeric fluorine compound to the catalyst layer and uniformly dispersing it, the water repellency of the catalyst layer is increased, and the rate of penetration of the electrolyte into the catalyst layer is reduced.
非ポリマー性フッ素化合物は、ボールミル等を用いて粒子を解砕することが可能であり、粒子径を小さくして用いる場合は、ボールミル等による粉砕処理を施してもよい。非ポリマー性フッ素化合物の平均粒子径は、0.5μm以上、30μm以下の範囲であることが好ましい。平均粒子径が0.5μm未満では、非ポリマー性フッ素化合物が粉体どうしで凝集しやすくなり、非ポリマー性フッ素化合物を触媒層中に均一に分散させるのが困難となる。30μmを越えると、触媒成分よりも粒子径が大きくなるため、触媒成分の反応を妨げ、放電特性が低下する可能性がある。 The non-polymeric fluorine compound can be pulverized using a ball mill or the like, and may be pulverized by a ball mill or the like when used with a small particle diameter. The average particle size of the non-polymeric fluorine compound is preferably in the range of 0.5 μm or more and 30 μm or less. When the average particle size is less than 0.5 μm, the non-polymeric fluorine compound tends to aggregate between the powders, and it becomes difficult to uniformly disperse the non-polymeric fluorine compound in the catalyst layer. If it exceeds 30 μm, the particle size becomes larger than that of the catalyst component, so that the reaction of the catalyst component is hindered and the discharge characteristics may be deteriorated.
また、触媒層中のバインダ含有量aに対する、非ポリマー性フッ素化合物含有量bの重量比(b/a)は、0.1〜11.5の範囲であることが好ましい。前記の比が0.1よりも小さい場合は、非ポリマー性フッ素化合物の表面の大部分がバインダで覆われてしまい、触媒層の撥水性が低下する。このため、触媒層の電解液に対する濡れ性を低下させる効果が少なくなる。一方、前記の比が11.5よりも大きい場合は、触媒層の撥水性が大きくなりすぎ、触媒層へ電解液が浸透しにくくなる。そのため、三相界面が十分に形成されなくなり、放電特性が低下してしまう。触媒層の撥水性を適度に維持することが可能な、b/aのより最適な範囲は、0.25〜3.0の範囲である。 The weight ratio (b / a) of the non-polymeric fluorine compound content b to the binder content a in the catalyst layer is preferably in the range of 0.1 to 11.5. When the ratio is smaller than 0.1, most of the surface of the non-polymeric fluorine compound is covered with the binder, and the water repellency of the catalyst layer is lowered. For this reason, the effect which reduces the wettability with respect to the electrolyte solution of a catalyst layer decreases. On the other hand, when the ratio is larger than 11.5, the water repellency of the catalyst layer becomes too large, and the electrolyte solution hardly penetrates into the catalyst layer. Therefore, the three-phase interface is not sufficiently formed, and the discharge characteristics are deteriorated. A more optimal range of b / a that can appropriately maintain the water repellency of the catalyst layer is in the range of 0.25 to 3.0.
触媒層の総重量に占める、バインダと非ポリマー性フッ素化合物の合計含有量は5〜50重量%の範囲であることが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、触媒層の撥水性が低下し、触媒層は電解液に対して濡れやすくなるため、保存特性が低下してしまう。50重量%よりも多い場合は、触媒層中の酸素還元触媒と助触媒の配合比率が少なくなり、酸素還元能力が低下するため、出力特性の低下が生じる。触媒層の撥水性を適度に維持し、かつ出力特性の低下が起こらないような、バインダと非ポリマー性フッ素化合物の合計含有量のより好ましい範囲は、触媒層の総重量に対して20〜45重量%である。 The total content of the binder and the non-polymeric fluorine compound in the total weight of the catalyst layer is preferably in the range of 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the water repellency of the catalyst layer is lowered, and the catalyst layer is easily wetted with the electrolytic solution. When the amount is more than 50% by weight, the blending ratio of the oxygen reduction catalyst and the co-catalyst in the catalyst layer is reduced, and the oxygen reduction ability is lowered, so that the output characteristics are lowered. A more preferable range of the total content of the binder and the non-polymeric fluorine compound that appropriately maintains the water repellency of the catalyst layer and does not cause a decrease in output characteristics is 20 to 45 with respect to the total weight of the catalyst layer. % By weight.
触媒層の空隙率は50〜80%であることが好ましい。ここで、触媒層の空隙率を大きくすることは、三相界面への空気供給効率を向上させ、重負荷放電特性を向上させる効果をもたらす。しかし、触媒層の空隙率増加は、触媒層内部へ電解液が浸透する速度を大きくするため、保存特性の低下を生じるという相反する効果をもたらす。 The porosity of the catalyst layer is preferably 50 to 80%. Here, increasing the porosity of the catalyst layer has the effect of improving the efficiency of supplying air to the three-phase interface and improving the heavy load discharge characteristics. However, an increase in the porosity of the catalyst layer increases the rate at which the electrolyte permeates into the catalyst layer, and thus has a contradictory effect of reducing storage characteristics.
しかし、非ポリマー性フッ素化合物が触媒層に含有されることにより、触媒層の撥水性が高まり、触媒層が電解液に対して濡れにくくなる。従って、触媒層の空隙率を増大させた場合でも、触媒層内部へ電解液が浸透する速度を低減させることが可能となり、保存特性の低下を抑制することができる。 However, when the non-polymeric fluorine compound is contained in the catalyst layer, the water repellency of the catalyst layer is increased, and the catalyst layer is difficult to wet with the electrolyte. Therefore, even when the porosity of the catalyst layer is increased, the rate at which the electrolytic solution penetrates into the catalyst layer can be reduced, and a decrease in storage characteristics can be suppressed.
このように、触媒層への非ポリマー性フッ素化合物の添加は、空気電池の重負荷放電特性と保存特性のような、相反する関係にある特性を共に向上できる利点を有する。触媒層の空隙率が50%よりも小さい場合は、触媒層の三相界面へ空気が供給される効率が低くなり、出力特性が低下する。空隙率が80%よりも大きい場合は、空隙率の大幅な増加が、非ポリマー性フッ素化合物による触媒層の撥水性向上による電解液浸透速度の遅延効果を打ち消してしまい、保存特性を低下させる。より好ましい触媒層の空隙率の範囲は、60〜75%である。 As described above, the addition of the non-polymeric fluorine compound to the catalyst layer has an advantage that it is possible to improve both of the contradictory characteristics such as the heavy load discharge characteristic and the storage characteristic of the air battery. When the porosity of the catalyst layer is less than 50%, the efficiency with which air is supplied to the three-phase interface of the catalyst layer is reduced, and the output characteristics are degraded. When the porosity is greater than 80%, a significant increase in the porosity counteracts the delay effect of the electrolyte penetration rate due to the improvement in water repellency of the catalyst layer by the non-polymeric fluorine compound, thereby degrading the storage characteristics. A more preferable range of the porosity of the catalyst layer is 60 to 75%.
触媒層は、活性炭及びマンガン酸化物を含有していることが好ましい。活性炭は、酸素を2電子還元する触媒として機能し、2電子還元生成物としてO2H-及びOH-を生成させる。マンガン酸化物は、生成したO2H-を分解するための助触媒として機能する。
酸素を還元する触媒は、活性炭に限定されるわけではなく、酸素還元触媒として機能するカーボン材料、あるいは白金等でもよい。酸素還元触媒としては、比表面積の大きさや、材料コストの点で、活性炭が最適である。
The catalyst layer preferably contains activated carbon and manganese oxide. Activated carbon functions as a catalyst for two-electron reduction of oxygen and generates O 2 H − and OH − as two-electron reduction products. Manganese oxide functions as a cocatalyst for decomposing generated O 2 H − .
The catalyst for reducing oxygen is not limited to activated carbon, and may be a carbon material that functions as an oxygen reduction catalyst, platinum, or the like. As the oxygen reduction catalyst, activated carbon is optimal in terms of the specific surface area and material cost.
触媒層内において、酸素の2電子還元生成物であるO2H-の濃度が高まると、空気極の電位低下が引き起こされるため、O2H-を分解するための助触媒を触媒層に用いるのが最適である。O2H-を分解するための助触媒は、マンガン酸化物、あるいはマンガン酸化物とニッケルなどの金属粉体の混合物であることが好ましいが、これらに限定されるわけではない。それら以外では、例えば、ニッケル−コバルト複合酸化物、フタロシアニン系化合物、銀及び白金などが挙げられる。O2H-を分解するための助触媒は、触媒活性の高さや、材料コストの点で、マンガン酸化物が最適である。 When the concentration of O 2 H − , which is a two-electron reduction product of oxygen, increases in the catalyst layer, the potential of the air electrode is lowered. Therefore, a promoter for decomposing O 2 H − is used in the catalyst layer. Is the best. The cocatalyst for decomposing O 2 H − is preferably manganese oxide or a mixture of manganese oxide and metal powder such as nickel, but is not limited thereto. Other than these, for example, nickel-cobalt composite oxide, phthalocyanine compounds, silver, platinum, and the like can be given. As the cocatalyst for decomposing O 2 H − , manganese oxide is optimal in view of high catalytic activity and material cost.
以上のように、撥水性が高く、空隙率が大きな空気極を備えることで、保存特性及び重負荷放電特性に優れた空気電池が得られる。 As described above, by providing an air electrode with high water repellency and a large porosity, an air battery excellent in storage characteristics and heavy load discharge characteristics can be obtained.
本発明は、また、触媒層、集電体、及び撥水膜から構成される空気電池用空気極の製造方法を提供する。
この製造方法は、(1)粉末状の触媒層構成材と、非ポリマー性フッ素化合物とを乾式混合する工程、(2)前記乾式混合物に、バインダと界面活性剤と分散媒の水との混合物を添加して湿式混合する工程、(3)前記湿式混合物を100℃以下で乾燥し、次いで粉砕する工程、(4)前記粉砕物を圧縮成形して触媒層を形成する工程、(5)前記触媒層の一方の表面に集電体を圧力下で接合する工程、(6)前記触媒層の他方の面に撥水材料を塗布し、前記触媒層を200℃以上300℃以下で熱処理する工程、及び(7)触媒層の前記撥水材料の塗布面に撥水膜を圧力下で接合する工程を有することを特徴とする。
前記分散媒は、さらにメタノール、エタノール、イソプロピルアルコールのようなアルコールを含むのが好ましい。
The present invention also provides a method for producing an air electrode for an air battery comprising a catalyst layer, a current collector, and a water repellent film.
This production method includes (1) a step of dry mixing a powdery catalyst layer constituting material and a non-polymeric fluorine compound, and (2) a mixture of a binder, a surfactant, and a dispersion medium water in the dry mixture. (3) a step of drying the wet mixture at 100 ° C. or lower and then pulverizing it; (4) a step of compression-molding the pulverized product to form a catalyst layer; A step of bonding a current collector to one surface of the catalyst layer under pressure, (6) a step of applying a water repellent material to the other surface of the catalyst layer, and heat-treating the catalyst layer at 200 ° C. or more and 300 ° C. or less. And (7) a step of bonding a water repellent film to the application surface of the catalyst layer on the water repellent material under pressure.
The dispersion medium preferably further contains an alcohol such as methanol, ethanol or isopropyl alcohol.
この製造方法では、まず、バインダを除く全ての材料があらかじめ乾式混合されることにより、材料の均一分散性が向上する。非ポリマー性フッ素化合物は、撥水性が非常に高く、かつ滑り性がよいため、乾式混合で十分に分散させておくことで、バインダ類と湿式混合する際に、触媒成分の中で非ポリマー性フッ素化合物が凝集するのを防止できる。さらに、バインダ類の中にアルコールを混合させることで、湿式混合する際に、触媒成分の中で非ポリマー性フッ素化合物が凝集するのを防止する効果がより高まる。アルコールの混合は、バインダ類を含む分散媒の表面張力をより低下させ、触媒成分及び非ポリマー性フッ素化合物に対する分散媒の濡れ性を向上させるため、非ポリマー性フッ素化合物の凝集がより起こりにくくなる。触媒層の形成後、200℃以上300℃以下で熱処理を行うことにより、触媒層中の界面活性剤が除去され、触媒層の空隙率が向上する。
このように本発明の製造方法により、撥水性が高く、かつ空隙率が大きな触媒層を簡便な方法で形成することが可能となる。したがって、空気極の製造工程を複雑にすることがなく、空気電池の生産効率を向上させることができる。
In this manufacturing method, first, all materials except the binder are dry-mixed in advance, thereby improving the uniform dispersibility of the materials. Non-polymeric fluorine compounds have very high water repellency and good slipperiness, so that they can be dispersed well by dry mixing, so that they are non-polymeric among the catalyst components when wet mixed with binders. Aggregation of the fluorine compound can be prevented. Furthermore, by mixing alcohol in the binders, the effect of preventing the non-polymeric fluorine compound from aggregating in the catalyst component when wet mixing is further enhanced. The mixing of the alcohol further reduces the surface tension of the dispersion medium containing the binders and improves the wettability of the dispersion medium with respect to the catalyst component and the non-polymeric fluorine compound, so that aggregation of the non-polymeric fluorine compound is less likely to occur. . After the formation of the catalyst layer, a heat treatment is performed at 200 ° C. or more and 300 ° C. or less, whereby the surfactant in the catalyst layer is removed and the porosity of the catalyst layer is improved.
Thus, according to the production method of the present invention, a catalyst layer having high water repellency and a large porosity can be formed by a simple method. Therefore, the production efficiency of the air battery can be improved without complicating the air electrode manufacturing process.
以下、本発明の実施例を説明する。
実施例1
(空気極の作製法)
図1は、本実施例における空気極の要部の斜視図である。1は触媒層、2はその片面に接合された集電体である。触媒層1と集電体2との組立体14に、撥水膜を接合して空気極が構成される。撥水膜は、触媒層1の集電体と反対側面に接合される。
Examples of the present invention will be described below.
Example 1
(Air electrode manufacturing method)
FIG. 1 is a perspective view of a main part of an air electrode in the present embodiment. 1 is a catalyst layer, and 2 is a current collector bonded to one side thereof. A water repellent film is joined to the
空気極の触媒層1に用いた材料は次の通りである。酸素還元触媒にはヤシガラ活性炭粉末を用いた。ヤシガラ活性炭粉末は、比表面積が1500〜1900m2/g、レーザ回折・散乱式粒度分布測定によるメジアン径が2〜7μmである粉体を用いた。酸素還元生成物の分解作用を有する助触媒は、マンガン酸化物で、東ソー(株)製ブラウノックス(Mn3O4)を用いた。導電性カーボンはケッチェンブラックインターナショナル(株)製ケッチェンブラックECPを用いた。 非ポリマー性フッ素化合物は、フッ化黒鉛とフッ化ピッチの2種類を用いた。フッ化黒鉛は、反応温度600℃、反応時間0.5〜1時間及びフッ素圧2.6×104Paの条件で、天然黒鉛を直接フッ素化することによって得た灰白色粉体を用いた。これらのフッ化黒鉛におけるフッ素と炭素のモル組成比、すなわちF/Cは約1.0であり、レーザ回折・散乱式粒度分布測定によるメジアン径は8〜12μmであった。フッ化ピッチは、反応温度90℃、反応時間6〜12時間、フッ素ガス流量10μm3/minの条件で、石炭系ピッチを直接フッ素化することによって得た白色粉体を用いた。これらのフッ化ピッチにおけるフッ素と炭素のモル組成比、すなわちF/Cは約1.5であり、レーザ回折・散乱式粒度分布測定によるメジアン径は10〜20μmであった。
バインダは、PTFEが界面活性剤により水中に分散されたダイキン工業(株)製PTFEのディスパージョンであるポリフロンD1を用いた。
The materials used for the catalyst layer 1 of the air electrode are as follows. Coconut charcoal activated carbon powder was used as the oxygen reduction catalyst. As the coconut shell activated carbon powder, a powder having a specific surface area of 1500 to 1900 m 2 / g and a median diameter of 2 to 7 μm by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement was used. The cocatalyst having an action of decomposing the oxygen reduction product was manganese oxide, and Brownox (Mn 3 O 4 ) manufactured by Tosoh Corporation was used. As the conductive carbon, Ketjen Black ECP manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd. was used. As the non-polymeric fluorine compound, two types of graphite fluoride and fluoride pitch were used. As the fluorinated graphite, an off-white powder obtained by directly fluorinating natural graphite under the conditions of a reaction temperature of 600 ° C., a reaction time of 0.5 to 1 hour, and a fluorine pressure of 2.6 × 10 4 Pa was used. In these fluorinated graphites, the molar composition ratio of fluorine to carbon, that is, F / C, was about 1.0, and the median diameter measured by laser diffraction / scattering type particle size distribution was 8 to 12 μm. As the fluorinated pitch, white powder obtained by directly fluorinating a coal-based pitch under the conditions of a reaction temperature of 90 ° C., a reaction time of 6 to 12 hours, and a fluorine gas flow rate of 10 μm 3 / min was used. The molar composition ratio of fluorine to carbon in these fluorinated pitches, that is, F / C, was about 1.5, and the median diameter measured by laser diffraction / scattering type particle size distribution was 10 to 20 μm.
The binder used was Polyflon D1, which is a dispersion of PTFE manufactured by Daikin Industries, Ltd. in which PTFE is dispersed in water with a surfactant.
上記の材料を以下の手順で混合及び練合し、触媒層1を作製した。ヤシガラ活性炭粉末、マンガン酸化物、導電性カーボン及び非ポリマー性フッ素化合物の粉体それぞれを所定量ずつ秤量し、ハイスピードミキサーを用い、全ての粉体が均一分散されるように乾式混合した。混合粉体へバインダと水、さらに必要に応じてエタノールを加えて湿式状態とし、混合粉体にせん断力を加えながら攪拌練合した。その後、練合物を100℃で数時間乾燥させて水分を飛ばし、ハイスピードミキサーを用いて粉砕し、粉末状触媒混合物を得た。 The above materials were mixed and kneaded according to the following procedure, and catalyst layer 1 was produced. Coconut shell activated carbon powder, manganese oxide, conductive carbon, and non-polymeric fluorine compound powder were weighed in predetermined amounts and dry mixed using a high speed mixer so that all powders were uniformly dispersed. A binder, water and, if necessary, ethanol were added to the mixed powder to obtain a wet state, and the mixed powder was stirred and kneaded while applying a shearing force. Thereafter, the kneaded product was dried at 100 ° C. for several hours to remove moisture, and pulverized using a high speed mixer to obtain a powdery catalyst mixture.
粉末状触媒混合物は以下の手順でシート状触媒層に成形した。圧力が一定の2本の圧延ロール間に、粉末状触媒混合物を一定速度で供給してシート化し、さらにニッケルメッキを施したネット状30メッシュのステンレス鋼製の集電体2に圧着した。こうしてシート状の触媒層1とその片面に接合された集電体2からなる触媒層−集電体組立体14が作製された。触媒層1における、集電体2を接合した面と反対側の面が撥水膜を接合する面である。触媒層の撥水膜を接合しようとする面には、ポリフロンD1の5倍希釈水溶液を薄く塗布し、250℃で5時間乾燥させた。高温乾燥により、バインダに含有される界面活性剤を分解除去し、バインダ成分であるPTFEのみを残存させた。
The powdery catalyst mixture was formed into a sheet-like catalyst layer by the following procedure. The powdered catalyst mixture was supplied at a constant speed between two rolling rolls having a constant pressure to form a sheet, and then pressure-bonded to a net-like 30 mesh stainless steel
以上の工程を経ることで、空隙率と厚みが所定の値である触媒層を得た。触媒層の撥水膜を接合しようとする面に、空隙率が変化しないようにウレタンロールで押圧してPTFEの微多孔膜からなる撥水膜15を接合した。その後、所定寸法に打抜き切断し、空気極とした。
Through the above steps, a catalyst layer having a predetermined porosity and thickness was obtained. A
(空気亜鉛電池の作製法)
図2は、本実施例におけるボタン型空気亜鉛電池10の縦断面図である。電池はR44サイズ、すなわち直径11.6mm、高さ5.4mmのボタン型形状(JIS規格)とした。この電池は、以下のようにして作製した。
(Production method of air zinc battery)
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the button type zinc-
正極ケース11は、主材質が鉄材SPCD(JIS規格)からなり、表面にニッケルメッキが施された0.2mmの板からプレス加工により成型したものである。ケース11の底部中央の凹部には、空気孔12として直径0.5mmの貫通孔が4個開けられ、上部端は開口型の形状を有している。正極ケース11の側壁部の内周面には、電解液の漏出を防止する目的でポリアミド樹脂を塗布した。
The
正極ケース11の底部内面には、空気拡散紙16、撥水膜15を接合した触媒層−集電体組立体14、及びセパレータ13が順次積層して配置されている。空気拡散紙16は、空気孔12から取り入れた空気を電池内部へ均一に拡散させるためのものであり、厚さ0.13mmのビニロン製不織布からなる。撥水膜15は、空気極への酸素供給と電解液の電池外部への漏出防止の役目を有するもので、厚さ0.1mm、空隙率20%のPTFE微多孔膜からなる。触媒層−集電体組立体14は、集電体2の端面が鋭くなるように打抜き加工されている。したがって、集電体2の端面は、正極ケース11の側壁部内周面に塗布されたポリアミド樹脂に食い込み、集電体2と正極ケース11との電気的な接続が確実になされる。セパレータ13は、親水処理を施したポリプロピレンの微多孔膜とポリプロピレン不織布を圧着一体化した、厚さ0.1mmの膜を用いた。正極ケース11の底部外面には、電池が未使用の状態では空気孔12を塞ぐようにシールテープ(図示しない)が貼付されており、このシールテープを正極ケース11から取り外すことで、電池内部に酸素が侵入し、起電反応が開始される。
On the inner surface of the bottom of the
負極ゲル18に用いる亜鉛合金は、アトマイズ法で作製した。亜鉛合金は水銀でアマルガム化させてもよいが、本実施例で用いる亜鉛合金は、アルミニウム60ppm、ビスマス150ppm、及びインジウム500ppmを含有し、水銀未使用とした。それら以外に、極微量の不可避不純物も含まれる。得られた粉体は分級によって粒度を調整し、45〜150メッシュのものを用いた。負極ゲル18は、水酸化カリウム40重量%および酸化亜鉛3.5重量%を含有する水溶液からなる電解液に、ゲル化剤であるポリアクリル酸ソーダ、および亜鉛合金粒子を配合して調製される。これらの配合比は、アルカリ電解液100重量部に対して、亜鉛合金50重量部、ポリアクリル酸ソーダ3重量部とした。
The zinc alloy used for the
負極集電体を兼ねる負極ケース17へ負極ゲル18が充填される。負極ケース17は、正極ケース11と組み合わされて電池容器を形成するものであり、その内壁面が亜鉛合金粒子からなる負極ゲル18に電気的に接する一方、正極ケース11開口部を封止している。負極ケース17は、ニッケル、ステンレス鋼及び銅からなる厚さ0.2mmの三層クラッド材を用い、電解液と接触する面が銅となるよう、プレス加工により成型されている。負極ケース17と正極ケース11との間に、66ナイロンからなる絶縁ガスケット19が配置される。絶縁ガスケット19は、負極ケース17との接触面にあらかじめポリアミド樹脂が塗布されている。最後に、正極ケース11の開口部をガスケットを介して負極ケース17の底部側の周縁部にかしめて、密閉されたボタン型空気亜鉛電池が完成する。
A
上記手順に従い、触媒層構成材の配合比率を、活性炭35重量%、マンガン酸化物35重量%、導電性カーボン10重量%、PTFE19.1重量%及びフッ化黒鉛0.9重量%とし、触媒層中のPTFE含有量aに対するフッ化黒鉛含有量bの重量比b/aを0.05、空隙率を70%とした空気極を用いてボタン型空気亜鉛電池を作製した。 In accordance with the above procedure, the mixing ratio of the catalyst layer constituting material was 35% by weight of activated carbon, 35% by weight of manganese oxide, 10% by weight of conductive carbon, 19.1% by weight of PTFE, and 0.9% by weight of fluorinated graphite. A button-type zinc-air battery was produced using an air electrode in which the weight ratio b / a of the fluorinated graphite content b to the PTFE content a was 0.05 and the porosity was 70%.
実施例2〜21
触媒層構成材の配合比率、および重量比b/aを表1に示すように種々変えて空気極を作製した他は実施例1と同様にして実施例2〜21の電池を組み立てた。
Examples 2 to 21
The batteries of Examples 2 to 21 were assembled in the same manner as in Example 1 except that the air electrode was prepared by variously changing the blending ratio of the catalyst layer constituting material and the weight ratio b / a as shown in Table 1.
実施例1〜7は、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合、及び触媒層の空隙率を一定とし、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/aを変化させたものである。
実施例8〜14は、重量比b/a、及び触媒層の空隙率を一定とし、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合を変化させたものである。
実施例15〜21は、重量比b/a、及びバインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合を一定とし、触媒層の空隙率を変化させたものである。
In Examples 1 to 7, the ratio of the total amount of the binder and the fluorinated graphite to the catalyst layer and the porosity of the catalyst layer are constant, and the weight of the content b of the fluorinated graphite with respect to the binder content a in the catalyst layer The ratio b / a is changed.
In Examples 8 to 14, the weight ratio b / a and the porosity of the catalyst layer were made constant, and the ratio of the total amount of the binder and fluorinated graphite to the catalyst layer was changed.
In Examples 15 to 21, the weight ratio b / a and the ratio of the total amount of the binder and fluorinated graphite in the catalyst layer are constant, and the porosity of the catalyst layer is changed.
比較例1〜4
触媒層にフッ化黒鉛を添加しなかった他は実施例と同様にしてボタン型空気電池を作製した。
比較例1〜4は、触媒層にフッ化黒鉛を添加せず、触媒層の空隙率を一定とし、触媒層中のPTFE含有量を変化させたものである。
Comparative Examples 1-4
A button type air battery was produced in the same manner as in the example except that fluorinated graphite was not added to the catalyst layer.
In Comparative Examples 1 to 4, graphite fluoride is not added to the catalyst layer, the porosity of the catalyst layer is kept constant, and the PTFE content in the catalyst layer is changed.
上記の電池に用いた空気極の触媒層の組成、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの比b/a、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合、及び触媒層の空隙率を表1に示す。 Composition of air electrode catalyst layer used in the battery, ratio b / a of fluorinated graphite content b to binder content a in the catalyst layer, ratio of total amount of binder and fluorinated graphite in the catalyst layer Table 1 shows the porosity of the catalyst layer.
実施例1〜21及び比較例1〜4の電池について、放電特性及び保存特性を評価した。放電特性は、組立後の電池を定電流で連続放電し、放電持続時間を測定した。放電は、20℃の環境下、2mA及び15mAの定電流で、終止電圧0.9Vまで連続放電を行った。保存特性は、空気孔をシールした状態の電池を、60℃の恒温環境中で10日間保存し、その後、20℃の環境下、15mAの定電流で終止電圧0.9Vまで連続放電を行い、放電持続時間を測定した。表2に、それぞれ電池3個の放電持続時間の平均値を示す。 The batteries of Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated for discharge characteristics and storage characteristics. As for the discharge characteristics, the assembled battery was continuously discharged at a constant current, and the discharge duration was measured. The discharge was performed continuously at a constant current of 2 mA and 15 mA in an environment of 20 ° C. to a final voltage of 0.9 V. The storage characteristic is that the battery with the air holes sealed is stored for 10 days in a constant temperature environment of 60 ° C., and then continuously discharged to a final voltage of 0.9 V at a constant current of 15 mA in an environment of 20 ° C. The discharge duration was measured. Table 2 shows the average values of the discharge durations of the three batteries.
表2の結果をもとに、本発明の実施効果について説明する。
比較例1〜4は、非ポリマー性フッ素化合物を添加せず、バインダであるPTFEの配合比率を変化させたものである。比較例1〜4の順に、触媒層中のPTFE含有比率が増加しており、触媒層中に占める触媒成分、すなわち活性炭、マンガン酸化物、及び導電性カーボンの配合比率が低下している。触媒成分の配合比率の低下は、放電特性を低下させてしまう。組立後の2mA及び15mA定電流連続放電における持続時間は、PTFE含有比率が増加するほど低下する傾向が現れた。一方、組立後及び60℃10日間保存後の15mA定電流連続放電における持続時間を比較すると、PTFE含有比率が増加するほど、その差が小さくなる傾向が現れた。これは、PTFE含有比率の増加により触媒層の撥水性が増大し、保存中に触媒層内部へ電解液が浸透するのが抑制されたためと考えられる。
Based on the results in Table 2, the effect of the present invention will be described.
In Comparative Examples 1 to 4, the non-polymeric fluorine compound was not added and the blending ratio of PTFE as a binder was changed. In the order of Comparative Examples 1 to 4, the PTFE content ratio in the catalyst layer is increased, and the blending ratio of the catalyst components in the catalyst layer, that is, activated carbon, manganese oxide, and conductive carbon is decreased. A decrease in the blending ratio of the catalyst component will deteriorate the discharge characteristics. There was a tendency for the duration in the continuous discharge at 2 mA and 15 mA constant current after assembly to decrease as the PTFE content ratio increased. On the other hand, when the duration in 15 mA constant current continuous discharge after assembly and storage at 60 ° C. for 10 days was compared, the difference tended to decrease as the PTFE content ratio increased. This is presumably because the water repellency of the catalyst layer increased due to an increase in the PTFE content ratio, and the penetration of the electrolyte into the catalyst layer during storage was suppressed.
そこで、比較例1〜4の60℃10日間保存後に15mA連続放電を行った電池を分解し、空気極を取り出して触媒層の縦断面を観察し、触媒層の濡れ度合を調査した。その結果、比較例1〜4の全ての空気極において、触媒層の内部にまで電解液が浸透していた。比較例1及び2では、触媒層と撥水膜の境界面まで電解液が浸透していた。このように、触媒層内の空隙に電解液が浸透し、触媒層中の三相界面が著しく減少したことにより、放電持続時間が低下したものと考えられる。
以上の結果から、比較例1〜4に用いた空気極では、保存中に触媒層の内部へ電解液が浸透する速度が大きいことが確認された。
Then, the battery which performed 15 mA continuous discharge after 60 degreeC preservation | save for 10 days of Comparative Examples 1-4 was decomposed | disassembled, the air electrode was taken out, the longitudinal cross-section of the catalyst layer was observed, and the wetness degree of the catalyst layer was investigated. As a result, in all the air electrodes of Comparative Examples 1 to 4, the electrolyte solution penetrated into the catalyst layer. In Comparative Examples 1 and 2, the electrolyte solution penetrated to the interface between the catalyst layer and the water repellent film. As described above, it is considered that the discharge duration was lowered because the electrolyte solution penetrated into the voids in the catalyst layer and the three-phase interface in the catalyst layer was remarkably reduced.
From the above results, it was confirmed that the air electrode used in Comparative Examples 1 to 4 has a high rate of penetration of the electrolyte into the catalyst layer during storage.
実施例1〜7は、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合、及び触媒層の空隙率を一定とし、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/aを変化させたものである。触媒層へフッ化黒鉛を添加したことにより、組立後の15mA定電流放電持続時間は、比較例1及び比較例2と同等であり、比較例3及び比較例4よりも増加している。60℃10日間保存後の15mA放電時間を比較すると、実施例1〜7は比較例1〜4よりも大きく増加している。実施例1〜7では、組立後と保存後の15mA放電時間の差が小さくなっており、保存による触媒層の劣化が少ないと考えられる。特にb/aの値が0.1〜11.5の範囲である実施例2〜6の場合に、実施例1及び実施例7よりも保存後の15mA放電時間の増加が大きくなっている。 In Examples 1 to 7, the ratio of the total amount of the binder and the fluorinated graphite to the catalyst layer and the porosity of the catalyst layer are constant, and the weight of the content b of the fluorinated graphite with respect to the binder content a in the catalyst layer The ratio b / a is changed. By adding fluorinated graphite to the catalyst layer, the 15 mA constant current discharge duration after assembly is equivalent to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and is greater than Comparative Example 3 and Comparative Example 4. When the 15 mA discharge time after storage at 60 ° C. for 10 days is compared, Examples 1 to 7 are larger than Comparative Examples 1 to 4. In Examples 1 to 7, the difference between the 15 mA discharge time after assembly and storage is small, and it is considered that the deterioration of the catalyst layer due to storage is small. In particular, in the case of Examples 2 to 6 in which the value of b / a is in the range of 0.1 to 11.5, the increase in the 15 mA discharge time after storage is larger than in Examples 1 and 7.
以上の結果から、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/aは、0.1〜11.5の範囲が好ましい。さらに、b/aの値が0.25〜3.0の範囲である実施例3〜5の場合に、保存後の15mA放電時間がより増大している。従って、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/aは、0.25〜3.0の範囲が最適である。 From the above results, the weight ratio b / a of the graphite fluoride content b to the binder content a in the catalyst layer is preferably in the range of 0.1 to 11.5. Furthermore, in the case of Examples 3 to 5 where the value of b / a is in the range of 0.25 to 3.0, the 15 mA discharge time after storage is further increased. Therefore, the weight ratio b / a of the fluorinated graphite content b to the binder content a in the catalyst layer is optimally in the range of 0.25 to 3.0.
実施例8〜14は、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/a、及び触媒層の空隙率を一定とし、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合を変化させたものである。組立後の15mA放電時間は、実施例8〜13では同等となったが、実施例14はそれらよりも幾分減少している。また、組立後と保存後の15mA放電時間の差を比較すると、実施例8は、実施例9〜14よりも放電時間の差が大きくなっており、保存による触媒層の劣化が若干大きいと考えられる。
以上の結果から、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合は、5〜50重量%の範囲が好ましい。さらに、実施例10〜12では、組立後と保存後の15mA放電時間の差がなくなっており、60℃10日間保存では、触媒層の劣化がほとんどないと考えられる。従って、バインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合は、20〜45重量%の範囲が最適である。
In Examples 8 to 14, the weight ratio b / a of the fluorinated graphite content b to the binder content a in the catalyst layer and the porosity of the catalyst layer are constant, and the total amount of the binder and fluorinated graphite is the catalyst. The ratio in the layer is changed. The 15 mA discharge time after assembly was the same in Examples 8 to 13, but Example 14 was somewhat reduced. Further, comparing the difference between the 15 mA discharge time after assembly and after storage, Example 8 shows that the difference in discharge time is larger than that in Examples 9 to 14, and the deterioration of the catalyst layer due to storage is slightly larger. It is done.
From the above results, the proportion of the total amount of binder and fluorinated graphite in the catalyst layer is preferably in the range of 5 to 50% by weight. Furthermore, in Examples 10-12, the difference of 15 mA discharge time after an assembly and a preservation | save is lose | eliminated, and when it preserve | saves at 60 degreeC for 10 days, it is thought that there is almost no deterioration of a catalyst layer. Therefore, the ratio of the total amount of binder and fluorinated graphite in the catalyst layer is optimally in the range of 20 to 45% by weight.
実施例15〜21は、触媒層中のバインダ含有量aに対するフッ化黒鉛の含有量bの重量比b/a、及びバインダとフッ化黒鉛の合計量が触媒層に占める割合を一定とし、触媒層の空隙率を変化させた場合である。触媒層の空隙率が、50〜85%の範囲である実施例16〜21は、実施例15よりも組立後の15mA放電時間が大きくなっており、触媒層の空隙率が大きいほど、組立後の放電特性が向上するといえる。一方、保存後の15mA放電時間を比較すると、実施例21が実施例16〜20よりも低下度合が大きくなっており、触媒層の空隙率が過大になると、保存による触媒層の劣化が大きくなることが示唆される。 In Examples 15 to 21, the weight ratio b / a of the fluorinated graphite content b to the binder content a in the catalyst layer, and the ratio of the total amount of the binder and fluorinated graphite in the catalyst layer were constant, This is a case where the porosity of the layer is changed. In Examples 16 to 21 in which the porosity of the catalyst layer is in the range of 50 to 85%, the 15 mA discharge time after assembly is longer than that in Example 15, and the greater the porosity of the catalyst layer, the more after assembly. It can be said that the discharge characteristics are improved. On the other hand, when the 15 mA discharge time after storage is compared, the degree of decrease in Example 21 is larger than that in Examples 16 to 20, and when the porosity of the catalyst layer becomes excessive, the deterioration of the catalyst layer due to storage increases. It is suggested.
以上の結果から、触媒層の空隙率は、50〜80%の範囲が好ましい。さらに、触媒層の空隙率が、60〜75%の範囲である、実施例17〜19の場合に、組立後と保存後の15mA放電時間の差が小さくなっており、保存による触媒層の劣化がより少ないと考えられる。従って、触媒層の空隙率は、60〜75%の範囲が最適である。
非ポリマー性フッ素化合物として、フッ化ピッチを触媒層へ添加した場合も、フッ化黒鉛を用いたのと同様の効果が得られることが確認された。
From the above results, the porosity of the catalyst layer is preferably in the range of 50 to 80%. Further, in Examples 17 to 19 where the porosity of the catalyst layer is in the range of 60 to 75%, the difference between the 15 mA discharge time after assembly and storage is small, and the catalyst layer deteriorates due to storage. Is considered to be less. Therefore, the range of 60 to 75% is optimal for the porosity of the catalyst layer.
As a non-polymeric fluorine compound, it was confirmed that even when fluorinated pitch was added to the catalyst layer, the same effect as that obtained using fluorinated graphite was obtained.
以上の結果から、触媒層へ非ポリマー性フッ素化合物を添加し、その配合量や触媒層の空隙率を制御することで、重負荷放電特性及び保存特性に優れた空気電池が得られる。 From the above results, an air battery excellent in heavy load discharge characteristics and storage characteristics can be obtained by adding a non-polymeric fluorine compound to the catalyst layer and controlling the blending amount and the porosity of the catalyst layer.
本発明にかかる空気電池は、触媒層の撥水性向上により、触媒層内部へ電解液が浸透する速度が減少されることで三相界面が安定に保持され、重負荷放電特性及び保存特性に優れる。したがって、携帯用機器をはじめ各種電子機器の電源として有用である。 In the air battery according to the present invention, the water repellency of the catalyst layer is improved so that the rate at which the electrolyte solution penetrates into the catalyst layer is reduced, so that the three-phase interface is stably maintained, and the heavy load discharge characteristics and the storage characteristics are excellent. . Therefore, it is useful as a power source for various electronic devices including portable devices.
1 触媒層
2 集電体
11 正極ケース
12 空気孔
13 セパレータ
14 触媒層−集電体組立体
15 撥水膜
16 空気拡散紙
17 負極ケース
18 負極ゲル
19 絶縁ガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
酸素還元触媒、酸素還元による生成物の分解作用を有する助触媒、導電性カーボン、および非ポリマー性フッ素化合物を乾式混合する工程、
前記乾式混合物にバインダと界面活性剤と分散媒の水との混合物を添加して湿式混合する工程、
前記湿式混合物を100℃以下の温度で乾燥し、次いで粉砕する工程、
前記粉砕物を成形して触媒層を形成する工程、
前記触媒層の一方の面に集電体を圧力下で接合する工程、
前記触媒層の他方の面に撥水材料を塗布し、200℃以上300℃以下で熱処理する工程、および
前記触媒層の他方の面に圧力下で撥水膜を接合する工程を有することを特徴とする空気電池用空気極の製造方法。 A method for producing an air electrode for an air battery comprising a catalyst layer, a current collector, and a water repellent film,
A step of dry-mixing an oxygen reduction catalyst, a cocatalyst having an action of decomposing a product by oxygen reduction, conductive carbon, and a non-polymeric fluorine compound;
Adding a mixture of a binder, a surfactant and water of a dispersion medium to the dry mixture and wet-mixing the mixture,
Drying the wet mixture at a temperature of 100 ° C. or lower and then crushing;
Forming the pulverized product to form a catalyst layer;
Bonding a current collector to one side of the catalyst layer under pressure;
A step of applying a water repellent material to the other surface of the catalyst layer and heat-treating at 200 ° C. to 300 ° C., and a step of bonding a water repellent film to the other surface of the catalyst layer under pressure. A method for producing an air electrode for an air battery.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006349301A JP2007214114A (en) | 2006-01-12 | 2006-12-26 | Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006004517 | 2006-01-12 | ||
JP2006349301A JP2007214114A (en) | 2006-01-12 | 2006-12-26 | Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007214114A true JP2007214114A (en) | 2007-08-23 |
Family
ID=38492328
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006349301A Pending JP2007214114A (en) | 2006-01-12 | 2006-12-26 | Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007214114A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013239428A (en) * | 2012-04-18 | 2013-11-28 | Nissan Motor Co Ltd | Positive electrode for air battery and method for producing the same |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50132435A (en) * | 1974-04-08 | 1975-10-20 | ||
JPH07201335A (en) * | 1994-01-06 | 1995-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Production of air electrode catalytic layer and cylindrical air cell using this method |
JP2004359870A (en) * | 2003-06-05 | 2004-12-24 | Daikin Ind Ltd | Surfactant and fluorine-containing polymer manufacturing method, and fluorine-containing polymer aqueous dispersion |
-
2006
- 2006-12-26 JP JP2006349301A patent/JP2007214114A/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50132435A (en) * | 1974-04-08 | 1975-10-20 | ||
JPH07201335A (en) * | 1994-01-06 | 1995-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Production of air electrode catalytic layer and cylindrical air cell using this method |
JP2004359870A (en) * | 2003-06-05 | 2004-12-24 | Daikin Ind Ltd | Surfactant and fluorine-containing polymer manufacturing method, and fluorine-containing polymer aqueous dispersion |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013239428A (en) * | 2012-04-18 | 2013-11-28 | Nissan Motor Co Ltd | Positive electrode for air battery and method for producing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20070160898A1 (en) | Air battery and method for producing air electrode for air battery | |
Black et al. | The role of catalysts and peroxide oxidation in lithium-oxygen batteries. | |
EP0110491B1 (en) | Size and weight graded multi-layered eas diffusion electrodes | |
US8377149B2 (en) | Process for making a catalytic electrode and electrochemical cell using the electrode | |
US7666812B2 (en) | Method of diffusing a catalyst for electrochemical oxygen reduction | |
CN100405639C (en) | Alkaline cell with improved cathode comprising silver copper oxides | |
EP0059811A1 (en) | Bifunctional air electrodes containing elemental iron powder charging additive | |
WO2019220999A1 (en) | Metal-air battery and method of producing air electrode | |
CN1653631A (en) | Alkaline cell with improved cathode | |
JP7071643B2 (en) | Metal-air battery and air electrode manufacturing method | |
US20170279126A1 (en) | Method of manufacturing a metal-air cell | |
JP2007214114A (en) | Method of manufacturing air cell and air electrode for air cell | |
JP2007141745A (en) | Air battery | |
JP6665006B2 (en) | Battery and manufacturing method thereof | |
JP2008041521A (en) | Air battery | |
WO2021106829A1 (en) | Alkaline battery positive electrode, alkaline battery, and production method therefor | |
JP7068585B2 (en) | Bipolar metal-air battery, air electrode manufacturing method, and current collector manufacturing method | |
JP6855563B2 (en) | Manufacturing method of air electrode, metal-air battery and air electrode | |
JP6673791B2 (en) | Sheet air battery | |
JP2003257423A (en) | Sealed alkaline zinc primary battery, and alkaline zinc compound positive electrode mix used in the same | |
JP2003197206A (en) | Sealed alkaline zinc primary battery | |
JP2005019145A (en) | Air battery | |
Velan et al. | A Novel Graphene Based Cathode for Metal–Air Battery | |
JP2001068170A (en) | Zinc air battery | |
JP2018063832A (en) | Positive electrode for magnesium air battery and magnesium air battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20081107 |
|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20091119 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120726 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121122 |