JP2009032415A - Air battery system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air battery system having a favorable cycle characteristic. <P>SOLUTION: The problem is solved by providing the air battery system including an air battery cell having: an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode power collector for collecting electric power from the air electrode layer; a negative electrode having a negative electrode layer containing a negative electrode active material that adsorbs and releases Li ions and a negative electrode power collector for collecting electric power from the negative electrode layer; a separator provided between the air electrode layer and the negative electrode layer; and the fluorine-containing electrolyte with which at least the separator is impregnated, and also including a discharge controller that terminates the discharge of the air battery cell, wherein a discharge final voltage of the discharge controller is 2.3 V or higher based on an Li metal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、良好なサイクル特性を有する空気電池システムに関する。   The present invention relates to an air battery system having good cycle characteristics.

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の特性を向上させるために、従来、種々の開発がなされている。例えば、特許文献1においては、室温溶融塩等の疎水性非水電解質を用いた空気電池が開示されている。この技術は、疎水性非水電解質を用いることにより、酸素や水分が電解質に溶解することを抑制し、金属負極
が酸化反応や加水分解反応により劣化することを防止するものであった。
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 order to improve the characteristics of such an air battery, various developments have been conventionally made. For example, Patent Document 1 discloses an air battery using a hydrophobic nonaqueous electrolyte such as a room temperature molten salt. This technique suppresses the dissolution of oxygen and moisture in the electrolyte by using a hydrophobic non-aqueous electrolyte, and prevents the metal negative electrode from being deteriorated by an oxidation reaction or a hydrolysis reaction.

一方、二次電池型の空気電池においては、サイクル特性の向上が望まれている。例えば、特許文献2においては、加圧された酸素等の気体を封入した密閉型の酸素リチウム二次電池が開示されている。この技術は、密閉型の酸素リチウム二次電池とすることで、外界から水分が侵入することを防止し、サイクル特性の向上を図るものであった。また、特許文献3においては、二酸化炭素を溶解した非水電解液を用いた非水電解質空気電池が開示されている。この技術は、二酸化炭素を溶解した非水電解液を用いることで、酸素や水分が負極活物質と直接反応することを抑制し、サイクル特性の向上を図るものであった。   On the other hand, in a secondary battery type air battery, improvement in cycle characteristics is desired. For example, Patent Document 2 discloses a sealed oxygen lithium secondary battery in which a gas such as pressurized oxygen is enclosed. In this technique, a sealed oxygen lithium secondary battery is used to prevent moisture from entering from the outside world and improve cycle characteristics. Patent Document 3 discloses a nonaqueous electrolyte air battery using a nonaqueous electrolytic solution in which carbon dioxide is dissolved. In this technique, by using a nonaqueous electrolytic solution in which carbon dioxide is dissolved, oxygen and moisture are prevented from reacting directly with the negative electrode active material, and cycle characteristics are improved.

このように、酸素や水分は、空気電池のサイクル特性を低下させる一つの要因となり得るものの、実際には、複数の要因が重なり合うことで、サイクル特性の低下が起きていると考えられる。サイクル特性が低下する要因としては、例えば、空気極の部材構成に起因する要因、空気極の密度に起因する要因、種々の副反応に起因する要因等が考えられる。しかしながら、これらの要因に対する検討はなされておらず、サイクル特性の向上について、解明されていないことが多いという実情があった。
特開2005−116317号公報 特許第3764623号 特開2003−7357号公報
As described above, although oxygen and moisture can be one factor that deteriorates the cycle characteristics of the air battery, in reality, it is considered that a decrease in cycle characteristics occurs due to the overlap of a plurality of factors. As factors that cause the cycle characteristics to deteriorate, for example, factors attributable to the air electrode member configuration, factors attributable to the air electrode density, factors attributable to various side reactions, and the like are conceivable. However, these factors have not been studied, and there has been a fact that the improvement of cycle characteristics is often not clarified.
JP 2005-116317 A Japanese Patent No. 3764623 JP 2003-7357 A

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、良好なサイクル特性を有する空気電池システムを提供することを主目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its main object to provide an air battery system having good cycle characteristics.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討したところ、Liイオンをイオン伝導体とし、かつ、フッ素を含有する電解液を用いた空気電池セルに対して、低い電圧になるまで放電を行うと、サイクル特性が大幅に低下することを見出した。この理由は必ずしも明らかではないが、後述する副反応が起き、LiF等が生じるためであると考えられる。本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、放電時に、空気電池セルの電圧が低くなりすぎることを防止する放電制御部を設けることにより、サイクル特性の低下を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors diligently studied to achieve the above object. As a result, the air battery cell using an electrolyte containing Li ions as an ionic conductor and containing fluorine was discharged until a low voltage was reached. As a result, it was found that the cycle characteristics are greatly reduced. Although this reason is not necessarily clear, it is thought that it is because the side reaction mentioned later occurs and LiF etc. arise. The present invention has been made based on this finding, and it has been found that by providing a discharge control unit that prevents the voltage of the air battery cell from becoming too low during discharge, it is possible to suppress deterioration in cycle characteristics. The invention has been completed.

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、Li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、少なくとも上記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルと、上記空気電池セルの放電を終止させる放電制御部と、を有し、上記放電制御部の放電終止電圧が、Li金属基準で2.3V以上であることを特徴とする空気電池システムを提供する。   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 Li ions. A negative electrode including 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, and a fluorine-containing fluorine impregnated in at least the separator and containing fluorine An air battery cell having an electrolyte solution, and a discharge control unit for terminating discharge of the air battery cell, and a discharge end voltage of the discharge control unit is 2.3 V or more based on Li metal An air battery system is provided.

本発明によれば、放電制御部を設け、放電時に空気電池セルの電圧が低くなりすぎることを防止することにより、副反応生成物であるLiF等の生成を抑制でき、サイクル特性の低下を抑制することができる。   According to the present invention, by providing a discharge control unit and preventing the voltage of the air battery cell from becoming too low during discharge, generation of LiF or the like as a side reaction product can be suppressed, and deterioration of cycle characteristics can be suppressed. can do.

上記発明においては、上記放電終止電圧が、Li金属基準で2.6V以下であることが好ましい。放電終止電圧が高すぎると、放電容量が低くなる可能性があるからである。   In the said invention, it is preferable that the said discharge final voltage is 2.6 V or less on the basis of Li metal. This is because if the discharge end voltage is too high, the discharge capacity may be lowered.

上記発明においては、上記フッ素含有電解液が、フッ素含有電解質を含有することが好ましい。副反応生成物であるLiF等が生成し易く、本発明の効果を充分に発揮することができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said fluorine-containing electrolyte solution contains a fluorine-containing electrolyte. This is because LiF or the like, which is a side reaction product, is easily generated, and the effects of the present invention can be sufficiently exhibited.

上記発明においては、上記フッ素含有電解質が、LiPFであることが好ましい。LiPFは分解し易いため、副反応生成物であるLiF等が特に生成し易いからである。 In the above invention, the fluorine-containing electrolyte is preferably LiPF 6. This is because LiPF 6 is easily decomposed, so that LiF as a side reaction product is particularly easily generated.

また、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、Li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、少なくとも上記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルを用い、上記空気電池セルの電圧が、Li金属基準で2.3V以上の段階で放電を終止し、充電を行うことを特徴とする空気電池セルの制御方法を提供する。   The present invention also 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 Li ions. A negative electrode including 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, and a fluorine-containing fluorine impregnated in at least the separator and containing fluorine A method for controlling an air battery cell, comprising: using an air battery cell having an electrolyte solution; and stopping charging at a stage where the voltage of the air battery cell is 2.3 V or more on the basis of a Li metal. I will provide a.

本発明によれば、特定の電圧で放電を終止することにより、副反応生成物であるLiF等の生成を抑制でき、サイクル特性の低下を抑制することができる。   According to the present invention, by stopping the discharge at a specific voltage, generation of LiF or the like as a side reaction product can be suppressed, and deterioration of cycle characteristics can be suppressed.

本発明においては、空気電池システムのサイクル特性が低下することを抑制できるという効果を奏する。   In this invention, there exists an effect that it can suppress that the cycling characteristics of an air battery system fall.

以下、本発明の空気電池システムおよび空気電池セルの制御方法について詳細に説明する。   Hereinafter, an air battery system and an air battery cell control method of the present invention will be described in detail.

A.空気電池システム
まず、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、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、Li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、少なくとも上記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルと、上記空気電池セルの放電を終止させる放電制御部と、を有し、上記放電制御部の放電終止電圧が、Li金属基準で2.3V以上であることを特徴とするものである。
A. Air Battery System First, the air battery system of the present invention will be described. An air battery system 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 Li ions. A negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, and at least a fluorine impregnated in the separator and containing fluorine And a discharge control unit for terminating the discharge of the air battery cell, and a discharge end voltage of the discharge control unit is 2.3 V or more on the basis of Li metal. It is characterized by this.

本発明によれば、放電制御部を設け、放電時に空気電池セルの電圧が低くなりすぎることを防止することにより、副反応生成物であるLiF等の生成を抑制でき、サイクル特性の低下を抑制することができる。ここで、Liイオンをイオン伝導体とする空気電池においては、放電時に空気極で以下の反応(1)が起きることが知られている。
Li+e+O → LiO or Li 反応(1)
According to the present invention, by providing a discharge control unit and preventing the voltage of the air battery cell from becoming too low during discharge, generation of LiF or the like as a side reaction product can be suppressed, and deterioration of cycle characteristics can be suppressed. can do. Here, in an air battery using Li ions as an ion conductor, it is known that the following reaction (1) occurs at the air electrode during discharge.
Li + + e - + O 2 → Li 2 O or Li 2 O 2 reaction (1)

一方、本発明においては、Liイオンをイオン伝導体とし、かつ、フッ素を含有する電解液を用いた空気電池セルに対して、低い電圧になるまで放電を行うと、サイクル特性を大幅に低下することを見出した。この理由は必ずしも明らかではないが、おそらく、以下の反応(2)で表されるような副反応が生じ、LiFが生成するためであると考えられる。
Li+F → LiF 反応(2)
On the other hand, in the present invention, if discharge is performed to a low voltage with respect to an air battery cell using Li ion as an ionic conductor and an electrolyte containing fluorine, cycle characteristics are significantly reduced. I found out. The reason for this is not necessarily clear, but it is probably because a side reaction represented by the following reaction (2) occurs and LiF is generated.
Li + + F → LiF reaction (2)

このLiFは、充電時に分解されにくいため、放電電気容量よりも少ない電気容量しか充電できなくなる。その結果、充放電を繰り返すことで、LiFが蓄積され、サイクル特性が低下すると考えられる。そこで、本発明においては、上記の反応(2)のような副反応が生じないような電圧で放電を終止させることにより、LiFの生成を抑制し、サイクル特性の良好な空気電池システムとすることができるのである。   Since this LiF is difficult to be decomposed at the time of charging, only a smaller electric capacity than the discharging electric capacity can be charged. As a result, by repeating charge and discharge, LiF is accumulated, and it is considered that cycle characteristics deteriorate. Therefore, in the present invention, the discharge is stopped at a voltage that does not cause a side reaction such as the above reaction (2), thereby suppressing the generation of LiF and providing an air battery system with good cycle characteristics. Can do it.

なお、上記の副反応は、Liイオンをイオン伝導体とし、かつ、フッ素を含有する電解液を用いた空気電池には見られるが、同様の構成を有するリチウム二次電池等では起こり難い現象である。その理由は必ずしも明らかではないが、酸素が豊富な雰囲気で充放電反応が起こる点に起因するものであると考えられる。つまり酸素が多量に存在するために、フッ化物電解質塩の分解が促進されていると推測される。そのため、上記の副反応によるサイクル特性の低下は、酸素を反応源とし、かつ、フッ素を含有する電解液を用いた空気電池特有の課題であると考えられる。   Note that the above side reaction is a phenomenon that is unlikely to occur in a lithium secondary battery or the like having a similar structure, although it is found in an air battery using Li ion as an ion conductor and using an electrolyte containing fluorine. is there. The reason for this is not necessarily clear, but it is thought to be due to the fact that the charge / discharge reaction occurs in an oxygen-rich atmosphere. That is, it is presumed that the decomposition of the fluoride electrolyte salt is promoted because of the large amount of oxygen. For this reason, the reduction in cycle characteristics due to the side reaction is considered to be a problem peculiar to air batteries using an electrolytic solution containing oxygen as a reaction source and containing fluorine.

本発明においては、放電制御部の放電終止電圧が、通常、Li金属基準で2.3V以上に設定されている。すなわち、空気電池セルの電圧が、放電終止電圧よりも低くなると、放電制御部が作動し放電が終止する。中でも、本発明においては、放電制御部の放電終止電圧がLi金属基準で2.4V以上であることが好ましい。副反応生成物であるLiF等の生成をさらに抑制でき、サイクル特性の向上を図ることができるからである。   In the present invention, the discharge end voltage of the discharge control unit is normally set to 2.3 V or more on the basis of Li metal. That is, when the voltage of the air battery cell becomes lower than the discharge end voltage, the discharge control unit operates to stop the discharge. Especially, in this invention, it is preferable that the discharge end voltage of a discharge control part is 2.4 V or more on the basis of Li metal. This is because generation of LiF or the like as a side reaction product can be further suppressed, and cycle characteristics can be improved.

一方、放電制御部の放電終止電圧は、Li金属基準で2.6V以下であることが好ましい。放電終止電圧が高すぎると、放電容量が低くなる可能性があるからである。放電容量の観点からは、放電制御部の放電終止電圧がLi金属基準で2.5V以下であることがより好ましい。   On the other hand, the discharge end voltage of the discharge controller is preferably 2.6 V or less on the basis of Li metal. This is because if the discharge end voltage is too high, the discharge capacity may be lowered. From the viewpoint of discharge capacity, the discharge end voltage of the discharge control unit is more preferably 2.5 V or less on the basis of Li metal.

次に、本発明に用いられる空気電池セルについて図面を用いて説明する。図1(a)は、本発明に用いられる空気電池セル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セルの外観を示す斜視図である。図1(a)に示される空気電池セル10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Li金属からなる負極層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を浸し、フッ素を含有するフッ素含有電解液9と、を有する。   Next, the air battery cell used for this invention is demonstrated using drawing. Fig.1 (a) is a schematic sectional drawing which shows an example of the air battery cell used for this invention. FIG.1 (b) is a perspective view which shows the external appearance of the air battery cell shown by Fig.1 (a). An air battery cell 10 shown in FIG. 1A includes a negative electrode current collector 2 formed on the inner bottom surface of a lower insulating case 1a, a negative electrode lead 2 'connected to the negative electrode current collector 2, and a negative electrode current collector. A negative electrode layer 3 made of Li metal formed on the body 2, an air electrode layer 4 containing carbon, an air electrode mesh 5 and an air electrode current collector 6 for collecting the air electrode layer 4, and an air electrode current collector Upper insulating case having an air electrode lead 6 ′ connected to the electric body 6, a separator 7 installed between the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4, and a microporous film 8 provided for supplying oxygen. 1b, the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4, and a fluorine-containing electrolytic solution 9 containing fluorine.

図2は、本発明の空気電池システムを説明する説明図である。図2に示される空気電池システム20は、空気電池セル10と、放電制御部11とを有するものである。放電制御部11は、空気電池セル10の放電を終止させる機能を有するものである。
以下、本発明の空気電池システムについて、空気電池システムの部材と、空気電池システムの構成とに分けて説明する。
FIG. 2 is an explanatory view illustrating the air battery system of the present invention. The air battery system 20 shown in FIG. 2 includes the air battery cell 10 and the discharge control unit 11. The discharge controller 11 has a function of terminating the discharge of the air battery cell 10.
Hereinafter, the air battery system of the present invention will be described separately for the members of the air battery system and the configuration of the air battery system.

1.空気電池システムの部材
まず、本発明の空気電池システムの部材について説明する。本発明の空気電池システムは、通常、空気電池セルおよび放電制御部を有する。以下、本発明の空気電池システムの部材について、(1)空気電池セル、および(2)放電制御部に分けて説明する。
1. First, members of the air battery system of the present invention will be described. The air battery system of the present invention usually has air battery cells and a discharge controller. Hereinafter, the members of the air battery system of the present invention will be described separately for (1) air battery cells and (2) discharge control units.

(1)空気電池セル
まず、本発明に用いられる空気電池セルについて説明する。本発明に用いられる空気電池セルは、通常、空気極、負極、セパレータ、フッ素含有電解液および電池ケースを有するものである。
(1) Air battery cell First, the air battery cell used for this invention is demonstrated. The air battery cell used in the present invention usually has an air electrode, a negative electrode, a separator, a fluorine-containing electrolyte and a battery case.

(i)負極
本発明に用いられる負極は、Li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。
(I) Negative electrode The negative electrode used in the present invention has a negative electrode layer containing a negative electrode active material that absorbs and releases Li 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、Li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。   The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release Li ions. As said negative electrode active material, the thing similar to the negative electrode active material used for a general lithium ion battery 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.

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、後述する「(ii)空気極」に記載する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. The type and amount of the binder used are the same as those described later in “(ii) Air electrode”, and thus the description thereof is omitted here.

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.

(ii)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、酸素が空気極内でLiイオンと反応し、導電性材料の表面にリチウム酸化物が生成する。そのため、上記空気極層は、酸素およびLiイオンのキャリアであるフッ素含有電解液が充分に移動できる程度の空隙を有している。
(Ii) Air electrode The air electrode used in the present invention has 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 reacts with Li ions in the air electrode, and lithium oxide is generated on the surface of the conductive material. For this reason, the air electrode layer has a void enough to allow the fluorine-containing electrolyte, which is a carrier of oxygen and Li 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.

(iii)フッ素含有電解液
本発明に用いられるフッ素含有電解液は、少なくとも1種類のフッ素含有材料を含有するものである。上記フッ素含有材料は、電解質(フッ素含有電解質)であっても良く、溶媒(フッ素含有溶媒)であっても良く、添加剤(フッ素含有添加剤)であっても良い。中でも、本発明においては、フッ素含有電解液に含まれるフッ素含有材料が、フッ素含有電解質および/またはフッ素含有溶媒であることが好ましい。
(Iii) Fluorine-containing electrolyte The fluorine-containing electrolyte used in the present invention contains at least one fluorine-containing material. The fluorine-containing material may be an electrolyte (fluorine-containing electrolyte), a solvent (fluorine-containing solvent), or an additive (fluorine-containing additive). Especially, in this invention, it is preferable that the fluorine-containing material contained in a fluorine-containing electrolyte solution is a fluorine-containing electrolyte and / or a fluorine-containing solvent.

上記フッ素含有電解質としては、例えば、LiPF、LiBF、およびLiAsF等の無機リチウム塩;およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができ、中でもLiPFが好ましい。LiPFは分解し易いため、副反応生成物であるLiF等が生成し易く、本発明の効果を充分に発揮することができるからである。 Examples of the fluorine-containing electrolyte include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , Organic lithium salts such as LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 can be mentioned, and among them, LiPF 6 is preferable. This is because LiPF 6 is easily decomposed, so that LiF as a side reaction product is easily generated, and the effects of the present invention can be sufficiently exhibited.

一方、フッ素含有電解質以外の電解質としては、例えば、LiClO、LiBOB(Lithium Bis (Oxalato)Borate)等を挙げることができる。 On the other hand, examples of the electrolyte other than the fluorine-containing electrolyte include LiClO 4 and LiBOB (Lithium Bis (Oxalato) Borate).

上記フッ素含有溶媒としては、例えば、メチルジフルオロアセテート、エチルジフルオロアセテート、ジメチルジフルオロマロネート、メチルペンタフルオロプロピオネート等を挙げることができ、中でもメチルジフルオロアセテートが好ましい。なお、上記フッ素含有溶媒は、一般的に酸素溶存性が良好であるため、電解液の溶媒として有用である。   Examples of the fluorine-containing solvent include methyl difluoroacetate, ethyl difluoroacetate, dimethyldifluoromalonate, and methylpentafluoropropionate. Among them, methyl difluoroacetate is preferable. In addition, since the said fluorine-containing solvent generally has favorable oxygen solubility, it is useful as a solvent of electrolyte solution.

一方、フッ素含有溶媒以外の溶媒としては、例えば、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。   On the other hand, examples of the solvent other than the fluorine-containing solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, and γ-butyrolactone. , 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.

上記フッ素含有添加剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、フルオロベンゼン、トリフルオロメタンプロピレンカーボネート等を挙げることができる。   Examples of the fluorine-containing additive include fluoroethylene carbonate, fluorobenzene, trifluoromethanepropylene carbonate, and the like.

上記フッ素含有電解液に含まれる電解質の濃度は、一般的な空気電池の電解液における濃度と同様であり、例えば0.5mol/l〜2mol/lの範囲内である。なお、本発明に用いられるフッ素含有電解液は、少なくともセパレータに含浸されていれば良いが、通常は、空気極層および負極層を満たすように注入される。   The concentration of the electrolyte contained in the fluorine-containing electrolytic solution is the same as that in a general air battery electrolytic solution, for example, in the range of 0.5 mol / l to 2 mol / l. The fluorine-containing electrolytic solution used in the present invention may be at least impregnated in the separator, but is usually injected so as to fill the air electrode layer and the negative electrode layer.

(iv)セパレータ
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、フッ素含有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。
(Iv) Separator 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 holding the fluorine-containing electrolyte solution. For example, a porous film such as polyethylene or polypropylene; Nonwoven fabrics such as glass fiber nonwoven fabrics; and polymer materials used in lithium polymer batteries.

(v)電池ケース
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、フッ素含有電解液を収納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、本発明に用いられる電池ケースは、開放型電池ケースであっても良く、密閉型電池ケースであっても良い。
(V) Battery Case The shape of the battery case used in the present invention is not particularly limited as long as the above-described air electrode, negative electrode, separator, and fluorine-containing electrolyte can be accommodated. Examples thereof include a mold, a flat plate type, and a cylindrical type. The battery case used in the present invention may be an open battery case or a sealed battery case.

(2)放電制御部
次に、本発明に用いられる放電制御部について説明する。本発明に用いられる放電制御部は、上記空気電池セルの放電を終止させる機能を有するものである。本発明においては、放電制御部の放電終止電圧が、通常、Li金属基準で2.3V以上に設定されている。すなわち、空気電池セルの電圧が、放電終止電圧よりも低くなると、放電制御部が作動し放電が終止する。なお、放電終止電圧の好ましい範囲等については、上述した通りである。
(2) Discharge control part Next, the discharge control part used for this invention is demonstrated. The discharge controller used in the present invention has a function of terminating the discharge of the air battery cell. In the present invention, the discharge end voltage of the discharge control unit is normally set to 2.3 V or more on the basis of Li metal. That is, when the voltage of the air battery cell becomes lower than the discharge end voltage, the discharge control unit operates to stop the discharge. The preferable range of the discharge end voltage is as described above.

上記放電制御部は、通常、空気電池セルの電圧をモニターするモニター部と、モニター部から得られた電圧が、放電終止電圧未満となる際に、放電を終止させる放電終止部と、を有する。   The discharge control unit usually includes a monitor unit that monitors the voltage of the air battery cell, and a discharge termination unit that terminates the discharge when the voltage obtained from the monitor unit is less than the discharge termination voltage.

2.空気電池システムの構成
次に、本発明の空気電池システムの構成について説明する。本発明の空気電池システムは、空気電池セルおよび放電制御部を有するものである。以下、本発明の空気電池システムの構成について、(1)空気電池セルの構成、および(2)放電制御部の配置に分けて説明する。
2. Configuration of Air Battery System Next, the configuration of the air battery system of the present invention will be described. The air battery system of this invention has an air battery cell and a discharge control part. Hereinafter, the configuration of the air battery system of the present invention will be described by dividing it into (1) the configuration of the air battery cell and (2) the arrangement of the discharge control unit.

(1)空気電池セルの構成
まず、本発明における空気電池セルの構成について説明する。本発明における空気電池セルの構成は、上述した空気極、負極、セパレータ、フッ素含有電解液、および電池ケースを有するものであれば特に限定されるものではなく、任意の構成をとることができる。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、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。
(1) Configuration of Air Battery Cell First, the configuration of the air battery cell in the present invention will be described. The configuration of the air battery cell in the present invention is not particularly limited as long as it has the above-described air electrode, negative electrode, separator, fluorine-containing electrolytic solution, and battery case, and can take any configuration. In addition, the shape of the electrode body (air electrode, negative electrode and separator) used in the present invention is not particularly limited, and specific examples include a flat plate type, a cylindrical type, and a wound type. it can.

本発明に用いられる空気電池セルは、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フッ素含有電解液で満たされていることが好ましい。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からである。従来の空気電池セルには、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った。例えば、負極活物質としてリチウム金属を用いた空気電池セルを考えると、放電時に負極では、LiがLiイオンとして溶出し、空気極では、リチウム酸化物が析出する。この際、リチウム酸化物(Li)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で約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。これに対して、空気極層および負極層が常に電解液で満たすことで、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。 In the air battery cell used in the present invention, it is preferable that the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the fluorine-containing electrolyte when the volume change of the electrode accompanying charge / discharge occurs. This is because it is possible to suppress an increase in internal resistance due to the electrolyte shortage. The conventional air battery cell has a problem in that the volume of the electrodes (air electrode and negative electrode) changes greatly with charge and discharge, resulting in a situation where the electrolyte is insufficient. For example, when considering an air battery cell using lithium metal as a negative electrode active material, Li elutes as Li ions at the negative electrode during discharge, and lithium oxide precipitates at the air electrode. At this time, since the density of lithium oxide (Li 2 O 2 ) is larger than the density of Li, the entire electrode contracts by about 35% in volume ratio. As a result, there is a problem in that the amount of the electrolytic solution is insufficient at the end of discharge, and a part of the air electrode or the like is not immersed in the electrolytic solution, thereby increasing the internal resistance. On the other hand, when the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution, an increase in internal resistance due to the shortage of the electrolytic solution can be suppressed.

なお、本発明において、「充放電に伴う電極の体積変化」とは、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。   In the present invention, the “volume change of the electrode accompanying charge / discharge” means that when metal ions move between the air electrode layer and the negative electrode layer due to charge / discharge, the difference in the density of the product, etc. It means the volume change of the resulting electrode (air electrode and negative electrode).

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フッ素含有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、フッ素含有電解液を循環させる構成を挙げることができる。フッ素含有電解液を循環させることにより、従来の空気電池セルを使用する場合に存在した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フッ素含有電解液で満たすことができるからである。また、揮発によるフッ素含有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。また充電時に、フッ素含有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 fluorine-containing electrolyte when a volume change associated with charge / discharge occurs is, for example, a configuration in which the fluorine-containing electrolyte is circulated. it can. By circulating the fluorine-containing electrolyte, charging and discharging can be performed without causing the gas-liquid interface that existed when using conventional air battery cells, and even when the volume of the electrode changes, This is because the air electrode layer and the negative electrode layer can always be filled with the fluorine-containing electrolyte. In addition, there is an advantage that a decrease in the fluorine-containing electrolyte due to volatilization can be prevented. Further, by circulating the fluorine-containing electrolyte during charging, it is possible to efficiently remove oxygen generated by the charging reaction from the air electrode layer.

フッ素含有電解液を循環させる構成としては、具体的には、図3に示すように、モーター等の電解液移動手段21を用いて、フッ素含有電解液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22を用いて酸素23を空気極層4に供給し、過剰の酸素は、排気手段24により除去する。酸素供給手段22が、フッ素含有電解液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24は特に必要ない。また、充電時には、図3に示したフッ素含有電解液の流れと反対の方向にフッ素含有電解液を循環させても良い。なお、図3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. 3, the fluorine-containing electrolyte 9 is circulated by using the electrolyte-transfer means 21 such as a motor, the fluorine-containing electrolyte 9, the anode layer 3, the separator 7, and the air. A configuration in which the polar layer 4 is circulated in this order can be given. At the time of discharge, oxygen 23 is supplied to the air electrode layer 4 using oxygen supply means 22 such as bubbling, and excess oxygen is removed by the exhaust means 24. If the oxygen supply means 22 can appropriately increase the oxygen concentration dissolved in the fluorine-containing electrolytic solution 9, the exhaust means 24 is not particularly necessary. Further, at the time of charging, the fluorine-containing electrolyte may be circulated in the direction opposite to the flow of the fluorine-containing electrolyte shown in FIG. In FIG. 3, for convenience, the air electrode current collector and the negative electrode current collector are omitted, but current collection may be performed by an appropriate method.

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フッ素含有電解液で満たされている状態にする別の構成としては、フッ素含有電解液を多く用いる構成を挙げることができる。充分に多くのフッ素含有電解液を用いることで、空気極層等が電解液不足になることを防止することができる。   Another configuration in which the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the fluorine-containing electrolyte when a volume change associated with charge / discharge occurs is a configuration using a large amount of the fluorine-containing electrolyte. it can. By using a sufficiently large amount of the fluorine-containing electrolyte, it is possible to prevent the air electrode layer and the like from becoming insufficient.

すなわち、本発明においては、充放電に伴う電極の体積変化により上記フッ素含有電解液の液面の高さが変化する場合に、上記フッ素含有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。フッ素含有電解液の量を、上記の位置となるように設定することで、フッ素含有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Li金属を用いた場合は、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、放電終了時のフッ素含有電解液の液面が、最も下がった位置に相当する。   That is, in the present invention, when the liquid level of the fluorine-containing electrolyte solution changes due to the volume change of the electrode accompanying charge / discharge, the position where the liquid level of the fluorine-containing electrolyte solution is lowest is the air. It is preferable that the position is higher than the positions of the top surfaces of the polar layer and the negative electrode layer. It is because it can prevent that a fluorine-containing electrolyte solution runs short by setting the quantity of a fluorine-containing electrolyte solution to become said position. For example, when Li metal 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 surface of the fluorine-containing electrolyte 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、空気電池セルの構成によって、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4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 uppermost surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer” means the uppermost surface of the air electrode layer, the uppermost surface of the negative electrode layer, the air electrode layer, and the negative electrode layer, depending on the configuration of the air battery cell. It may mean 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4(a)は、フッ素含有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4(a)に示される空気電池セルは、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セルであって、フッ素含有電解液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。この空気電池セルは、酸素の供給が容易であるという利点を有する。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the fluorine-containing electrolyte is lowered is higher than the uppermost surface of the air electrode layer. The air battery cell shown in FIG. 4A is an air battery cell formed in the order of the negative electrode layer 3, the separator 7 and the air electrode layer 4 from the inner bottom surface of the battery case 1. The lowest position is a position higher than the uppermost surface of the air electrode layer 4. This air battery cell has an advantage that oxygen can be easily supplied.

図4(b)は、フッ素含有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4(b)に示される空気電池セルは、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セルであって、フッ素含有電解液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、この空気電池セルは、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22や排気手段24を設けても良い。   FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the fluorine-containing electrolyte is lowered is higher than the uppermost surface of the negative electrode layer. The air battery cell shown in FIG. 4B is an air battery cell formed in the order of the air electrode layer 4, the separator 7 and the negative electrode layer 3 from the inner bottom surface of the battery case 1. The lowest position is a position higher than the uppermost surface of the negative electrode layer 3. Furthermore, since this air battery cell has a structure in which the air electrode layer is below the negative electrode layer, an oxygen supply means 22 and an exhaust means 24 may be provided as necessary.

図4(c)は、フッ素含有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4(c)に示される空気電池セルは、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セルであって、フッ素含有電解液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. 4C is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the fluorine-containing electrolyte is lowered is higher than the uppermost surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer. The air battery cell shown in FIG. 4C includes a separator 7, a negative electrode layer 3 disposed on one surface of the separator 7, and an air electrode layer 4 disposed on the other surface of the separator 7. In the cylindrical air battery cell, the lowest position of the fluorine-containing electrolyte 9 is higher than the uppermost surfaces of the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4.

本発明においては、上記フッ素含有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。上記フッ素含有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、フッ素含有電解液の初期投入量は、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 the present invention, it is preferable that the position where the fluorine-containing electrolyte is lowered is higher than the positions of the uppermost surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer. The difference in height between the position where the fluorine-containing electrolyte 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. It is preferable to be within a range of ˜30 mm, especially within a 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. In addition, it is preferable that the initial input amount of the fluorine-containing electrolyte is determined by measuring or calculating in advance the volume change of the electrode accompanying charge / discharge, and determining the optimal input amount.

(2)放電制御部の配置
次に、本発明における放電制御部の配置について説明する。図5は、本発明に用いられる放電制御部を説明する説明図である。空気電池セル101は、外部端子−V105と外部端子+V104にスイッチ回路103(放電終止部)を介して接続されている。また、外部端子−V105と外部端子+V104には負荷107が接続されている。さらに空気電池101に並列に充放電制御回路102が接続されている。この充放電制御回路102は、空気電池101の電圧をモニターする機能を備えている(モニター部)。空気電池101がある放電電圧に到達すると、スイッチ回路103がOFFするように充放電回路102から信号が出力される。これにより放電終了状態となる。なお、図5において、符号108は空気電池の空気極端子を示し、符号109は空気電池の負極端子を示している。
(2) Arrangement of Discharge Control Unit Next, the arrangement of the discharge control unit in the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a discharge control unit used in the present invention. The air battery cell 101 is connected to the external terminal −V105 and the external terminal + V104 via a switch circuit 103 (discharge termination portion). A load 107 is connected to the external terminal −V105 and the external terminal + V104. Further, a charge / discharge control circuit 102 is connected in parallel to the air battery 101. The charge / discharge control circuit 102 has a function of monitoring the voltage of the air battery 101 (monitor unit). When the air battery 101 reaches a certain discharge voltage, a signal is output from the charge / discharge circuit 102 so that the switch circuit 103 is turned off. Thereby, it will be in a discharge end state. In FIG. 5, reference numeral 108 denotes an air electrode terminal of the air battery, and reference numeral 109 denotes a negative terminal of the air battery.

B.空気電池セルの制御方法
次に、本発明の空気電池セルの制御方法について説明する。本発明の空気電池セルの制御方法は、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、Li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、少なくとも上記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルを用い、上記空気電池セルの電圧が、Li金属基準で2.3V以上の段階で放電を終止し、充電を行うことを特徴とするものである。
B. Next, a method for controlling the air battery cell of the present invention will be described. The air battery cell control method 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 Li ions. A negative electrode layer containing a substance, a negative electrode having a negative electrode current collector for collecting the negative electrode layer, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, and at least the separator is impregnated with fluorine. An air battery cell having a fluorine-containing electrolyte solution, and the discharge of the air battery cell is terminated at a stage where the voltage of the air battery cell is 2.3 V or more on the basis of Li metal, and charging is performed. is there.

本発明によれば、特定の電圧で放電を終止することにより、副反応生成物であるLiF等の生成を抑制でき、サイクル特性の低下を抑制することができる。なお、LiFの生成等について、および用いられる空気電池セルについては、上記「A.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。   According to the present invention, by stopping the discharge at a specific voltage, generation of LiF or the like as a side reaction product can be suppressed, and deterioration of cycle characteristics can be suppressed. In addition, about the production | generation etc. of LiF, and about the air battery cell used, since it is the same as that of the content described in said "A. air battery system", description here is abbreviate | omitted.

本発明においては、通常、上記空気電池セルの電圧が、Li金属基準で2.3V以上の段階で放電を終止する。中でも、Li金属基準で2.4V以上の段階で放電を終止することが好ましい。副反応生成物であるLiF等の生成をさらに抑制でき、サイクル特性の向上を図ることができるからである。なお、上述したように、放電終止電圧はLi金属基準とする。   In the present invention, the discharge is usually stopped when the voltage of the air battery cell is 2.3 V or higher with respect to the Li metal. In particular, it is preferable to stop the discharge at a stage of 2.4 V or more based on Li metal. This is because generation of LiF or the like as a side reaction product can be further suppressed, and cycle characteristics can be improved. As described above, the end-of-discharge voltage is based on Li metal.

一方、本発明においては、上記空気電池セルの電圧が、Li金属基準で2.6V以下の段階で放電を終止することが好ましい。高い電圧で放電を終止すると、放電容量が低くなる可能性があるからである。放電容量の観点からは、Li金属基準で2.5V以下の段階で放電を終止することがより好ましい。   On the other hand, in the present invention, it is preferable to stop the discharge when the voltage of the air battery cell is 2.6 V or less on the basis of Li metal. This is because if the discharge is terminated at a high voltage, the discharge capacity may be lowered. From the viewpoint of the discharge capacity, it is more preferable to stop the discharge at a stage of 2.5 V or less on the basis of Li metal.

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1]
(空気電池セルの作製)
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6に示す。負極ケース32、空気極ケース30はともにSUS材からなり、空気極ケース30は、直径2mmの貫通孔39を複数開けられている。負極ケース32の上には、金属リチウム箔34が設置されている。金属リチウム34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34の上にポリエチレン製セパレータ35を設置した。セパレータ35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 1]
(Production of air battery cells)
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 negative electrode case 32 and the air electrode case 30 are made of SUS material, and the air electrode case 30 has a plurality of through holes 39 having a diameter of 2 mm. A metal lithium foil 34 is installed on the negative electrode case 32. As the metallic lithium 34, a sheet having a thickness of 250 μm punched out with a diameter of 18 mm was used. A polyethylene separator 35 was placed on the metal lithium foil 34. The separator 35 was punched to a diameter of 19.5 mm with a thickness of 25 μm.

次に、このセパレータ35の上から、フッ素含有電解液33をスポイトで注液した。フッ素含有電解液33には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを1:1(体積比)で混合した混合溶媒中に、LiPFを1M溶解した電解液(キシダ化学製)を使用した。その後、セパレータ35上に空気極を設置した。空気極は、空気極メッシュ36に空気極合剤37を押さえつけて空気極メッシュ36内にめり込ませたものを使用した。空気極メッシュ36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37は、ケッチェンブラック82重量部と二酸化マンガン15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。)3重量部を添加し、さらに混練したものを使用した。空気極合剤37のペレットを空気極ケース30を入れた。空気極ケース30には、空気極集電体38が溶接にて設置されていた。この空気極集電体38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30にガスケット31をはめ込み、空気極板を得た。 Next, the fluorine-containing electrolytic solution 33 was injected from above the separator 35 with a dropper. The fluorine-containing electrolyte solution 33, ethylene carbonate and diethyl carbonate 1: 1 in a mixed solvent were mixed at a volume ratio was used LiPF 6 electrolytic solution prepared by dissolving 1M (manufactured by Kishida Chemical). Thereafter, an air electrode was installed on the separator 35. The air electrode used was an air electrode mesh 36 pressed into the air electrode mesh 36 by pressing the air electrode mixture 37 against the air electrode mesh 36. The air electrode mesh 36 is a Ni mesh having a thickness of 150 μm and a diameter of 15 mm. The air electrode mixture 37 was kneaded in a mortar with 82 parts by weight of ketjen black and 15 parts by weight of manganese dioxide, and then 3 parts by weight of polytetrafluoroethane (hereinafter abbreviated as PTFE) was added. A kneaded product was used. An air electrode case 30 was put in pellets of the air electrode mixture 37. The air electrode current collector 38 is installed in the air electrode case 30 by welding. The air electrode current collector 38 was a nickel mesh having a thickness of 150 μm and a diameter of 15 mm. A gasket 31 was fitted into the air electrode case 30 to obtain an air electrode plate.

この空気極板をフッ素含有電解液33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、コインセルを得た。次に、得られたコインセルをアルゴンボックス内でガラス容器内に入れ、密閉した後に、酸素ガスをガラス容器内に導入させてアルゴンガスから酸素ガスに置換した。   This air electrode plate is put on a separator immersed in a fluorine-containing electrolyte solution 33, combined, and then the negative electrode case and the air electrode case are joined using a coin cell caulking machine (manufactured by Hosen) to obtain a coin cell. It was. Next, after putting the obtained coin cell in a glass container in an argon box and sealing it, oxygen gas was introduced into the glass container to replace the argon gas with oxygen gas.

(サイクル試験)
得られたコインセルを用いて、サイクル試験を行った。サイクル試験の条件は、以下の通りである。
充電条件:10mA/g(カーボン当たりの電流)、4.8Vcut(vs Li金属)
放電条件:10mA/g(カーボン当たりの電流)
放電終止電圧:2.3V(vs Li金属)
サイクル試験の結果を表1に示す。なお、50サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除したものを容量維持率とした。
(Cycle test)
A cycle test was performed using the obtained coin cell. The conditions of the cycle test are as follows.
Charging conditions: 10 mA / g (current per carbon), 4.8 Vcut (vs Li metal)
Discharge condition: 10 mA / g (current per carbon)
End-of-discharge voltage: 2.3 V (vs Li metal)
The results of the cycle test are shown in Table 1. The capacity retention rate was obtained by dividing the discharge capacity at the 50th cycle by the discharge capacity at the 1st cycle.

[実施例2]
実施例1と同様のコインセルを用い、放電終止電圧を2.5Vとしたこと以外は、実施例1と同様にしてサイクル試験を行った。
[Example 2]
A cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the same coin cell as in Example 1 was used and the final discharge voltage was 2.5 V.

[実施例3]
実施例1と同様のコインセルを用い、放電終止電圧を2.6Vとしたこと以外は、実施例1と同様にしてサイクル試験を行った。
[Example 3]
A cycle test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the same coin cell as in Example 1 was used and the final discharge voltage was 2.6V.

[実施例4]
実施例1と同様のコインセルを用い、放電終止電圧を2.7Vとしたこと以外は、実施例1と同様にしてサイクル試験を行った。
[Example 4]
A cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the same coin cell as in Example 1 was used and the final discharge voltage was 2.7 V.

[比較例1]
実施例1と同様のコインセルを用い、放電終止電圧を2.0Vとしたこと以外は、実施例1と同様にしてサイクル試験を行った。
[Comparative Example 1]
A cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that the same coin cell as in Example 1 was used and the final discharge voltage was set to 2.0V.

[評価]
実施例1〜4および比較例1で行ったサイクル試験の結果を下記表1に示す。
[Evaluation]
The results of the cycle tests conducted in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.

Figure 2009032415
Figure 2009032415

表1に示されるように、放電終止電圧がLi金属基準で2.3V以上である場合は、良好な容量維持率を示した(実施例1〜4)。これに対して、放電終止電圧がLi金属基準で2.0Vである場合は、容量維持率が55.1%と極端に低かった(比較例1)。これにより、放電終止電圧がLi金属基準で2.3V以上である場合は、サイクル特性の低下を抑制できることが確認できた。また、実施例3および実施例4は、いずれも良好な容量維持率を示したが、放電容量の観点からは、放電終止電圧がLi金属基準で2.6V以下であることが好ましいと考えられる。   As shown in Table 1, when the discharge end voltage was 2.3 V or more on the basis of Li metal, a good capacity retention rate was shown (Examples 1 to 4). On the other hand, when the end-of-discharge voltage was 2.0 V on the basis of Li metal, the capacity retention rate was extremely low at 55.1% (Comparative Example 1). Thereby, when the discharge end voltage was 2.3 V or more on the basis of Li metal, it was confirmed that the deterioration of the cycle characteristics could be suppressed. Moreover, although Example 3 and Example 4 showed the favorable capacity | capacitance maintenance factor, it is thought that it is preferable from the viewpoint of discharge capacity that discharge end voltage is 2.6V or less on the basis of Li metal. .

本発明の空気電池システムを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the air battery system of this invention. 本発明の空気電池システムを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the air battery system of this invention. フッ素含有電解液を循環させる方法を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the method of circulating a fluorine-containing electrolyte solution. フッ素含有電解液の液面と、空気極層等の最上面との位置関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the positional relationship of the liquid level of a fluorine-containing electrolyte solution, and uppermost surfaces, such as an air electrode layer. 本発明に用いられる放電制御部を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the discharge control part used for this invention. 実施例で作製した空気電池セルを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the air battery cell produced in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

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 … フッ素含有電解液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Battery case 1a ... Lower insulating case 1b ... Upper insulating case 2 ... Negative electrode collector 2 '... Negative electrode lead 3 ... Negative electrode layer 4 ... Air electrode layer 5 ... Air electrode mesh 6 ... Air electrode current collector 6' ... Air Electrode lead 7… Separator 8… Microporous membrane 9… Fluorine-containing electrolyte

Claims (5)

導電性材料を含有する空気極層および前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、Li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負極と、前記空気極層および前記負極層の間に設置されたセパレータと、少なくとも前記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルと、
前記空気電池セルの放電を終止させる放電制御部と、を有し、
前記放電制御部の放電終止電圧が、Li金属基準で2.3V以上であることを特徴とする空気電池システム。
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 Li ions, and the negative electrode layer Air having a negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, and a fluorine-containing electrolyte solution that is impregnated in at least the separator and contains fluorine A battery cell;
A discharge controller for terminating the discharge of the air battery cell,
An air battery system, wherein an end-of-discharge voltage of the discharge controller is 2.3 V or more based on Li metal.
前記放電終止電圧が、Li金属基準で2.6V以下であることを特徴とする請求項1に記載の空気電池システム。   2. The air battery system according to claim 1, wherein the discharge end voltage is 2.6 V or less on the basis of Li metal. 前記フッ素含有電解液が、フッ素含有電解質を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の空気電池システム。   The air battery system according to claim 1 or 2, wherein the fluorine-containing electrolyte contains a fluorine-containing electrolyte. 前記フッ素含有電解質が、LiPFであることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の空気電池システム。 Air battery system according to any one of claims to claims 1 to 3, wherein the fluorine-containing electrolyte, characterized in that it is a LiPF 6. 導電性材料を含有する空気極層および前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、Li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負極と、前記空気極層および前記負極層の間に設置されたセパレータと、少なくとも前記セパレータに含浸され、フッ素を含有するフッ素含有電解液と、を有する空気電池セルを用い、
前記空気電池セルの電圧が、Li金属基準で2.3V以上の段階で放電を終止し、充電を行うことを特徴とする空気電池セルの制御方法。
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 Li ions, and the negative electrode layer Air having a negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, and a fluorine-containing electrolyte solution that is impregnated in at least the separator and contains fluorine Using battery cells,
The method of controlling an air battery cell, wherein the discharge of the air battery cell is stopped and charging is performed when the voltage of the air battery cell is 2.3 V or higher with respect to a Li metal.
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