JP2009129736A - Calcium/air battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air battery using a negative electrode active material which is superior in stability under normal environment than metal lithium, and of low cost in terms of material cost. <P>SOLUTION: A gas diffusion type electrode 1 which is obtained by pressing on a titanium mesh a sheet-like electrode fabricated by mixing and roll-forming carbon black powder and a binder (polytetra-fluoroethylene) is fixed to a positive electrode case 4 by spot welding, and a separator 2 in which an electrolytic solution obtained by dissolving calcium perchlorate into acetonitrile at a concentration of 1 mol/liter is injected a proper quantity and impregnated is overlapped on the electrode 1, and further, a negative electrode 3 consisting of calcium which is pressurized and adhered on a stainless negative electrode case 6 is superposed on this and, by inserting and caulking this in a recess of a polypropylene gasket 5, a coin type calcium/air battery is manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はカルシウム/空気電池に関する。   The present invention relates to a calcium / air battery.

市販型亜鉛/空気電池は、300mAh/g程度の大きな放電容量を有することから、主に補聴器などに用いられている。しかしながら、非水電解液を用いるリチウム系の電池と比較すると1V級の電圧しか得られないため、広範な範囲での利用は難しいと考えられている。   Commercially available zinc / air batteries have a large discharge capacity of about 300 mAh / g, and are therefore mainly used for hearing aids. However, since a voltage of only 1V can be obtained as compared with a lithium battery using a non-aqueous electrolyte, it is considered difficult to use in a wide range.

近年、正極反応系として亜鉛/空気電池と同様な酸素の電気化学的な還元を用い、これに負極として亜鉛にかわって金属リチウムを組み合わせ、また電解液として非水溶媒系を用いることによって、リチウム/空気二次電池を作製する試みが行われている。   In recent years, by using electrochemical reduction of oxygen similar to a zinc / air battery as a positive electrode reaction system, combined with metallic lithium instead of zinc as a negative electrode, and using a nonaqueous solvent system as an electrolyte, / Attempts have been made to produce air secondary batteries.

これまでに、下記特許文献1、2に記載されているように、適切な触媒を添加されたガス拡散型電極や安定なイオン液体を用いることによって、5000mAh/gに達するほどの放電容量を示す高エネルギー密度電池の構築に成功している。
特開2004−119278号公報 特開2005−26023号公報
Until now, as described in Patent Documents 1 and 2 below, by using a gas diffusion electrode to which an appropriate catalyst is added or a stable ionic liquid, the discharge capacity reaches 5000 mAh / g. Successful construction of high energy density battery.
JP 2004-119278 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-26023

しかしながら、負極として用いられている金属リチウムには、空気や水に接触したときなどの通常の環境下での安定性が低く安全性が危倶されること、また広く用いられている空気電池の一種である亜鉛/空気電池と比較して、負極材料に関する材料コストが高くなるなどの問題がある。   However, metallic lithium used as a negative electrode has low stability under normal circumstances such as contact with air or water, and is dangerous to safety. There are problems such as higher material costs for the negative electrode material compared to a kind of zinc / air battery.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、金属リチウムよりも通常環境下での安定性に優れ、材料コスト的にも安価な負極活物質を用いた空気電池を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and the problem to be solved by the present invention is that the negative electrode active material is superior to metallic lithium in stability under a normal environment and inexpensive in terms of material cost. It is providing the air battery using.

本発明においては、上記課題を解決するために、請求項1に記載のように、
金属カルシウムまたはカルシウムを含む合金を負極活物質として用い、有機電解液を用い、カーボンを構成要素とするガス拡散型電極を正極として用い、空気中の酸素を正極活物質として用いることを特徴とするカルシウム/空気電池を構成する。
In the present invention, in order to solve the above problem, as described in claim 1,
Metal calcium or an alloy containing calcium is used as a negative electrode active material, an organic electrolyte is used, a gas diffusion electrode having carbon as a constituent element is used as a positive electrode, and oxygen in the air is used as a positive electrode active material Constructs a calcium / air battery.

また、本発明においては、請求項2に記載のように、
前記有機電解液は、アセトニトリルまたはジメチルホルムアミドに電解質を溶解したものであることを特徴とする請求項1に記載のカルシウム/空気電池を構成する。
In the present invention, as described in claim 2,
2. The calcium / air battery according to claim 1, wherein the organic electrolyte is an electrolyte dissolved in acetonitrile or dimethylformamide.

また、本発明においては、請求項3に記載のように、
前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系金属酸化物を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のカルシウム/空気電池を構成する。
In the present invention, as described in claim 3,
3. The calcium / air battery according to claim 1, wherein the gas diffusion electrode contains a transition metal metal oxide containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn.

また、本発明においては、請求項4に記載のように、
前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンを含有することを特徴とする請求項1または2に記載のカルシウム/空気電池を構成する。
In the present invention, as described in claim 4,
3. The calcium / air battery according to claim 1, wherein the gas diffusion electrode contains a transition metal-based porphyrin or transition metal-based phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn. Constitute.

また、本発明においては、請求項5に記載のように、
前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンが、不活性ガス中、その熱分解温度以上に加熱されてなる物質を含有することを特徴とする請求項1、2または4に記載のカルシウム/空気電池を構成する。
In the present invention, as described in claim 5,
The gas diffusion electrode contains a substance obtained by heating a transition metal-based porphyrin or transition metal-based phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn to a thermal decomposition temperature or higher in an inert gas. The calcium / air battery according to claim 1, 2, or 4 is configured.

本発明によれば、亜鉛/空気電池よりも、エネルギー密度・電圧の面でより優れ、また、リチウム/空気電池よりも安全性に優れ、かつ材料コスト的にも安価なカルシウム/空気電池を作製し、提供することができる。   According to the present invention, a calcium / air battery is manufactured which is superior in terms of energy density and voltage as compared to a zinc / air battery, is safer than a lithium / air battery, and is inexpensive in terms of material cost. And can be provided.

本発明は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として、金属リチウムよりも通常環境下での安定性に優れ、材料コスト的にも安価な金属カルシウムまたはカルシウムを含む合金(例えば、カルシウムを50重量%以上含むカルシウム−スズ合金)を用い、電解液として有機電解液を用い、正極として、カーボンを構成要素とするガス拡散型電極を用いることを特徴とするカルシウム/空気電池を提供するものである。   The present invention uses oxygen in the air as a positive electrode active material, and as a negative electrode active material, metal calcium or an alloy containing calcium, which is superior in stability under a normal environment than metal lithium and inexpensive in terms of material cost (for example, A calcium / air battery using a calcium-tin alloy containing 50% by weight or more of calcium, using an organic electrolytic solution as an electrolytic solution, and using a gas diffusion electrode having carbon as a constituent element as a positive electrode. It is to provide.

更に、本発明に係るカルシウム/空気電池においては、前記有機電解液の有機溶媒としてアセトニトリルまたはジメチルホルムアミドを用いたときに、優れた電池特性を得ることができる。   Furthermore, in the calcium / air battery according to the present invention, excellent battery characteristics can be obtained when acetonitrile or dimethylformamide is used as the organic solvent of the organic electrolyte.

また、高エネルギー密度・高電圧のカルシウム/空気電池を構築するために、ガス拡散型電極に、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系金属酸化物を添加する。この手法を用いることにより、高エネルギー密度・高電圧のカルシウム/空気電池が得られる。   Further, in order to construct a high energy density / high voltage calcium / air battery, a transition metal metal oxide containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn is added to the gas diffusion type electrode. By using this method, a high energy density / high voltage calcium / air battery can be obtained.

また、同様の目的で、カーボン、バインダー及び集電シートを構成要素とするガス拡散型電極に、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンを添加することにより、上記金属酸化物の場合と同様の効果が得られる。   For the same purpose, transition metal-based porphyrin or transition metal-based phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn is added to a gas diffusion electrode including carbon, a binder, and a current collector sheet as constituent elements. As a result, the same effect as in the case of the metal oxide can be obtained.

また、更に、カーボンとCo、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンを添加した前記のカーボン粉末を、電気炉などを用いて不活性ガス中で熱処理することによって、前記遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンの少なくとも一部分を熱分解させてなる生成物の粉末を用いたガス拡散型電極を用いることによって、電池の性能が向上し、その結果、更にエネルギー密度・電圧特性の向上したカルシウム/空気電池を作製することができる。   Furthermore, the carbon powder to which carbon and transition metal porphyrin containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn or transition metal phthalocyanine is added is heat-treated in an inert gas using an electric furnace or the like. Thus, by using a gas diffusion electrode using a powder of a product obtained by thermally decomposing at least part of the transition metal porphyrin or transition metal phthalocyanine, the performance of the battery is improved. A calcium / air battery with improved density and voltage characteristics can be produced.

本発明に係わるカルシウム/空気電池の構造や構成材料について、次に記す。   The structure and constituent materials of the calcium / air battery according to the present invention will be described below.

正極活物質である酸素の電気化学的還元反応が進行するガス拡散型電極を形成するには、カーボン粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような結着剤(バインダー)粉末との混合物をチタンメッシュ等の支持体上に圧着成形する方法、あるいは、前述の混合物を有機溶剤等の溶媒中に分散してスラリー状にして金属メッシュ上に塗布し乾燥する方法等の手段によって形成され、その一方の面は大気に接し、他方の面は電解液と接する。また、電極の強度を高め、電解液の漏洩を防止するために、冷間プレスだけでなくホットプレスを行うことによっても、より安定性に優れた電極を作製可能である。   In order to form a gas diffusion electrode in which an electrochemical reduction reaction of oxygen as a positive electrode active material proceeds, a mixture of carbon powder and binder (binder) powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is made of titanium. Formed by means such as a method of pressure forming on a support such as a mesh, or a method of dispersing the above-mentioned mixture in a solvent such as an organic solvent to form a slurry and applying it on a metal mesh and drying, etc. This surface is in contact with the atmosphere, and the other surface is in contact with the electrolyte. Further, in order to increase the strength of the electrode and prevent leakage of the electrolytic solution, it is possible to produce an electrode having more excellent stability by performing not only cold pressing but also hot pressing.

ガス拡散型電極上での反応は次のように表すことができる。   The reaction on the gas diffusion type electrode can be expressed as follows.

Ca2+ +(1/2)O + 2e → CaO (1)
上式中のカルシウムイオン(Ca2+)は、負極から電気化学的酸化により溶解し、正極表面まで移動してきたものである。また、酸素(O)は、大気中からガス拡散型電極内部に取り込まれたものである。
Ca 2+ + (1/2) O 2 + 2e → CaO (1)
Calcium ions (Ca 2+ ) in the above formula are dissolved from the negative electrode by electrochemical oxidation and migrate to the positive electrode surface. Oxygen (O 2 ) is taken into the gas diffusion electrode from the atmosphere.

負極は、負極活物質であるカルシウムをシート状にし、また、そのシートをニッケル、ステンレス等の導電体に圧着して形成される。また、負極活物質としては、金属カルシウムの他に、カルシウムを主成分として含む合金(例えば、カルシウムを50重量%以上含むカルシウム−スズ合金)も使用することができる。   The negative electrode is formed by forming calcium, which is a negative electrode active material, into a sheet shape, and pressing the sheet onto a conductor such as nickel or stainless steel. As the negative electrode active material, an alloy containing calcium as a main component (for example, a calcium-tin alloy containing 50% by weight or more of calcium) can be used in addition to calcium metal.

放電時の負極(金属カルシウム)の反応は以下のように表すことができる。   The reaction of the negative electrode (metallic calcium) during discharge can be expressed as follows.

Ca → Ca2+ + 2e (2)
電解液としては、(2)式に示すようなカルシウムの溶解反応が可能なものであればよく、例えば、電解質である、カルシウムイオンを含む金属塩(例えば過塩素酸カルシウム)を有機溶媒に溶解して得た有機電解液を使用でき、あるいは固体電解質、イオン液体も使用可能である。
Ca → Ca 2+ + 2e (2)
Any electrolyte solution that can dissolve calcium as shown in the formula (2) can be used. For example, a metal salt containing calcium ions (for example, calcium perchlorate), which is an electrolyte, is dissolved in an organic solvent. The organic electrolyte obtained in this way can be used, or a solid electrolyte or ionic liquid can also be used.

セパレータ、電池ケース等の構造材料等、他の構成要素についても、従来公知の各種材料が使用でき、これらについて特に制限はない。   Various other publicly known materials can be used for other constituent elements such as a structural material such as a separator and a battery case, and these are not particularly limited.

以下の実施の形態例において、電池の作製はアルゴン雰囲気中で、電池の放電試験は通常の生活環境下で、それぞれ行った。   In the following embodiments, the battery was manufactured in an argon atmosphere, and the battery discharge test was performed in a normal living environment.

以下に添付図面を参照して、この発明に係わるカルシウム/空気電池についての実施の形態例を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施の形態例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。   Exemplary embodiments of a calcium / air battery according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following example of embodiment, In the range which does not change the summary, it can implement suitably.

[実施の形態例1]
カーボンブラック粉末と結着剤(ポリテトラフルオロエチレン)を70:30の重量比で混合し、ロール成形し、シート状電極を作製した。このシート状電極をチタンメッシュ上にプレスすることにより、ガス拡散型電極を得た。これを用いて、コイン型カルシウム/空気電池を作製した。
[Embodiment 1]
Carbon black powder and a binder (polytetrafluoroethylene) were mixed at a weight ratio of 70:30 and roll-formed to produce a sheet-like electrode. The sheet-like electrode was pressed onto a titanium mesh to obtain a gas diffusion electrode. Using this, a coin-type calcium / air battery was produced.

図1は、その断面の略図であり、図中、1はガス拡散型電極、2はセパレータ(電解液含浸)、3は負極、4は正極ケース、5はガスケット、6は負極ケースを示す。   FIG. 1 is a schematic view of the cross section, in which 1 is a gas diffusion electrode, 2 is a separator (electrolyte impregnation), 3 is a negative electrode, 4 is a positive electrode case, 5 is a gasket, and 6 is a negative electrode case.

正極ケース4の底面には、酸素をガス拡散型電極1に取り込むための円形の空気孔(直径18mm)を作製した。ステンレス製正極ケース4にガス拡散型電極1を配置し、電極外縁部のチタンメッシュを正極ケース4とスポット溶接することにより固定した。   A circular air hole (18 mm in diameter) for taking oxygen into the gas diffusion electrode 1 was formed on the bottom surface of the positive electrode case 4. The gas diffusion type electrode 1 was placed on a stainless steel positive electrode case 4, and the titanium mesh at the outer edge of the electrode was fixed to the positive electrode case 4 by spot welding.

また、電極外縁部にポリテトラフルオロエチレン分散液を塗布し、100℃程度で乾燥し、溶媒を除去することにより、ガス拡散型電極1外縁部からの電解液の漏出を防止した。   In addition, the polytetrafluoroethylene dispersion was applied to the outer edge of the electrode, dried at about 100 ° C., and the solvent was removed to prevent leakage of the electrolyte from the outer edge of the gas diffusion electrode 1.

ガス拡散型電極1の上にポリプロピレン製の微孔性のセパレータ2を配置し、これに電解液を適量注入含浸させた後、この正極部分に、ステンレス製負極ケース6上(図1においては下面)に金属カルシウムの負極3を加圧密着したものを被せ、ポリプロピレン製ガスケット5の凹部に挿入し、加圧し、かしめることにより、厚さ2mm、直径23mmのコイン型カルシウム/空気電池を作製した。   A microporous separator 2 made of polypropylene is disposed on the gas diffusion electrode 1, and after an appropriate amount of electrolyte is injected and impregnated therein, the positive electrode portion is placed on a stainless negative electrode case 6 (in FIG. 1, the lower surface). ) Was covered with a metal calcium negative electrode 3 in pressure contact, inserted into the recess of the polypropylene gasket 5, pressed and caulked to produce a coin-type calcium / air battery having a thickness of 2 mm and a diameter of 23 mm. .

電解液としては、炭酸プロピレン(PC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルメチル(EMC)、γ-ブチロラクトン(GBL)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトニトリル(AN)の7種類の溶媒に、それぞれ過塩素酸カルシウムを1モル/リットルの濃度で溶解し使用した。   Examples of the electrolyte include propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), γ-butyrolactone (GBL), N, N-dimethylformamide (DMF), acetonitrile (AN In each of the seven types of solvents, calcium perchlorate was dissolved and used at a concentration of 1 mol / liter.

この電池を、電流密度 0.05mA/cm(大気に曝されるガス拡散型電極1の面積で規格化)で、放電終止電圧 1.0 Vで放電試験を行った。 The battery was subjected to a discharge test at a current density of 0.05 mA / cm 2 (standardized by the area of the gas diffusion electrode 1 exposed to the atmosphere) and a discharge end voltage of 1.0 V.

その結果、全ての電池が放電挙動を示し、カルシウム/空気電池として作動可能であることが確認された。   As a result, it was confirmed that all the batteries showed discharge behavior and could be operated as calcium / air batteries.

図2に、有機溶媒としてAN、DMC、GBLを、それぞれ用いた電池の放電特性を示す。この図より、ANの場合が 800mAh/g(電池重量で規格化)と最も放電容量が大きく、平均放電電圧も 2.1Vと高電圧であることが分かる。DMC、GBLの場合は、開回路電圧からの電圧降下が非常に大きく、放電容量についてもANの場合よりも著しく劣ることが明らかとなった。   FIG. 2 shows the discharge characteristics of a battery using AN, DMC, and GBL as organic solvents. From this figure, it can be seen that AN has the largest discharge capacity of 800 mAh / g (standardized by battery weight) and the average discharge voltage is 2.1 V, which is a high voltage. In the case of DMC and GBL, the voltage drop from the open circuit voltage was very large, and the discharge capacity was also significantly inferior to that of AN.

表1に全ての電池の放電測定に関するデータを示す。   Table 1 shows data related to the discharge measurement of all the batteries.

Figure 2009129736
この表より、使用する溶媒の種類によって、放電電圧や放電容量が著しく異なることがわかる。カルシウム/空気電池は、使用する溶媒によって、大放電容量を示し優れた特性を示すもの(AN、DMF)、中庸なもの(DMC、DEC、EMC)、小さな放電容量しか示さないもの(PC、GBL)に区別されることがわかった。
Figure 2009129736
From this table, it can be seen that the discharge voltage and discharge capacity differ significantly depending on the type of solvent used. Depending on the solvent used, calcium / air batteries have large discharge capacity and excellent characteristics (AN, DMF), moderate (DMC, DEC, EMC), and small discharge capacity (PC, GBL). ).

以上、本実施の形態例より、カルシウム/空気電池は、電解液に用いる溶媒として、ANまたはDMFを用いることによって、大きな放電容量が得られることがわかった。また、ANとDMFの混合溶媒を用いても、同様の性能が得られることを確認している。   As described above, according to the present embodiment, it was found that the calcium / air battery can obtain a large discharge capacity by using AN or DMF as the solvent used in the electrolytic solution. It has also been confirmed that similar performance can be obtained even if a mixed solvent of AN and DMF is used.

[実施の形態例2]
ガス拡散型電極1に、酸素還元反応に高活性なCo、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系金属酸化物(以下に示すように、電極反応の触媒として働くので、触媒とも呼ぶ)を添加することで、電池の高性能化を達成できる。以下に、その実験方法及び実験結果の詳細を記す。
[Embodiment 2]
The gas diffusion electrode 1 is a transition metal metal oxide containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn that is highly active in oxygen reduction reaction (as shown below, it acts as a catalyst for electrode reaction. The battery performance can be improved. The details of the experimental method and experimental results will be described below.

遷移金属酸化物(Co、NiO、Fe、MnO)、カーボンブラック粉末、結着剤(ポリテトラフルオロエチレン)を50:30:30の重量比で混合し、ロール成形し、シート状電極を作製した。この工程後の電極作製方法及び電池作製法は、実施の形態例1と同様にして行った。電解液についても、実施の形態例1と同様に、7種類の有機溶媒を用いて、電池を作製した。 Transition metal oxide (Co 3 O 4 , NiO, Fe 2 O 3 , MnO 2 ), carbon black powder, and binder (polytetrafluoroethylene) are mixed at a weight ratio of 50:30:30 and roll-formed. A sheet electrode was prepared. The electrode manufacturing method and battery manufacturing method after this step were performed in the same manner as in the first embodiment. As for the electrolytic solution, as in the first embodiment, a battery was prepared using seven types of organic solvents.

電池の放電試験を、実施の形態例1と同様に行った。その結果、実施の形態例1と比較して、いずれの電池においても、放電電圧に、0.1〜0.2Vの向上が見られた。表2に、本実施の形態例における電池の放電容量を、実施の形態例1の触媒無添加の結果とあわせて示す。   The battery discharge test was performed in the same manner as in the first embodiment. As a result, as compared with the first embodiment, the discharge voltage was improved by 0.1 to 0.2 V in any of the batteries. Table 2 shows the discharge capacity of the battery according to the present embodiment together with the result of adding no catalyst in the first embodiment.

Figure 2009129736
いずれの電池でも、ガス拡散型電極1への触媒添加により、放電容量が向上していることがわかる。これは、これらの遷移金属酸化物が正極での酸素還元反応に対して触媒活性を有していることを示している。しかしながら、本実施の形態例においても使用する溶媒によって、大放電容量を示し優れた特性を示すもの(AN、DMF)、中庸なもの(DMC、DEC、EMC)、小さな放電容量しか示さないもの(PC、GBL)に区別されることがわかった。
Figure 2009129736
In any of the batteries, it can be seen that the discharge capacity is improved by adding the catalyst to the gas diffusion electrode 1. This indicates that these transition metal oxides have catalytic activity for the oxygen reduction reaction at the positive electrode. However, also in this embodiment, depending on the solvent used, those having a large discharge capacity and showing excellent characteristics (AN, DMF), moderate (DMC, DEC, EMC), and those showing only a small discharge capacity ( PC, GBL).

[実施の形態例3]
ガス拡散型電極1に、酸素還元反応に高活性であって、中心金属としてCo、Ni、Fe、Mnを含む大環状有機化合物であるポルフィリンまたはフタロシアニンを添加することで、電池の高性能化を達成できる(この場合も、添加物が触媒作用を持つので、これを触媒と呼ぶ)。以下に、その実験方法及び実験結果の詳細を記す。また、中心金属(M=Co、Ni、Fe、Mn)を含むポルフィリン化合物をMP、中心金属(M=Co、Ni、Fe、Mn)を含むフタロシアニン化合物をMPcと、それぞれ以下より略記する。
[Embodiment 3]
By adding porphyrin or phthalocyanine, which is a macrocyclic organic compound having high activity in oxygen reduction reaction and containing Co, Ni, Fe, Mn as a central metal, to the gas diffusion electrode 1, the performance of the battery can be improved. (Again, this is called a catalyst because the additive is catalytic). The details of the experimental method and experimental results will be described below. Further, a porphyrin compound containing a central metal (M = Co, Ni, Fe, Mn) is abbreviated as MP, and a phthalocyanine compound containing a central metal (M = Co, Ni, Fe, Mn) is abbreviated as MPc.

遷移金属系大環状有機化合物(MP、MPc、M=Co、Ni、Fe、Mn)とカーボンブラック粉末を、重量比5:3でブタノール水溶液中に分散させ激しく撹拌し、吸引ろ過し、得られた粉末は100℃で一晩乾燥させた。触媒/カーボン混合粉末と結着剤(ポリテトラフルオロエチレン)を8:2の重量比で混合し、ロール成形し、シート状電極を作製した。この工程後の電極作製方法及び電池作製法は、実施の形態例1と同様にして行った。電解液についても、実施の形態例1と同様に、7種類の有機溶媒を用いて、電池を作製した。   A transition metal macrocyclic organic compound (MP, MPc, M = Co, Ni, Fe, Mn) and carbon black powder are dispersed in an aqueous solution of butanol at a weight ratio of 5: 3, vigorously stirred, and suction filtered. The powder was dried at 100 ° C. overnight. The catalyst / carbon mixed powder and the binder (polytetrafluoroethylene) were mixed at a weight ratio of 8: 2 and roll-molded to produce a sheet-like electrode. The electrode manufacturing method and battery manufacturing method after this step were performed in the same manner as in the first embodiment. As for the electrolytic solution, as in the first embodiment, a battery was prepared using seven types of organic solvents.

電池の放電試験を、実施の形態例1と同様に行った。その結果、実施の形態例1と比較して、いずれの電池においても、放電電圧に、0.1〜0.2Vの向上が見られた。表3に、本実施の形態例における電池の放電容量を、実施の形態例1の触媒無添加の結果とあわせて示す。   The battery discharge test was performed in the same manner as in the first embodiment. As a result, as compared with the first embodiment, the discharge voltage was improved by 0.1 to 0.2 V in any of the batteries. Table 3 shows the discharge capacity of the battery according to the present embodiment together with the result of adding no catalyst in the first embodiment.

Figure 2009129736
いずれの電池でも、ガス拡散型電極1への触媒添加により、放電容量が向上していることがわかる。これは、これらの遷移金属系大環状有機化合物が正極での酸素還元反応に対して触媒活性を有していることを示している。また、電解液については、実施の形態例1、2と同様に、AN及びDMF溶媒を用いたものが、良好な電池性能を示した。
Figure 2009129736
In any of the batteries, it can be seen that the discharge capacity is improved by adding the catalyst to the gas diffusion electrode 1. This indicates that these transition metal-based macrocyclic organic compounds have catalytic activity for the oxygen reduction reaction at the positive electrode. As for the electrolytic solution, as in Embodiments 1 and 2, those using AN and DMF solvents showed good battery performance.

[実施の形態例4]
ガス拡散型電極1に、酸素還元反応に高活性であって、中心金属としてCo、Ni、Fe、Mnを含む大環状有機化合物であるポルフィリンまたはフタロシアニンを添加することで、電池の高性能化を達成できることを実施の形態例3に記した。本実施の形態例では、大環状有機化合物触媒の更なる高性能化手法について記す。
[Embodiment 4]
By adding porphyrin or phthalocyanine, which is a macrocyclic organic compound having high activity in oxygen reduction reaction and containing Co, Ni, Fe, Mn as a central metal, to the gas diffusion electrode 1, the performance of the battery can be improved. What can be achieved is described in the third embodiment. In this embodiment, a technique for further improving the performance of the macrocyclic organic compound catalyst will be described.

実施の形態例3と同様にして作製した遷移金属系大環状有機化合物(MP、MPc、M=Co、Ni、Fe、Mn)触媒/カーボン混合粉末を、よく粉砕し、アルゴンガスを流通させた1000℃の電気炉中で熱処理を行った。後記するように、この熱処理によって触媒活性の向上が認められる。本手法においては、流通ガスが不活性ガスであり、熱処理温度が400℃以上であれば、同様の触媒活性向上効果が得られる。熱処理後の電極作製方法及び電池作製法は、実施の形態例1と同様にして行った。電解液についても、実施の形態例1と同様に、7種類の有機溶媒を用いて、電池を作製した。電池の放電試験を、実施の形態例1と同様に行った。   A transition metal-based macrocyclic organic compound (MP, MPc, M = Co, Ni, Fe, Mn) catalyst / carbon mixed powder produced in the same manner as in Embodiment 3 was thoroughly pulverized, and argon gas was circulated. Heat treatment was performed in an electric furnace at 1000 ° C. As will be described later, the catalytic activity is improved by this heat treatment. In this method, if the flow gas is an inert gas and the heat treatment temperature is 400 ° C. or higher, the same catalytic activity improvement effect can be obtained. The electrode manufacturing method and the battery manufacturing method after the heat treatment were performed in the same manner as in the first embodiment. As for the electrolytic solution, as in the first embodiment, a battery was prepared using seven types of organic solvents. The battery discharge test was performed in the same manner as in the first embodiment.

その結果、いずれの電池においても、実施の形態例3と比較して放電電圧に、0.2〜0.3Vの向上が見られた。表4に、本実施の形態例における電池の放電容量を、実施の形態例1の触媒無添加の結果とあわせて示す。   As a result, in any of the batteries, the discharge voltage was improved by 0.2 to 0.3 V as compared with the third embodiment. Table 4 shows the discharge capacity of the battery according to the present embodiment together with the result of adding no catalyst in the first embodiment.

Figure 2009129736
いずれの電池でも、実施の形態例1に示した触媒無添加の電池よりも放電容量が向上していることがわかる。また、実施の形態例3の結果と比較しても、放電容量は更に向上することがわかった。この結果は、カーボン粉末中に分散した遷移金属系大環状有機化合物を熱処理することによって、酸素還元反応に対する触媒活性が向上することを示している。また、電解液については、実施の形態例1、2と同様に、AN及びDMF溶媒を用いたものが、良好な電池性能を示した。
Figure 2009129736
In any of the batteries, it can be seen that the discharge capacity is improved as compared with the battery with no catalyst shown in the first embodiment. Further, it was found that the discharge capacity was further improved compared with the result of the third embodiment. This result shows that the catalytic activity for the oxygen reduction reaction is improved by heat-treating the transition metal macrocyclic organic compound dispersed in the carbon powder. As for the electrolytic solution, as in Embodiments 1 and 2, those using AN and DMF solvents showed good battery performance.

上記の、1000℃での不活性ガス中熱処理によって、遷移金属系大環状有機化合物は完全に熱分解していると考えられる。それによって触媒活性の向上が見られるのであるから、この熱分解が完全ではなくても、不活性ガス中熱処理によって遷移金属系大環状有機化合物の少なくとも一部分が熱分解すれば、その熱分解の程度に応じて触媒活性の向上が実現するとしてよい。すなわち、ガス拡散型電極1は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンが、不活性ガス中、その熱分解温度以上に加熱されてなる物質を含有することによって、触媒活性が向上した電極となるとしてよい。   It is considered that the transition metal-based macrocyclic organic compound is completely thermally decomposed by the heat treatment in an inert gas at 1000 ° C. described above. As a result, the catalytic activity is improved. Even if this thermal decomposition is not complete, if at least a part of the transition metal macrocyclic organic compound is thermally decomposed by heat treatment in an inert gas, the degree of thermal decomposition is increased. Depending on the situation, the catalytic activity may be improved. That is, the gas diffusion electrode 1 is made of a substance obtained by heating a transition metal-based porphyrin or transition metal-based phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn to a temperature equal to or higher than its thermal decomposition temperature in an inert gas. By containing, an electrode with improved catalytic activity may be obtained.

[比較例1]
本発明で得られたカルシウム/空気電池の放電性能を、リチウム/空気電池及び亜鉛/空気電池と比較した。
[Comparative Example 1]
The discharge performance of the calcium / air battery obtained in the present invention was compared with that of a lithium / air battery and a zinc / air battery.

比較例のリチウム/空気電池は、負極にリチウム箔を、正極に実施の形態例4の熱処理を行ったCoP触媒添加のガス拡散型電極1を用いた。電解液は過塩素酸リチウムをAN溶媒に1モル/リットルの濃度で溶解し作製した。電池ケース、セパレータなどは、実施の形態例1と同様のものを用いた。   In the lithium / air battery of the comparative example, a lithium foil was used for the negative electrode, and the CoP catalyst-added gas diffusion electrode 1 subjected to the heat treatment of Example 4 was used for the positive electrode. The electrolyte was prepared by dissolving lithium perchlorate in an AN solvent at a concentration of 1 mol / liter. The battery case, separator, and the like were the same as those in the first embodiment.

また、亜鉛/空気電池は、負極に亜鉛箔を、正極に実施の形態例4の熱処理を行ったCoP触媒添加のガス拡散型電極1を用いた。電解液は、濃度8モル/リットルの水酸化カリウム水溶液を用いた。電池ケースは、実施の形態例1と同様のものを用い、セパレータについては親水性のものを用いた。   Moreover, the zinc / air battery used the gas diffusion type electrode 1 to which the CoP catalyst was added, in which the zinc foil was used for the negative electrode and the heat treatment of the fourth embodiment was applied to the positive electrode. As the electrolytic solution, an aqueous potassium hydroxide solution having a concentration of 8 mol / liter was used. The battery case was the same as that in Embodiment 1, and the separator was hydrophilic.

このようにして作製したリチウム/空気電池と亜鉛/空気電池(放電終止電圧0.5V)の放電曲線を、実施の形態例4に示したAN系電解液及び熱処理を行ったCoP触媒を用いたカルシウム/空気電池の結果とともに図3に示す。この図より、カルシウム/空気電池及びリチウム/空気電池は、市販され広く用いられている亜鉛/空気電池よりも、放電電圧が高く、放電容量もかなり大きいことがわかる。また、カルシウム/空気電池は、リチウム/空気電池よりも、平均放電電圧がわずかに低いものの、放電容量が1.4倍程度大きく、非常に高エネルギー密度であることがわかる。   The discharge curves of the lithium / air battery and the zinc / air battery (discharge end voltage 0.5 V) produced in this manner were used using the AN-based electrolyte solution and heat-treated CoP catalyst shown in the fourth embodiment. FIG. 3 shows the results of the calcium / air battery. From this figure, it can be seen that the calcium / air battery and the lithium / air battery have higher discharge voltage and considerably higher discharge capacity than the commercially available and widely used zinc / air battery. In addition, although the average discharge voltage is slightly lower than that of the lithium / air battery, the calcium / air battery has a discharge capacity that is about 1.4 times larger and has a very high energy density.

カルシウムはリチウムよりも埋蔵量が多く、コスト的に有利であるとともに、化学的安定性も高く、安全面で有利である。   Calcium has a higher reserve than lithium and is advantageous in terms of cost and has high chemical stability and is advantageous in terms of safety.

以上の結果より、カルシウム/空気電池は、高エネルギー密度、低コスト、高安全性という特徴を有した高性能電池であることがわかる。   From the above results, it can be seen that the calcium / air battery is a high-performance battery having features of high energy density, low cost, and high safety.

[産業上の利用可能性]
以上のように、本発明によれば、高エネルギー密度、低コスト、高安全性という特徴を有したカルシウム/空気電池を作製し、提供することができ、この電池を様々な電子機器の駆動電源として使用することによって、大きな効果が奏せられる。
[Industrial applicability]
As described above, according to the present invention, a calcium / air battery having features of high energy density, low cost, and high safety can be manufactured and provided, and this battery can be used as a driving power source for various electronic devices. As a result, a great effect can be achieved.

本発明に係るコイン型カルシウム/空気電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a coin-type calcium / air battery according to the present invention. 有機溶媒としてAN、DMC、GBLを用いたカルシウム/空気電池(触媒無添加)の放電曲線である。It is a discharge curve of a calcium / air battery (no catalyst added) using AN, DMC, and GBL as organic solvents. 比較例1におけるカルシウム/空気電池、リチウム/空気電池、亜鉛/空気電池の放電曲線である。3 is a discharge curve of a calcium / air battery, a lithium / air battery, and a zinc / air battery in Comparative Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:ガス拡散型電極、2:セパレータ、3:負極、4:正極ケース、5:ガスケット、6:負極ケース。   1: Gas diffusion type electrode, 2: Separator, 3: Negative electrode, 4: Positive electrode case, 5: Gasket, 6: Negative electrode case.

Claims (5)

金属カルシウムまたはカルシウムを含む合金を負極活物質として用い、有機電解液を用い、カーボンを構成要素とするガス拡散型電極を正極として用い、空気中の酸素を正極活物質として用いることを特徴とするカルシウム/空気電池。   Metal calcium or an alloy containing calcium is used as a negative electrode active material, an organic electrolyte is used, a gas diffusion electrode having carbon as a constituent element is used as a positive electrode, and oxygen in the air is used as a positive electrode active material Calcium / air battery. 前記有機電解液は、アセトニトリルまたはジメチルホルムアミドに電解質を溶解したものであることを特徴とする請求項1に記載のカルシウム/空気電池。   The calcium / air battery according to claim 1, wherein the organic electrolytic solution is an electrolyte dissolved in acetonitrile or dimethylformamide. 前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系金属酸化物を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のカルシウム/空気電池。   The calcium / air battery according to claim 1, wherein the gas diffusion electrode contains a transition metal metal oxide containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn. 前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンを含有することを特徴とする請求項1または2に記載のカルシウム/空気電池。   3. The calcium / air battery according to claim 1, wherein the gas diffusion electrode contains transition metal porphyrin or transition metal phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn. 前記ガス拡散型電極は、Co、Ni、Fe、Mnの少なくとも1つを含む遷移金属系ポルフィリンまたは遷移金属系フタロシアニンが、不活性ガス中、その熱分解温度以上に加熱されてなる物質を含有することを特徴とする請求項1、2または4に記載のカルシウム/空気電池。   The gas diffusion electrode contains a substance obtained by heating a transition metal-based porphyrin or transition metal-based phthalocyanine containing at least one of Co, Ni, Fe, and Mn to a thermal decomposition temperature or higher in an inert gas. The calcium / air battery according to claim 1, 2, or 4.
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