JP2010157401A - Air cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気電池に関し、特に、液抵抗による損失が好適に抑制された空気電池に関するものである。 The present invention relates to an air battery, and more particularly to an air battery in which loss due to liquid resistance is suitably suppressed.
空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用いる電池である(例えば、特許文献1)。この空気電池における負極活物質は、一般的に金属である。空気電池では、正極における酸素の還元反応と、負極における電子放出を伴う金属のイオン化反応との組み合わせによって起電力を得る(発電する)。
負極から正極へ向かって電解質液内を移動するイオンの移動距離が長い程、それだけ液抵抗は大きくなり、電池特性が低下する。かかる問題は、特に、導電率が低い電解質液を使用した場合に顕著に生じる。 The longer the moving distance of ions that move in the electrolyte solution from the negative electrode to the positive electrode, the greater the liquid resistance and the lower the battery characteristics. Such a problem is particularly noticeable when an electrolyte solution having a low electrical conductivity is used.
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、液抵抗による損失が好適に抑制された空気電池を提供することを目的としている。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, and it aims at providing the air battery by which the loss by liquid resistance was suppressed suitably.
この目的を達成するために、請求項1記載の空気電池は、正極活物質として酸素を用いるものであって、多孔性かつ導電性を有する正極と、金属イオンを放出可能な負極と、前記負極と前記正極との間に介在される電解質液と、前記負極と前記正極とにより両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータと、前記負極を前記セパレータに対して押圧する押圧手段と、を備えている。 In order to achieve this object, the air battery according to claim 1 uses oxygen as a positive electrode active material, has a porous and conductive positive electrode, a negative electrode capable of releasing metal ions, and the negative electrode And an electrolyte solution interposed between the positive electrode, a porous and insulating separator sandwiched between the negative electrode and the positive electrode, and a pressing means for pressing the negative electrode against the separator. I have.
請求項2記載の空気電池は、請求項1記載の空気電池において、発電に伴い生成し前記正極に付着した酸素還元種を、該正極を流通する酸素を含む流体を用いて排出する排出手段を備えている。 The air battery according to claim 2 is the air battery according to claim 1, further comprising: a discharge unit that discharges oxygen-reduced species generated by power generation and attached to the positive electrode using a fluid containing oxygen flowing through the positive electrode. I have.
請求項1記載の空気電池によれば、正極と負極との間には、これらの両極によって両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータが設けられている。発電(放電)時における負極の電極反応の結果、負極からは金属イオンが放出されるので、負極は表面から次第に消費されていく。 According to the air battery of the first aspect, the porous and insulating separator sandwiched from both sides by the both electrodes is provided between the positive electrode and the negative electrode. As a result of the electrode reaction of the negative electrode during power generation (discharge), metal ions are released from the negative electrode, so that the negative electrode is gradually consumed from the surface.
ここで、負極は、押圧手段によってセパレータに対して押圧されているので、発電時間(放電時間)の経過に伴って負極が消費されたとしても、負極と正極との離間距離を発電時間の経過とは無関係に維持することができる。 Here, since the negative electrode is pressed against the separator by the pressing means, even if the negative electrode is consumed as the power generation time (discharge time) elapses, the separation distance between the negative electrode and the positive electrode is determined as the power generation time elapses. Can be maintained independently of.
よって、負極と正極との間の距離を、常時、セパレータの厚さに応じた最小限の距離に留めることができるので、液抵抗の大きさに起因する損失を常時最小限に抑制することができる。従って、発電時間の経過に伴う電池特性の低下が抑制され、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができるという効果がある。 Therefore, since the distance between the negative electrode and the positive electrode can always be kept at the minimum distance according to the thickness of the separator, the loss due to the magnitude of the liquid resistance can always be suppressed to the minimum. it can. Therefore, there is an effect that the deterioration of the battery characteristics with the lapse of the power generation time is suppressed, and good battery characteristics can be exhibited for a long time.
請求項2記載の空気電池によれば、請求項1記載の空気電池の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。排出手段によって、発電に伴い生成し正極に付着した酸素還元種が排出されるので、発電に伴って生じた酸素還元種の付着による反応効率の低下を抑制することができ、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができるという効果がある。なお、排出手段による酸素還元種の排出は、正極を流通する酸素を含む流体を用いて行われるので、正極への正極活物質(酸素)の供給と併用して酸素還元種の排出を行うことができる。 According to the air battery of Claim 2, in addition to the effect which the air battery of Claim 1 show | plays, there exists the following effect. Since the oxygen reduction species generated by the power generation and attached to the positive electrode are discharged by the discharge means, it is possible to suppress a decrease in reaction efficiency due to the adhesion of the oxygen reduction species generated by the power generation, and for a long time. There is an effect that good battery characteristics can be exhibited. Since the oxygen reducing species is discharged by the discharge means using a fluid containing oxygen flowing through the positive electrode, the oxygen reducing species should be discharged together with the supply of the positive electrode active material (oxygen) to the positive electrode. Can do.
また、排出手段によって、正極に付着した酸素還元種が排出されるので、酸素還元種の付着の影響を受けないように正極を厚くする必要がないので、正極の厚さを薄くできるという効果がある。正極の厚さを薄くできることにより、多孔性及び導電性を有する正極の孔に浸入した電解質液に起因する液抵抗を小さくすることができるので、液抵抗による損失が抑制され、良好な電池特性を持つ空気電池の提供が可能となる。 In addition, since the oxygen reducing species attached to the positive electrode is discharged by the discharging means, it is not necessary to increase the thickness of the positive electrode so as not to be affected by the attachment of the oxygen reducing species, so that the thickness of the positive electrode can be reduced. is there. By reducing the thickness of the positive electrode, it is possible to reduce the liquid resistance caused by the electrolyte solution that has penetrated into the pores of the positive electrode having porosity and conductivity, so that loss due to the liquid resistance is suppressed, and good battery characteristics are achieved. An air battery can be provided.
以下、本発明の空気電池について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の空気電池(空気電池100)を示す模式図である。図1に示すように、本発明の空気電池100は、空気中の酸素を正極活物質とする電池であり、正極としての空気極11と、負極としての金属電極12と、両電極11,12間に介在する電解液13と、電解液13を貯留する液槽としての電解液槽14と、空気極11と金属電極12との間に挟持されるセパレータ15と、金属電極12をセパレータ15へと押し付ける押し付け部材16と、空気極11へ空気を供給する空気流路18とを有している。
Hereinafter, an air battery of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an air battery (air battery 100) of the present invention. As shown in FIG. 1, an
空気極11は、多孔性及び導電性を有するガス拡散電極であり、酸素還元触媒(例えば、Pt、MnO2、ペロブスカイト型酸化物、など)を含有する触媒層を有する一般的なガス拡散電極を使用することができる。
The
この空気極11は、多孔性のガス拡散電極であるので、孔内に電解液13が浸入する。よって、空気極11の厚さが厚くなると、空気極11に浸漬した電解液13による液抵抗が増すので、空気極11の薄型化は、液抵抗による影響が低減されて好ましく、例えば、10μm以下であることが好ましい。
Since the
空気極11には、図示されない集電体を介して負荷20に接続される正極端子11’が接続されている。なお、空気極11で生じた電気を集電する集電体は、空気極11の一部として設けられていてもよいし、空気電池100を収容する電池ケース(図示せず)の一部として設けられていてもよい。
The
空気極11は、図示されない空気流入口から流入されて空気流路18を流通する空気(又は酸素)が空気極11に供給される。あるいは、電解液13を循環させる構成とし、空気をバブリングさせることによって酸素量を富化させた電解液13を空気流路18に流すことによって、空気(酸素)を空気極11に供給してもよい。
The
金属電極12は、金属イオンを放出可能な負極活物質を含む反応層と、その反応層において生じた電気を集電する集電体とを有しており、集電体には、負荷20に接続される負極端子12’が接続されている。
The
ここで、金属電極12の反応層に使用可能な負極活物質としては、例えば、リチウムイオンや、アルミニウムイオンや、マグネシウムイオンや、ナトリウムイオンや、亜鉛イオンや、鉄イオンなどの金属イオンを放出可能な物質(例えば、金属、金属化合物、合金など)を挙げることができるが、空気極11と金属電極12との間を金属イオンが移動して起電力を生じさせるものであれば、特に限定されるものではない。
Here, as a negative electrode active material that can be used for the reaction layer of the
なお、金属電極12の大きさは、空気極11より小さいことが好ましい。金属電極12を空気極11より小さく構成し、両電極11,12の略中心が合うように配設することにより、金属電極12における空気極11側の面における端部への電流の回り込みを促進することができ、それによって、金属電極12における空気極11側の面の放電に伴う消費を均一に近づけることができ、かかる面の平滑性の維持に寄与する。
The
電解液13は、金属電極12から放出された金属イオンを伝導可能な液体であれば特に限定されないが、金属電極12の自己放電が抑制されて高いセル電圧を得やすい非水電解質液であることが好ましい。
The
非水電解質液としては、例えば、室温で液体となる常温溶融塩(以下、「イオン液体」と称する)や、電解質を有機溶媒に溶解した電解液が挙げられる。なお、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を構成する電解質(支持塩)としては、空気電池の電解質液として使用可能な公知の電解質を使用することができ、かかる電解質を溶解可能な有機溶媒を、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を構成する有機溶媒として使用することができる。 Examples of the non-aqueous electrolyte solution include a room temperature molten salt (hereinafter referred to as “ionic liquid”) that becomes a liquid at room temperature, and an electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent. In addition, as an electrolyte (supporting salt) constituting an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent, a known electrolyte that can be used as an electrolytic solution for an air battery can be used, and an organic solvent that can dissolve such an electrolyte is used. , And can be used as an organic solvent constituting an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent.
特に、電解液13は、イオン液体であることが好ましい。イオン液体は、蒸気圧が低いので、電解液13として使用した場合に、電解液13が空気極11から揮発し難く、電解液13の減少による出力低下を防ぐことができる。また、イオン液体は、空気極11からの揮発を抑制できるだけでなく、難燃性であるので、電解液13として使用することにより、空気電池100の安全性を高めることができる。
In particular, the
また、電解液13は、疎水性の非水電解質液であることが好ましい。電解液13を疎水性の非水電解質液とすることにより、空気極11を介して水分が電解液13に混入し難くなるので、系外から混入した水分による電池性能の低下を好適に抑制できる。
Moreover, it is preferable that the
電解液13として好ましい非電解質液としては、フルオロハイドロジェネート系のイオン液体、TFSI(ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)系のイオン液体、ジエチルメチルアンモニウム−トリフルオロメタンスルホネートなどの疎水性の非電解質液が適用できる。
As a preferable non-electrolyte solution as the
セパレータ15は、空気極11と金属電極12との間に電解液13を介在させるべく多孔性を有すると共に、空気極11と金属電極12とを絶縁すべく絶縁性を有している。かかるセパレータ15は、多孔性及び絶縁性の両方を兼ね備えていれば、特に限定されるものではなく、例えば、多孔性ポリマーシートや、多孔性のセラミック板などを使用できる。
The
セパレータ15は、空気極11と金属電極12との間隔(即ち、金属イオンの移動距離)を短くできるよう、その厚さが薄い方が好ましい。よって、好ましいセパレータ15としては、例えば、多孔性ポリマーシートが挙げられる。ここで、多孔性ポリマーシートの例としては、セルロース縮合エステルメンブレンフィルタなどが挙げられる。
The
図1に示すように、本発明の空気電池100は、金属電極12をセパレータ15に押し付ける押圧手段としての押し付け部材16を有している。なお、図1に示す例では、図面を簡略化する目的で、1つの押し付け部材16のみが図示されているが、押し付け部材16の取り付け数は、複数であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
図1に示す例では、押し付け部材16は、一端が金属電極12に取り付けられ、他端が電解液槽14に取り付けられた弾性体(例えば、バネ部材)として構成されている。この押し付け部材16としての弾性体は、弾性体の復元力を利用して金属電極12をセパレータ15に対して押圧し続ける。
In the example shown in FIG. 1, the pressing
ところで、金属電極12は、放電(発電)時における電極反応の結果として金属イオンが放出される。そのため、放電時間(発電時間)が経過するにつれて、金属電極12は表面から次第に消費される。かかる金属電極12の消費は、主に、空気極11に対向する面、即ち、セパレータ15に接する面において生じる。よって、放電時間が経過するにつれ、金属電極12と空気極11との離間距離は次第に増加する。
By the way, the
金属電極12から空気極11までの距離が増加すると、金属電極12から空気極11へ向かって電解液13内を移動するイオンの移動距離が長くなるので、液抵抗が増大し、その結果、電池特性が低下する。金属電極12と空気極11との離間距離の増大に伴う電池特性の低下は、電解液13が、電解質水溶液である場合に比べて導電率の低い非水電解質液である場合に顕著となる。
As the distance from the
これに対し、本発明の空気電池100によれば、押し付け部材16が、金属電極12をセパレータ15に対して押圧し続けるので、かかる金属電極12と空気極11との間の距離を、放電時間の経過とは無関係に、最小限であるセパレータ15の厚み程度に維持することができる。
On the other hand, according to the
その結果、金属電極12と空気極11との間に介在される電解液13の液抵抗による損失も常時最小限に抑制されるので、放電時間の経過に伴う空気電池100の電池性能の低下を抑制することができる。
As a result, since the loss due to the liquid resistance of the
なお、図1に示す例では、押し付け部材16を弾性体(例えば、バネ部材)とし、かかる弾性体の復元力を利用して金属電極12をセパレータ15に押し付ける構成としたが、押し付け部材16を電動アクチュエータとして構成してもよい。
In the example shown in FIG. 1, the pressing
押し付け部材16を電動アクチュエータとして構成した場合には、必要に応じて、金属電極12をセパレータ15に押し付ける押圧力を適宜制御することが可能となる。例えば、押し付け部材16としての電動アクチュエータを複数設けると共に、電池ケース(図示せず)に金属電極12の表面形状を外部から検出可能な窓を設け、窓を介してレーザセンサなどを用いて外部から検出された金属電極12の表面形状に応じて、各電動アクチュエータの押圧力を制御することによって、セパレータ15の一部分に押圧力が集中することを防ぐことが可能となる。
When the pressing
ところで、上述した通り、空気極11と金属電極12との離間距離が短い程、電解液13の液抵抗による損失が小さくなる。しかしながら、空気極11と金属電極12との距離が近い程、発電反応に伴って生じた酸素還元種である酸化物(例えば、Al2O3や、Li2O2など)が空気極11に付着し易くなる。空気極11に酸素還元種が付着し、触媒層における反応部位が酸素還元種により覆われると、その分、反応効率が低下する。特に、電解液13が非水電解質液である場合には、電解液13に対する酸素還元種の溶解度が低くなる傾向にあるため、空気極11への酸化還元種の付着が顕著となる。
By the way, as above-mentioned, the loss by the liquid resistance of the
また、上述した通り、液抵抗による影響を低減できるという点において、空気極11の厚さは薄い程に好ましいが、その一方で、空気極11の厚さを薄くすると、酸素還元種の付着による反応効率の低下が顕著に生じる。
In addition, as described above, the thickness of the
そこで、本発明の空気電池100は、空気電池100による発電(放電)に伴って空気極11の表面に付着した酸素還元種を、空気極11を流通する空気(即ち、正極活物質である酸素を含む流体)を用いて系外へ排出する図示されない排出手段を有している。
Therefore, the
よって、空気極11の表面に付着した酸素還元種が排出手段によって系外に排出されるので、空気極11と金属電極12とを近接させたり、空気極11の厚さを薄くした場合であっても、空気極11への酸素還元種の付着による反応効率の低下を好適に抑制することができる。
Therefore, oxygen-reduced species adhering to the surface of the
ここで、排出手段による酸素還元種の排出は、空気極11を流通する空気を用いて行われるので、空気極11への正極活物質の供給と併用して酸素還元種の排出を行うことができる。なお、排出手段により排出された酸素還元種を捕捉するフィルタ手段をさらに有していることが好ましい。
Here, since the oxygen reducing species are discharged by the discharging means using the air flowing through the
図示されない排出手段としては、例えば、空気極11へ供給する空気の流量が必要量より多くなるよう調整する空気量調整手段(例えば、ファンやエアポンプなど)を有する構成が挙げられる。また、空気供給手段によって空気の流量を必要量より多くした上で、空気極11にて乱流を生じさせる乱流発生手段(例えば、空気流路18の形状)を設ける構成としてもよい。
As a discharge means (not shown), for example, a configuration having an air amount adjusting means (for example, a fan or an air pump) for adjusting the flow rate of the air supplied to the
ここで、酸素量を富化させた電解液13を空気流路18に流通させ、それによって空気を空気極11に供給する場合、即ち、正極活物質である酸素を含む流体が電解液13である場合には、電解液13の流量が必要量より多くなるよう調整する電解液流量調整手段(例えば、ポンプなど)を排出手段とすることができる。また、電解液流量調整手段によって電解液13の流量を必要量より多くした上で、空気極11にて電解液13の乱流を生じさせる乱流発生手段(例えば、空気流路18の形状)を設ける構成としてもよい。
Here, when the
あるいは、例えば、空気極11に付着した酸素還元種を剥離させる剥離手段(例えば、超音波などのエネルギーを付与する装置)と、空気流路18の表面を静電気により帯電させ、空気極11から剥離された酸素還元種を静電気のクーロン力により空気流路18側に引き寄せる静電吸着手段を設け、空気流路18の表面に帯電した電荷を必要に応じて放電することによって、空気流路18側に引き寄せられた酸素還元種を空気に乗せて系外へ排出する構成を、排出手段としてもよい。なお、静電吸着手段としては、内部に電極を配置して、その電極に電圧を印加することによって、表面に静電気を帯電させる一般的な静電吸着装置を適用できる。
Alternatively, for example, a peeling means (for example, a device that applies energy such as ultrasonic waves) that peels oxygen-reduced species attached to the
以上、説明した通り、本発明の空気電池100によれば、金属電極12をセパレータ15に対して押圧し続ける押し付け部材16を有しているので、金属電極12と空気極11との間の距離を、放電時間の経過とは無関係に、最小限であるセパレータ15の厚み程度に維持することができ、発電時間の経過に伴う電池特性の低下が抑制され、その結果、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができる。
As described above, according to the
また、本発明の空気電池100によれば、空気電池100による発電(放電)に伴って空気極11の表面に付着した酸素還元種が、空気極11を流通する流体(即ち、正極活物質である酸素を含む流体)を用いる排出手段によって系外へと排出されるので、空気極11への酸素還元種の付着による反応効率の低下を好適に抑制することができ、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができる。
Further, according to the
また、空気極11の表面に付着した酸素還元種が、空気極11を流通する流体を用いる排出手段によって系外へと排出されるので、空気極11と金属電極12との離間距離を短くできると共に、空気極11を薄く構成することが可能となる。
Further, since the oxygen reducing species adhering to the surface of the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
11 空気極(正極)
12 金属電極(負極)
13 電解液(電解質液)
15 セパレータ
16 押し付け部材(押圧手段)
100 空気電池
11 Air electrode (positive electrode)
12 Metal electrode (negative electrode)
13 Electrolytic solution (electrolyte solution)
15
100 air battery
Claims (2)
多孔性かつ導電性を有する正極と、
金属イオンを放出可能な負極と、
前記負極と前記正極との間に介在される電解質液と、
前記負極と前記正極とにより両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータと、
前記負極を前記セパレータに対して押圧する押圧手段と、を備えていることを特徴とする空気電池。 An air battery using oxygen as a positive electrode active material,
A porous and conductive positive electrode;
A negative electrode capable of releasing metal ions;
An electrolyte solution interposed between the negative electrode and the positive electrode;
A porous and insulating separator sandwiched from both sides by the negative electrode and the positive electrode;
An air battery comprising: a pressing unit that presses the negative electrode against the separator.
2. The air battery according to claim 1, further comprising discharge means for discharging oxygen-reduced species generated by power generation and attached to the positive electrode using a fluid containing oxygen flowing through the positive electrode.
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JP2011165353A (en) * | 2010-02-05 | 2011-08-25 | Hitachi Ltd | Rechargeable metal air battery |
JP2020503658A (en) * | 2016-12-22 | 2020-01-30 | ハイドラ、ライト、インターナショナル、リミテッドHydra Light International Ltd | Metal air fuel cell |
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