JP2008181853A - Air battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる空気電池に関する。 The present invention relates to an air battery that can suppress an increase in internal resistance due to shortage of electrolyte.
空気電池は、空気(酸素)を正極活物質として用いた非水電池であり、エネルギー密度が高い、小型化、軽量化が容易である等の利点を有する。このような空気電池において、例えば負極活物質として金属Liを用いた場合には、主に下記の反応(1)〜(4)が生じる。 The air battery is a nonaqueous battery using air (oxygen) as a positive electrode active material, and has advantages such as high energy density, easy size reduction, and weight reduction. In such an air battery, for example, when metal Li is used as the negative electrode active material, the following reactions (1) to (4) mainly occur.
従来より、空気電池の利点を最大限に活かすために、様々な研究が行われている。例えば特許文献1においては、非水電解質として特定の常温溶融塩を用いた非水電解質空気電池が開示されている。これは、特定の常温溶融塩を用いることにより、溶媒が揮発することを防止し、高温での放電容量および高湿保管後の放電容量を向上させるものであった。特許文献2においては、特定の細孔容量を有する炭素質物を用いた正極を備えた非水電解質電池が開示されている。これは、炭素質物の細孔容量等に着目して、電池の高容量化を図るものであった。このように、従来の研究においては、構成部材の機能性を向上させる試みが主流であった。 Conventionally, various studies have been conducted to make the most of the advantages of air batteries. For example, Patent Document 1 discloses a nonaqueous electrolyte air battery using a specific room temperature molten salt as a nonaqueous electrolyte. This was to prevent the solvent from volatilizing by using a specific room temperature molten salt, and to improve the discharge capacity at a high temperature and the discharge capacity after high-humidity storage. In Patent Document 2, a nonaqueous electrolyte battery including a positive electrode using a carbonaceous material having a specific pore capacity is disclosed. This was intended to increase the capacity of the battery by focusing on the pore capacity of the carbonaceous material. As described above, in the conventional research, attempts to improve the functionality of the constituent members have been mainstream.
しかしながら、空気電池には、放電または充放電に伴い電極(空気極および負極)の体積が大きく変化し、電解液が不足する状況が生じるという問題がある。上記の反応を用いて具体的に説明すると、放電時に、負極では、LiがLiイオンとして溶出し(反応(1))、空気極では、リチウム酸化物が析出する(反応(2))。この際、リチウム酸化物(Li2O2)の密度が、Liの密度よりも大きいことから、電極全体として体積比35%もの収縮が起こる。その結果、放電末期に電解液量が不足し、空気極等の一部が電解液に浸されない状態となり、内部抵抗が増えるという問題があった。また、金属Li以外の材料として、グラファイト等の炭素材料を負極活物質に用いた場合は、負極での体積変化が少ないが、空気極でLi2O2が生成し、空気極中の電解液が外に押し出されると、電池内の空隙等に電解液が移動してしまい、充電時Li2O2が溶解した後に、電解液が空気極に戻り難くなり、結果として電解液量が不足して、やはり内部抵抗につながるという問題があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる空気電池を提供することを主目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the air battery which can suppress the increase in internal resistance resulting from electrolyte shortage.
上記課題を解決するために、本発明においては、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、を有し、放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際に、上記空気極層および上記負極層が常に電解液で満たされていることを特徴とする空気電池を提供する。 In order to solve the above problems, in the present invention, an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer, and occludes / releases metal ions. A negative electrode layer containing a negative electrode active material, a negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer, and a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer. When the volume change of the electrode accompanying discharge occurs, the air battery is characterized in that the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution.
本発明によれば、空気極層および負極層が常に電解液で満たされていることから、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる。 According to the present invention, since the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolyte solution, it is possible to suppress an increase in internal resistance due to the electrolyte solution shortage.
上記発明においては、放電または充放電に伴う電極の体積変化により上記電解液の液面の高さが変化する場合に、上記電解液の液面の最も下がった位置が、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置よりも高いことが好ましい。電解液の量を、上記の位置となるように設定することで、電解液が不足することを防止できるからである。 In the above invention, when the level of the electrolyte solution changes due to the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge, the lowest position of the electrolyte solution surface is the air electrode layer and the electrolyte layer. It is preferably higher than the position of the uppermost surface of the negative electrode layer. It is because it can prevent that electrolyte solution runs short by setting the quantity of electrolyte solution to become said position.
また、本発明においては、上述した空気電池と、上記電解液を加熱する加熱手段および上記電解液を冷却する冷却手段の少なくとも一方の手段と、を有することを特徴とする空気電池システムを提供する。 The present invention also provides an air battery system comprising the air battery described above and at least one of a heating means for heating the electrolyte solution and a cooling means for cooling the electrolyte solution. .
本発明によれば、空気電池に対して、加熱手段および冷却手段の少なくとも一方を設けることにより、発電効率に優れた空気電池システムとすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the air battery system excellent in electric power generation efficiency by providing at least one of a heating means and a cooling means with respect to an air battery.
また、本発明においては、上述した空気電池を用い、充電の際に上記電解液を加熱すること、および放電の際に上記電解液を冷却することの少なくとも一方を行うことを特徴とする空気電池の制御方法を提供する。 In the present invention, the above-described air battery is used, and at least one of heating the electrolyte during charging and cooling the electrolyte during discharging is performed. A control method is provided.
本発明によれば、充放電の際に電解液の温度をコントロールすることにより、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, power generation efficiency can be improved by controlling the temperature of the electrolyte during charging and discharging.
本発明においては、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる空気電池を提供することができるという効果を奏する。 In this invention, there exists an effect that the air battery which can suppress the increase in internal resistance resulting from electrolyte shortage can be provided.
以下、本発明の空気電池、空気電池システム、および空気電池の制御方法について詳細に説明する。 Hereinafter, an air battery, an air battery system, and an air battery control method of the present invention will be described in detail.
A.空気電池
まず、本発明の空気電池について説明する。本発明の空気電池は、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、を有し、放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際に、上記空気極層および上記負極層が常に電解液で満たされていることを特徴とするものである。
A. Air Battery First, the air battery of the present invention will be described. The air battery of the present invention includes an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer, and a negative electrode active material that absorbs and releases metal ions. A negative electrode having a negative electrode layer and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer; and a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer; When the change occurs, the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution.
本発明によれば、空気極層および負極層が常に電解液で満たされていることから、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる。また従来、空気極層および負極層が一時的に電解液で満たされることがあることは知れているものの(例えば特許文献1の明細書第70段落)、空気極層および負極層を常に電解液で満たすことについては全く知られていない。本発明においては、空気極層および負極層を常に電解液で満たすことにより、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制し、より高性能な空気電池を得ることができるのである。 According to the present invention, since the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolyte solution, it is possible to suppress an increase in internal resistance due to the electrolyte solution shortage. Conventionally, although it is known that the air electrode layer and the negative electrode layer may be temporarily filled with the electrolytic solution (for example, paragraph 70 of the specification of Patent Document 1), the air electrode layer and the negative electrode layer are always used as the electrolytic solution. There is nothing known about filling with. In the present invention, by always filling the air electrode layer and the negative electrode layer with the electrolytic solution, an increase in internal resistance due to the shortage of the electrolytic solution can be suppressed, and a higher performance air battery can be obtained.
次に、本発明の空気電池について図面を用いて説明する。図1(a)は、本発明の空気電池の一例を示す概略断面図である。図1(b)は、図1(a)で示される空気電池の外観を示す斜視図である。図1(a)に示される空気電池は、下部絶縁ケース1aの内底面に形成された負極集電体2と、負極集電体2に接続された負極リード2´と、負極集電体2上に形成され金属Liからなる負極層3と、カーボンを含有する空気極層4と、空気極層4の集電を行う空気極メッシュ5および空気極集電体6と、空気極集電体6に接続された空気極リード6´と、負極層3および空気極層4の間に設置されたセパレータ7と、酸素を供給するために設けられた微多孔膜8を有する上部絶縁ケース1bと、負極層3および空気極層4を浸す電解液9と、を有する。また、本発明においては、図2に示すように、空気極メッシュ5の上に、空気極集電体6を配置しても良い。
Next, the air battery of this invention is demonstrated using drawing. Fig.1 (a) is a schematic sectional drawing which shows an example of the air battery of this invention. FIG.1 (b) is a perspective view which shows the external appearance of the air battery shown by Fig.1 (a). The air battery shown in FIG. 1A includes a negative electrode current collector 2 formed on the inner bottom surface of a lower
図3は、図1(a)に示された空気電池を簡略化した概略断面図である。なお、便宜上、空気極集電体および負極集電体等は省略してある。この空気電池は、充分に多くの電解液9を有することから(図3(a))、例えば放電時に、負極層3の金属Liが溶出し、電極の体積が減少し、その結果、電解液9の液面が下降したとしても、その最も下がった位置を、空気極層4の最上面の位置よりも高く保つことができる(図3(b))。これにより、空気極層4を常に電解液9で満たすことができ、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができる。なお、放電時は、電解液中に溶存した酸素が反応に使用されるが、電解液中の酸素が不足し始めると、気相から順次酸素が電解液に供給されるため、反応は連続的に行われる。
FIG. 3 is a simplified cross-sectional view of the air battery shown in FIG. For convenience, the air electrode current collector, the negative electrode current collector, and the like are omitted. Since this air battery has a sufficiently large amount of the electrolytic solution 9 (FIG. 3A), for example, during discharge, the metal Li of the
本発明において、「放電または充放電に伴う電極の体積変化」とは、放電または充放電に伴い金属イオンが空気極層と負極層との間を移動する際に、その生成物の密度等の違いにより生じる電極(空気極および負極)の体積変化を意味する。なお、本発明の空気電池が一次電池である場合は、「放電」に伴う電極の体積変化を考慮し、二次電池である場合は、「充放電」に伴う電極体積変化を考慮する。例えば負極活物質として金属Liを用いた場合は、放電時に、負極層においては金属Liが溶出する反応が生じ(上記反応(1))、空気極層においてはリチウム酸化物(Li2O2)が生成する反応が生じる(上記反応(2))。この際、リチウム酸化物(Li2O2)の密度が、金属Liの密度よりも大きいことから、電極(空気極層および負極層)の体積は減少する。このような電極の体積変化が生じた際に、本発明の空気電池においては、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている。
以下、本発明の空気電池について、空気電池の材料と、空気電池の構成とに分けて説明する。
In the present invention, “the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge” refers to the density of the product when the metal ions move between the air electrode layer and the negative electrode layer during discharge or charge / discharge. It means the volume change of electrodes (air electrode and negative electrode) caused by the difference. When the air battery of the present invention is a primary battery, the volume change of the electrode accompanying “discharge” is considered, and when it is a secondary battery, the volume change of the electrode accompanying “charge / discharge” is taken into consideration. For example, when metal Li is used as the negative electrode active material, a reaction in which metal Li elutes in the negative electrode layer occurs during discharge (the above reaction (1)), and lithium oxide (Li 2 O 2 ) in the air electrode layer. Is generated (the above reaction (2)). At this time, since the density of the lithium oxide (Li 2 O 2 ) is larger than the density of the metal Li, the volume of the electrode (air electrode layer and negative electrode layer) decreases. When such a volume change of the electrode occurs, in the air battery of the present invention, the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution.
Hereinafter, the air battery of the present invention will be described separately for the material of the air battery and the structure of the air battery.
1.空気電池の材料
まず、本発明の空気電池の材料について説明する。本発明の空気電池は、空気極、負極、セパレータ、電解液および電池ケースを有する。
1. First, the material of the air battery of the present invention will be described. The air battery of the present invention has an air electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, and a battery case.
(1)空気極
本発明に用いられる空気極は、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する。本発明においては、電解液に溶存した酸素が、空気極内で金属イオンと反応し、導電性材料の表面に金属酸化物が生成する。そのため、上記空気極層は、酸素および金属イオンのキャリアである電解液が充分に移動できる程度の空隙を有している。
(1) Air electrode The air electrode used in the present invention includes an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer. In the present invention, oxygen dissolved in the electrolytic solution reacts with metal ions in the air electrode, and a metal oxide is generated on the surface of the conductive material. For this reason, the air electrode layer has a gap that allows the electrolyte, which is a carrier of oxygen and metal ions, to move sufficiently.
上記導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料等を挙げることができる。さらに、上記炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本発明においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。被表面積が大きく、多くの反応場を提供することができるからである。上記多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。また、上記導電性材料は、触媒を担持したものであっても良い。上記触媒としては、例えば、コバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を挙げることができる。 The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a carbon material. Furthermore, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure, but in the present invention, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the surface area is large and many reaction fields can be provided. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include graphite, acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber. Further, the conductive material may carry a catalyst. Examples of the catalyst include cobalt phthalocyanine and manganese dioxide.
本発明において、上記空気極層は、少なくとも導電性材料を含有してれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着剤を含有することが好ましい。上記結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。上記空気極層に含まれる結着剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば30重量%以下、中でも1重量%〜10重量%の範囲内であることが好ましい。 In the present invention, the air electrode layer only needs to contain at least a conductive material, but preferably further contains a binder for immobilizing the conductive material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The content of the binder contained in the air electrode layer is not particularly limited. For example, it is preferably 30% by weight or less, and more preferably 1% by weight to 10% by weight.
上記空気極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン等を挙げることができる。上記空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、上記空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、上記空気電池セルは、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を有していても良い。また、本発明においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。 The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, and titanium. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Among these, in the present invention, the shape of the air electrode current collector is preferably a mesh shape. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the air battery cell may have another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
(2)負極
次に、本発明に用いられる負極について説明する。本発明に用いられる負極は、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質を含有する負極層および前記負極層の集電を行う負極集電体を有する。
(2) Negative Electrode Next, the negative electrode used in the present invention will be described. The negative electrode used in the present invention has a negative electrode layer containing a negative electrode active material that absorbs and releases metal ions and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer.
上記負極活物質としては、金属イオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではない。上記金属イオンとしては、空気極と負極とを移動し、起電力を生じさせるものであれば特に限定されるものではないが、具体的にはリチウムイオン、ナトリウムイオン、アルミニウムイオン、マグネシウムイオン、セシウムイオン等を挙げることができ、中でもリチウムイオンが好ましい。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude / release metal ions. The metal ions are not particularly limited as long as they move between the air electrode and the negative electrode to generate an electromotive force. Specifically, lithium ions, sodium ions, aluminum ions, magnesium ions, cesium ions are used. An ion etc. can be mentioned, Among these, lithium ion is preferable.
リチウムイオンを吸蔵・放出することができる負極活物質としては、一般的なリチウムイオン電池に用いられる負極活物質と同様のものを用いることができる。具体的には、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウムおよび炭素材料、特に金属リチウムが好ましい。金属リチウムは、上記反応(1)で説明したように、放電時にリチウムイオンとして溶出し、体積変化が大きいからである。 As the negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions, the same negative electrode active materials used in general lithium ion batteries can be used. Specific examples include carbon materials such as metal lithium, lithium alloys, metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, and graphite. Among these, metal lithium and carbon materials, particularly metal lithium are preferable. This is because metallic lithium elutes as lithium ions during discharge and has a large volume change as described in the above reaction (1).
本発明において、上記負極層は、少なくとも負極活物質を含有してれば良いが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着剤を含有していても良い。結着剤の種類、使用量等については、上述した「(1)空気極」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。 In the present invention, the negative electrode layer may contain at least a negative electrode active material, but may contain a binder for immobilizing the negative electrode active material, if necessary. About the kind of binder, the usage-amount, etc., since it is the same as that of the content described in "(1) Air electrode" mentioned above, description here is abbreviate | omitted.
上記負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。上記負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。 The material for the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, and nickel. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In the present invention, a battery case, which will be described later, may have the function of a negative electrode current collector.
(3)セパレータ
次に、本発明に用いられるセパレータについて説明する。本発明に用いられるセパレータは、上記空気極層および上記負極層の間に設置されるものである。上記セパレータとしては、空気極層と負極層とを分離し、電解液を保持する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布;およびリチウムポリマー電池に使用されているポリマー材料等を挙げることができる。
(3) Separator Next, the separator used in the present invention will be described. The separator used in the present invention is installed between the air electrode layer and the negative electrode layer. The separator is not particularly limited as long as it has a function of separating the air electrode layer and the negative electrode layer and retaining the electrolytic solution. For example, a porous film such as polyethylene or polypropylene; a resin nonwoven fabric, glass Nonwoven fabrics such as fiber nonwoven fabrics; and polymer materials used in lithium polymer batteries.
(4)電解液
次に、本発明に用いられる電解液について説明する。本発明に用いられる電解液は、通常、電解質を有機溶媒に溶解してなるものである。上記電解質としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4およびLiAsF6等の無機リチウム塩;およびLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、等の有機リチウム塩等を挙げることができる。
(4) Electrolyte Next, the electrolyte used for this invention is demonstrated. The electrolytic solution used in the present invention is usually obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent. Examples of the electrolyte include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , and the like. Organic lithium salts and the like can be mentioned.
上記有機溶媒としては、上記電解質を溶解することができるものであれば特に限定されるものではないが、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。空気極層は常に電解液で満たされており、溶媒に溶存した酸素が反応に用いられるからである。上記有機溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランおよび2−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。中でも本発明においては、ECまたはPCと、DECまたはEMCとを組合せた混合溶媒が好ましい。また、本発明においては、上記電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いることもできる。低揮発性液体を用いることで、揮発による電解液減少を抑制することができ、より長期間使用することができるからである。 The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the electrolyte, but is preferably a solvent having high oxygen solubility. This is because the air electrode layer is always filled with the electrolytic solution, and oxygen dissolved in the solvent is used for the reaction. Specific examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, and sulfolane. , Acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and the like. Among them, in the present invention, a mixed solvent in which EC or PC and DEC or EMC are combined is preferable. In the present invention, a low-volatile liquid such as an ionic liquid can be used as the electrolytic solution. This is because the use of a low-volatile liquid can suppress a decrease in the electrolyte due to volatilization and can be used for a longer period of time.
(5)電池ケース
次に、本発明に用いられる電池ケースについて説明する。本発明に用いられる電池ケースの形状としては、上述した空気極、負極、セパレータ、電解液を保持することができれば特に限定されるものではないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型等を挙げることができる。また、上記電池ケースは、通常、空気を供給する空気孔を有するが、例えば、後述する電解液循環型の空気電池等の場合は、特に空気孔を必要としない。
(5) Battery Case Next, the battery case used in the present invention will be described. The shape of the battery case used in the present invention is not particularly limited as long as it can hold the above-described air electrode, negative electrode, separator, and electrolyte, but specifically, a coin type, a flat plate type, a cylindrical type Etc. The battery case usually has an air hole for supplying air. However, for example, in the case of an electrolyte circulation type air battery described later, an air hole is not particularly required.
2.空気電池の構成
次に、本発明の空気電池の構成について説明する。本発明の空気電池は、放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされているものである。
2. Next, the structure of the air battery of the present invention will be described. In the air battery of the present invention, the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution when the volume of the electrode changes due to discharge or charge / discharge.
放電または充放電に伴う体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている状態にする構成としては、例えば、電解液を循環させる構成を挙げることができる。電解液を循環させることにより、従来の空気電池を使用する場合に存在した、電解液と大気との気液界面を生じさせないで充放電を行うことができ、電極の体積変化が生じた場合であっても、空気極層および負極層を常に電解液で満たすことができるからである。また、揮発による電解液の減少を防止することができるという利点も有する。また電解液を循環させることにより、充電反応により生じる酸素を、空気極層から効率良く除去することも可能である。 An example of a configuration in which the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolyte when a volume change associated with discharge or charge / discharge occurs is a configuration in which the electrolyte is circulated. By circulating the electrolyte, charging / discharging can be performed without causing a gas-liquid interface between the electrolyte and the air, which existed when using a conventional air battery. This is because the air electrode layer and the negative electrode layer can always be filled with the electrolytic solution. In addition, there is an advantage that it is possible to prevent a decrease in the electrolyte due to volatilization. Further, by circulating the electrolytic solution, it is possible to efficiently remove oxygen generated by the charging reaction from the air electrode layer.
電解液を循環させる構成としては、具体的には、図4に示すように、モーター等の電解液移動手段11を用いて、電解液9を、負極層3、セパレータ7および空気極層4の順に循環させる構成を挙げることができる。放電時には、バブリング等の酸素供給手段12を用いて酸素13を空気極層4に供給し、過剰の酸素は、排気手段14により除去する。酸素供給手段12が、電解液9に溶存する酸素濃度を適度に上昇させることができるものであれば、排気手段14は特に必要ない。また、充電時には、図4に示した電解液の流れと反対の方向に電解液を循環させても良い。なお、図4においては、便宜上、空気極集電体および負極集電体は省略してあるが、適切な方法で集電を行えば良い。
Specifically, as shown in FIG. 4, the electrolyte solution is circulated by using an electrolyte solution transfer means 11 such as a motor to divide the
すなわち、本発明においては、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層を浸す電解液と、上記電解液を循環させる電解液移動手段と、上記空気極層に酸素を供給する酸素供給手段と、を有する空気電池を提供することができる。さらに、上記空気電池は、過剰の空気を除去する排気手段を有していることが好ましい。 That is, the present invention contains an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer, and a negative electrode active material that absorbs and releases metal ions. A negative electrode having a negative electrode layer and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer; a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer; an electrolyte solution that immerses the air electrode layer and the negative electrode layer; There can be provided an air battery having an electrolyte moving means for circulating the electrolyte solution and an oxygen supply means for supplying oxygen to the air electrode layer. Furthermore, the air battery preferably has an exhaust means for removing excess air.
放電または充放電に伴う体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている状態にする別の構成としては、電解液を多く用いる構成を挙げることができる。上記図3で説明したように、充分に多くの電解液9を用いることで、空気極層4が電解液不足になることを防止することができる。
As another configuration in which the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution when a volume change caused by discharge or charge / discharge occurs, a configuration using a large amount of the electrolytic solution can be given. As described with reference to FIG. 3, by using a sufficiently large amount of the
すなわち、本発明においては、放電または充放電に伴う電極の体積変化により上記電解液の液面の高さが変化する場合に、上記電解液の液面の最も下がった位置が、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置よりも高いことが好ましい。電解液の量を、上記の位置となるように設定することで、電解液が不足することを防止できるからである。なお、例えば負極層に金属Liを用いた場合は、放電によりリチウムが溶出する反応が起き、電極全体の体積が減少する。従って、通常は、放電終了時の電解液の液面が、最も下がった位置に相当する。 That is, in the present invention, when the level of the electrolyte solution changes due to the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge, the lowest position of the electrolyte solution surface is the air electrode layer. And it is preferable that it is higher than the position of the uppermost surface of the negative electrode layer. It is because it can prevent that electrolyte solution runs short by setting the quantity of electrolyte solution to become said position. For example, when metal Li is used for the negative electrode layer, a reaction in which lithium is eluted by discharge occurs, and the volume of the entire electrode is reduced. Therefore, normally, the level of the electrolytic solution at the end of discharge corresponds to the lowest position.
「空気極層および負極層の最上面」は、空気電池の構成によって、空気極層の最上面を意味する場合と、負極層の最上面を意味する場合と、空気極層および負極層の最上面を意味する場合とがある。それぞれの場合について図5を用いて説明する。なお、便宜上、空気極集電体および負極集電体は省略してある。 The “top surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer” refers to the case where the top surface of the air electrode layer, the top surface of the negative electrode layer, the top surface of the air electrode layer and the negative electrode layer, depending on the configuration of the air battery. Sometimes it means the top surface. Each case will be described with reference to FIG. For convenience, the air electrode current collector and the negative electrode current collector are omitted.
図5(a)は、電解液の液面の最も下がった位置が、空気極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図5(a)に示される空気電池は、電池ケース1の内底面から、負極層3、セパレータ7および空気極層4の順に形成された空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、空気極層4の最上面よりも高い位置になるものである。この空気電池は、酸素の供給が容易であるという利点を有する。
Fig.5 (a) is a schematic sectional drawing which shows the aspect in which the position where the liquid level of electrolyte solution fell most is higher than the uppermost surface of an air electrode layer. The air battery shown in FIG. 5A is an air battery in which the
図5(b)は、電解液の液面の最も下がった位置が、負極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図5(b)に示される空気電池は、電池ケース1の内底面から、空気極層4、セパレータ7および負極層3の順に形成された空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、負極層3の最上面よりも高い位置になるものである。さらに、この空気電池は、空気極層が負極層よりも下となる構造を有するため、必要に応じて、酸素供給手段12や排気手段14を設けても良い。
FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the electrolytic solution is lowest is higher than the uppermost surface of the negative electrode layer. The air battery shown in FIG. 5B is an air battery formed in the order of the
図5(c)は、電解液の液面が最も下がった位置が、空気極層および負極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図5(c)に示される空気電池は、セパレータ7と、セパレータ7の一方の表面に配置された負極層3と、セパレータ7の他方の表面に配置された空気極層4と、を有する円柱状の空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、負極層3および空気極層4の最上面よりも高い位置になるものである。
FIG.5 (c) is a schematic sectional drawing which shows the aspect in which the position where the liquid level of electrolyte solution fell most is higher than the uppermost surface of an air electrode layer and a negative electrode layer. The air battery shown in FIG. 5C is a circle having a
本発明においては、上記電解液の最も下がった位置が、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置よりも高いことが好ましい。上記電解液の最も下がった位置と、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置との高さの差としては、用いられる電池ケースの容積等により異なるものであるが、例えば1mm〜30mmの範囲内、中でも3mm〜10mmの範囲内であることが好ましい。上記高さの差が小さすぎると、溶媒等の揮発により電解液不足が生じ易くなり、上記高さの差が大きすぎると、酸素の供給が遅くなってしまい、高率放電特性が悪くなる恐れがあるからである。また、電解液の初期投入量は、放電または充放電に伴う電極の体積変化を予め測定または計算しておき、最適な投入量を決定することが好ましい。 In this invention, it is preferable that the position where the said electrolyte solution fell most is higher than the position of the uppermost surface of the said air electrode layer and the said negative electrode layer. The difference in height between the position where the electrolyte solution is lowered and the position of the uppermost surface of the air electrode layer and the negative electrode layer varies depending on the volume of the battery case used, for example, 1 mm to 30 mm. In particular, it is preferable to be in the range of 3 mm to 10 mm. If the difference in height is too small, the electrolyte may be insufficient due to volatilization of the solvent, etc., and if the difference in height is too large, the supply of oxygen may be delayed and high-rate discharge characteristics may deteriorate. Because there is. Moreover, it is preferable that the initial input amount of the electrolytic solution is determined by measuring or calculating in advance the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge, and determining the optimal input amount.
また、本発明に用いられる電極体(空気極、負極およびセパレータ)の形状としては、所望の空気電池を得ることができれば特に限定されるものではないが、具体的には、平板型、円筒型、捲回型等を挙げることができる。 In addition, the shape of the electrode body (air electrode, negative electrode and separator) used in the present invention is not particularly limited as long as a desired air battery can be obtained. And a wound type.
B.空気電池システム
次に、本発明の空気電池システムについて説明する。本発明の空気電池システムは、上述した空気電池と、上記電解液を加熱する加熱手段および上記電解液を冷却する冷却手段の少なくとも一方の手段と、を有することを特徴とするものである。
B. Air Battery System Next, the air battery system of the present invention will be described. The air battery system of the present invention includes the air battery described above, and at least one of heating means for heating the electrolytic solution and cooling means for cooling the electrolytic solution.
本発明によれば、空気電池に対して、加熱手段および冷却手段の少なくとも一方を設けることにより、発電効率に優れた空気電池システムとすることができる。ここで、本発明の空気電池システムは、酸素が電解液に溶解する溶解度の温度依存性を利用したものであるといえる。すなわち、空気極層で酸素が消費される放電反応においては、電解液中の溶存酸素量を増加させるために電解液の冷却を行うことができ、空気極層で酸素が生成する充電反応においては、電解液中の溶存酸素量を低下させるために電解液の加熱を行うことができる。これにより、発電効率に優れた空気電池システムとすることができるのである。また、本発明に用いられる空気電池は、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている。そのため、電解液中の溶存酸素量をコントロールすることが特に重要であるといえる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the air battery system excellent in electric power generation efficiency by providing at least one of a heating means and a cooling means with respect to an air battery. Here, it can be said that the air battery system of the present invention utilizes the temperature dependence of the solubility at which oxygen dissolves in the electrolyte. That is, in the discharge reaction in which oxygen is consumed in the air electrode layer, the electrolyte solution can be cooled to increase the amount of dissolved oxygen in the electrolyte solution, and in the charging reaction in which oxygen is generated in the air electrode layer. In order to reduce the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution, the electrolytic solution can be heated. Thereby, it can be set as the air battery system excellent in power generation efficiency. In the air battery used in the present invention, the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution. Therefore, it can be said that it is particularly important to control the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution.
空気電池の反応は、電解液中の溶存酸素量に強く影響を受けている。このことは、例えばJournal of The Electrochemical Society, 149(9) A1190-A1195 (2002)に記載されている。具体的には、A1194頁のconclusionsに、電解液中の酸素の溶存性が放電容量に影響を与えることが記載されており、電解液中の溶存酸素量が電池特性に大きく影響を与える因子であることが分かる。また、電解液中の溶存酸素量の温度依存性については、例えば、Mitochondrial Physiology Network 6.3: 1-6(2001-2006)に記載されている。ここに示されたデータは、水中や海水中の溶存酸素量であるものの、温度が変化すると溶存酸素量が大きく変化することが分かる。さらに、FIFTEENTH SYMPOSIUM ON THERMOPHYSICAL PROPERTIES, p164-(2003)においては、パーフルオロカーボンのような非水溶媒中でも、温度が変化すると溶存酸素量が大きく変化することが分かる。特に、パーフルオロカーボンを溶媒とした系においては、10℃温度が変化すると、電解液中の溶存酸素量が10%〜20%程度変化していることが分かる。 The reaction of the air battery is strongly influenced by the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution. This is described, for example, in Journal of The Electrochemical Society, 149 (9) A1190-A1195 (2002). Specifically, the inclusions on page A1194 describe that the solubility of oxygen in the electrolyte affects the discharge capacity. The amount of dissolved oxygen in the electrolyte is a factor that greatly affects battery characteristics. I understand that there is. The temperature dependence of the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution is described in, for example, Mitochondrial Physiology Network 6.3: 1-6 (2001-2006). Although the data shown here are the amount of dissolved oxygen in water and seawater, it can be seen that the amount of dissolved oxygen changes greatly as the temperature changes. Furthermore, in FIFTEENTH SYMPOSIUM ON THERMOPHYSICAL PROPERTIES, p164- (2003), it can be seen that even in a non-aqueous solvent such as perfluorocarbon, the amount of dissolved oxygen changes greatly when the temperature changes. In particular, in a system using perfluorocarbon as a solvent, it can be seen that when the temperature of 10 ° C. changes, the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution changes by about 10% to 20%.
次に、本発明の空気電池システムについて図面を用いて説明する。図6は、本発明の空気電池システムの一例を説明する説明図である。なお、図6において、図1と重複する一部の符号については説明を省略する。図6に示される空気電池システムは、上述した空気電池と、電池ケース1(下部絶縁ケース1aおよび上部絶縁ケース1b)を介して電解液9を加熱するヒーター15と、電解液9の温度を検知する熱電対16と、を有するものである。この空気電池システムにおいては、充電時、ヒーター15に電流を流し、所定の温度まで電解液9の温度を上昇させる。これにより、電解液9に溶存している酸素が外に抜けやすくなり、反応場である空気極層4周辺の溶存酸素量が低下し、充電反応が促進される。充電終了後は、電流の供給を止め、自然冷却により電解液9の温度を下げる。
Next, the air battery system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining an example of the air battery system of the present invention. In FIG. 6, the description of a part of the reference numerals overlapping those in FIG. 1 is omitted. The air battery system shown in FIG. 6 detects the temperature of the air battery, the
図7は、本発明の空気電池システムの他の例を説明する説明図である。なお、図7において、図1と重複する一部の符号については説明を省略する。図7に示される空気電池システムは、上述した空気電池と、電池ケース1(下部絶縁ケース1aおよび上部絶縁ケース1b)を介して電解液9を加熱・冷却するペルチェ素子17と、電解液9の温度を検知する熱電対16と、を有するものである。この空気電池システムにおいては、充電時、ペルチェ素子17に電流を流し、所定の温度まで電解液9の温度を上昇させる。これにより、電解液9に溶存している酸素が外に抜けやすくなり、反応場である空気極層4周辺の溶存酸素量が低下し、充電反応が促進される。放電時には、ペルチェ素子17に充電時とは逆方向に電流を流すことで、電解液9を冷却する。これにより、電解液9に溶存する酸素量が増加し、放電反応が促進される。
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining another example of the air battery system of the present invention. In FIG. 7, the description of a part of the reference numerals overlapping those in FIG. 1 is omitted. The air battery system shown in FIG. 7 includes the air battery described above, a
本発明の空気電池システムは、空気電池と、加熱手段および冷却手段の少なくとも一方と、を有するものである。上述したように、本発明に用いられる空気電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良い。本発明に用いられる空気電池が二次電池である場合は、本発明の空気電池システムが、加熱手段を有していることが好ましい。二次電池に特有の充電反応を促進させることができるからである。中でも、本発明の空気電池システムは、加熱手段および冷却手段の両方を有していることが好ましい。充電反応および放電反応の両方を促進させることができるからである。一方、本発明に用いられる空気電池が一次電池である場合は、本発明の空気電池システムが、冷却手段を有していることが好ましい。冷却手段を設けることにより、放電反応を促進させることができるからである。 The air battery system of the present invention includes an air battery and at least one of heating means and cooling means. As described above, the air battery used in the present invention may be a primary battery or a secondary battery. When the air battery used for this invention is a secondary battery, it is preferable that the air battery system of this invention has a heating means. This is because the charging reaction peculiar to the secondary battery can be promoted. Especially, it is preferable that the air battery system of this invention has both a heating means and a cooling means. This is because both the charge reaction and the discharge reaction can be promoted. On the other hand, when the air battery used for this invention is a primary battery, it is preferable that the air battery system of this invention has a cooling means. This is because the discharge reaction can be promoted by providing the cooling means.
本発明に用いられる加熱手段は、空気電池の電解液を加熱できる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、電池ケースを介して加熱する方法、および電解液を直接加熱する方法等を挙げることができる。電池ケースを介して加熱する方法は、電池ケースを加熱することにより、間接的に電解液を加熱する方法である。電池ケースを加熱する方法としては、例えば、ヒーターを用いる方法、ペルチェ素子を用いる方法、熱風を送風する方法、加熱された液体または気体が導通する加熱管を電池ケースの外側に配置する方法等を挙げることができる。一方、電解液を直接加熱する方法としては、例えば、加熱された液体または気体が導通する加熱管を電池ケースの内側に配置する方法、加熱された不活性ガスを電解液にバブリングする方法、加熱された電解液を注入する方法等を挙げることができる。また、上述した図4のように、電解液を循環させる空気電池においては、空気電池の外で電解液を循環させる領域(例えば電解液移動手段11の近傍の領域)で、電解液の加熱を行っても良い。 The heating means used in the present invention is not particularly limited as long as it can heat the electrolytic solution of the air battery. For example, a method of heating through a battery case, a method of directly heating the electrolytic solution, etc. Can be mentioned. The method of heating through the battery case is a method of heating the electrolyte solution indirectly by heating the battery case. As a method for heating the battery case, for example, a method using a heater, a method using a Peltier element, a method of blowing hot air, a method of arranging a heating tube through which a heated liquid or gas is conducted, etc. Can be mentioned. On the other hand, as a method of directly heating the electrolytic solution, for example, a method of placing a heating tube through which heated liquid or gas is conducted inside a battery case, a method of bubbling heated inert gas into the electrolytic solution, heating And a method of injecting the electrolyte solution. Further, as shown in FIG. 4 described above, in the air battery in which the electrolyte solution is circulated, the electrolyte solution is heated in a region where the electrolyte solution is circulated outside the air cell (for example, a region in the vicinity of the electrolyte solution moving means 11). You can go.
上記加熱手段により加熱される電解液の温度は、使用する電解液、および構成部材の材料等により異なるものであるが、例えば45℃〜60℃の範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、電解液中の溶存酸素量が充分に低くなり、充電反応が促進されるからである。 The temperature of the electrolytic solution heated by the heating means varies depending on the electrolytic solution used, the material of the constituent member, and the like, but is preferably in the range of, for example, 45 ° C to 60 ° C. This is because the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution is sufficiently low within the above range, and the charging reaction is promoted.
本発明に用いられる冷却手段は、空気電池の電解液を冷却できる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、電池ケースを介して冷却する方法、および電解液を直接冷却する方法等を挙げることができる。電池ケースを介して冷却する方法は、電池ケースを冷却することにより、間接的に電解液を冷却する方法である。電池ケースを冷却する方法としては、例えば、ペルチェ素子を用いる方法、冷風を送風する方法、冷却された液体または気体が導通する冷却管を電池ケースの外側に配置する方法等を挙げることができる。一方、電解液を直接冷却する方法としては、例えば、冷却された液体または気体が導通する冷却管を電池ケースの内側に配置する方法、冷却された酸素ガスを電解液にバブリングする方法、冷却された電解液を注入する方法等を挙げることができる。また、上述した図4のように、電解液を循環させる空気電池においては、空気電池の外で電解液を循環させる領域(例えば電解液移動手段11の近傍の領域)で、電解液の冷却を行っても良い。 The cooling means used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of cooling the electrolyte solution of the air battery. For example, a method of cooling through the battery case, a method of directly cooling the electrolyte solution, and the like. Can be mentioned. The method of cooling through the battery case is a method of cooling the electrolyte solution indirectly by cooling the battery case. Examples of the method for cooling the battery case include a method using a Peltier element, a method of blowing cool air, and a method of arranging a cooling pipe through which a cooled liquid or gas is conducted outside the battery case. On the other hand, as a method for directly cooling the electrolytic solution, for example, a method of arranging a cooling pipe through which the cooled liquid or gas is conducted inside the battery case, a method of bubbling the cooled oxygen gas into the electrolytic solution, And a method of injecting an electrolytic solution. Further, as shown in FIG. 4 described above, in the air battery in which the electrolyte solution is circulated, the electrolyte solution is cooled in a region where the electrolyte solution is circulated outside the air cell (for example, a region in the vicinity of the electrolyte solution moving means 11). You can go.
上記冷却手段により冷却される電解液の温度は、使用する電解液、および構成部材の材料等により異なるものであるが、例えば0℃〜15℃の範囲内であることが好ましい。電解液の温度が低すぎると、電解液内部のイオン伝導度が低下し、抵抗が大きくなる問題や放電の電気化学反応が阻害される問題が生じ、電解液の温度が高すぎると、電解液中の溶存酸素量が充分に増加しないからである。 The temperature of the electrolytic solution cooled by the cooling means varies depending on the electrolytic solution used, the material of the constituent member, and the like, but is preferably in the range of, for example, 0 ° C to 15 ° C. If the temperature of the electrolytic solution is too low, the ionic conductivity inside the electrolytic solution will decrease, causing problems that resistance will increase and the electrochemical reaction of the discharge will be disturbed, and if the electrolytic solution temperature is too high, This is because the amount of dissolved oxygen therein does not increase sufficiently.
なお、本発明に用いられる空気電池については、上記「A.空気電池」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、本発明の空気電池システムは、電解液の液温を検知する液温検知手段をさらに有していることが好ましい。電解液の液温をより正確に検知することができ、さらに発電効率に優れた空気電池システムとすることができるからである。上記液温検知手段としては、例えば熱電対等を挙げることができる。本発明においては、空気極層近傍での溶存酸素量が重要であることから、上記液温検知手段が空気極近傍に配置されていることが好ましい。 The air battery used in the present invention is the same as the contents described in the above “A. Air battery”, and thus the description thereof is omitted here. Moreover, it is preferable that the air battery system of this invention further has a liquid temperature detection means which detects the liquid temperature of electrolyte solution. This is because the temperature of the electrolytic solution can be detected more accurately, and an air battery system with excellent power generation efficiency can be obtained. As said liquid temperature detection means, a thermocouple etc. can be mentioned, for example. In the present invention, since the amount of dissolved oxygen in the vicinity of the air electrode layer is important, the liquid temperature detecting means is preferably disposed in the vicinity of the air electrode.
C.空気電池の制御方法
次に、本発明の空気電池の制御方法について説明する。本発明の空気電池の制御方法は、上述した空気電池を用い、充電の際に上記電解液を加熱すること、および放電の際に上記電解液を冷却することの少なくとも一方を行うことを特徴とするものである。
C. Next, a method for controlling an air battery according to the present invention will be described. The air battery control method of the present invention is characterized in that the above-described air battery is used and at least one of heating the electrolyte solution during charging and cooling the electrolyte solution during discharging is performed. To do.
本発明によれば、充放電の際に電解液の温度をコントロールすることにより、発電効率を向上させることができる。具体的には、充電の際に電解液を加熱することにより、電解液中の溶存酸素量を低下させることができ、充電反応を促進させることができる。また、放電の際に電解液を冷却することにより、電解液中の溶存酸素量を増加させることができ、放電反応を促進させることができる。 According to the present invention, power generation efficiency can be improved by controlling the temperature of the electrolyte during charging and discharging. Specifically, by heating the electrolytic solution during charging, the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution can be reduced, and the charging reaction can be promoted. In addition, by cooling the electrolyte during discharge, the amount of dissolved oxygen in the electrolyte can be increased, and the discharge reaction can be promoted.
本発明に用いられる空気電池、電解液を加熱・冷却する方法、および加熱・冷却時の電解液の温度等については、上記「A.空気電池」および上記「B.空気電池システム」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。 The air battery used in the present invention, the method for heating / cooling the electrolyte, the temperature of the electrolyte during heating / cooling, etc. are described in the above-mentioned “A. Air battery” and “B. Air battery system”. Since it is the same as the content, description here is abbreviate | omitted.
上述したように、本発明に用いられる空気電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良い。本発明に用いられる空気電池が二次電池である場合は、本発明の空気電池の制御方法は、充電の際に電解液を加熱することを行うことが好ましい。二次電池に特有の充電反応を促進させることができるからである。中でも、本発明の空気電池の制御方法は、充電の際に電解液を加熱すること、および放電の際に電解液を冷却することの両方を行うことが好ましい。充電反応および放電反応の両方を促進させることができるからである。一方、本発明に用いられる空気電池が一次電池である場合は、本発明の空気電池の制御方法は、放電の際に電解液を冷却することが好ましい。放電反応を促進させることができるからである。 As described above, the air battery used in the present invention may be a primary battery or a secondary battery. When the air battery used for this invention is a secondary battery, it is preferable that the control method of the air battery of this invention heats electrolyte solution in the case of charge. This is because the charging reaction peculiar to the secondary battery can be promoted. Especially, it is preferable that the control method of the air battery of this invention performs both heating an electrolyte solution in the case of charge, and cooling an electrolyte solution in the case of discharge. This is because both the charge reaction and the discharge reaction can be promoted. On the other hand, when the air battery used in the present invention is a primary battery, the air battery control method of the present invention preferably cools the electrolyte during discharge. This is because the discharge reaction can be promoted.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例]
本実施例においては、コインセル型の空気リチウム電池を作製した。なお、以下のコインセルの組立はアルゴンボックス内で行った。
コインセルの模式図を図8に示す。負極ケース22、空気極ケース20はともにSUS材からなり、空気極ケース20は、直径2mmの貫通孔29を複数開けられている。負極ケース22の上には、金属リチウム箔24が設置されている。金属リチウム箔24は、厚み250μmのシートを直径18mmで打ち抜いたものを使用した。その金属リチウム箔24の上にポリエチレン製セパレータ25を設置した。セパレータ25は厚み25μmで直径19.5mmに打ち抜いたものを使用した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[Example]
In this example, a coin cell type air lithium battery was produced. The following coin cells were assembled in an argon box.
A schematic diagram of a coin cell is shown in FIG. Both the
次に、このセパレータ25の上から、電解液23をスポイトで注液した。その後、セパレータ25上に空気極を設置した。空気極は、空気極メッシュ26に空気極合剤27を押さえつけて空気極メッシュ26内にめり込ませたものを使用した。空気極メッシュ26は、Ni製のメッシュであり、厚み150μm、直径15mmのものを使用した。空気極合剤27は、ケッチェンブラック90重量部と二酸化マンガン5重量部とをめのう乳鉢にて混練したのちに、ポリテトラフルオロエタン(以下PTFEと省略する。)を添加し、さらに混練したものを使用した。空気極合剤27のペレットを空気極ケース20を入れた。空気極ケース20には、空気極集電体28が溶接にて設置されていた。この空気極集電体28は厚み150μm、直径15mmのニッケルメッシュを使用した。空気極ケース20にガスケット21をはめ込み、空気極板を得た。
Next, the
この空気極板を電解液に浸漬したセパレータの上に被せて、組合せたのち、コインセル用かしめ機(宝泉製)を用いて、負極ケースと空気極ケースを接合した。得られたコインセルを、リードを予めつけてあるセルケースにはめ込み、その電池をガラス製密閉容器内に取付けした。 The air electrode plate was put on a separator immersed in an electrolytic solution, combined, and then the negative electrode case and the air electrode case were joined using a coin cell caulking machine (manufactured by Hosen). The obtained coin cell was fitted into a cell case with a lead attached in advance, and the battery was mounted in a glass sealed container.
取りつけた状態を図9に示す。ガラス製密閉容器内には、ガス導入管35、排気管30が取り付けられている。セルを容器内にセットし、密閉後、アルゴンボックス内から取り出した。次に、容器のガス導入管35から酸素ガスを封入し、排気管30から排出する操作を5分間行い、アルゴン雰囲気下から酸素雰囲気下に置換した。まず、これを比較例とした。
The attached state is shown in FIG. A
次に、アルゴンボックス内でセルを密閉容器に取り付ける際にテフロン(登録商標)製容器40に電解液41を60ml加え、その中にセルを浸漬させた。その様子を図10に示す。なお、セルは液面から約2cmの深さにセットした。この後、ガラス製容器を密閉し、アルゴンボックスから取り出し、比較例と同じ方法で、酸素ガス雰囲気下に置換した。これを実施例とした。
Next, when the cell was attached to the sealed container in the argon box, 60 ml of the
上記電池を用いて、放電テストを行った。放電は、0.2mAの定電流で放電を行い、2Vに到達した時点で停止した。試験中は、25℃の恒温槽内にセルをセットして行った。得られた放電曲線を図11に示す。いずれも2.6V付近で放電平坦部が認められるが、実施例に対し、比較例は、かなり早く2Vに到達してしまった。実施例の放電容量を100%とした場合に、比較例は、47%程度の放電容量であった。これは、空気極の一部が乾燥し、電解液が枯渇してしまったものによると考えられる。これに対して、実施例の場合は、常に電解液に浸漬しているので、比較例よりも放電特性が良くなったものと考えられる。 A discharge test was performed using the battery. Discharging was performed at a constant current of 0.2 mA and stopped when 2V was reached. During the test, the cell was set in a constant temperature bath at 25 ° C. The obtained discharge curve is shown in FIG. In both cases, a flat discharge portion was observed around 2.6 V, but the comparative example reached 2 V considerably faster than the examples. When the discharge capacity of the example was 100%, the comparative example had a discharge capacity of about 47%. This is presumably because part of the air electrode was dried and the electrolyte was depleted. On the other hand, in the case of Example, since it is always immersed in electrolyte solution, it is thought that the discharge characteristic became better than the comparative example.
1 … 電池ケース
1a … 下部絶縁ケース
1b … 上部絶縁ケース
2 … 負極集電体
2´ … 負極リード
3 … 負極層
4 … 空気極層
5 … 空気極メッシュ
6 … 空気極集電体
6´ … 空気極リード
7 … セパレータ
8 … 微多孔膜
9 … 電解液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際に、前記空気極層および前記負極層が常に電解液で満たされていることを特徴とする空気電池。 An air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material that absorbs and releases metal ions, and the negative electrode layer A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current, and a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer,
An air battery characterized in that the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with an electrolytic solution when a volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge occurs.
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