JP2010177036A - Air electrode layer - Google Patents

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英孝 錦織
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air electrode layer which can be manufactured by a simple method and has good catalyst performance (good reduction effect of a charging voltage for example). <P>SOLUTION: The air electrode layer used for an air secondary battery has a conductive material and a metal catalyst formed on the surface of the conductive material by an electrodeposition method. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、空気二次電池に用いられる空気極層に関し、より詳しくは、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を有する空気極層に関する。   The present invention relates to an air electrode layer used for an air secondary battery, and more particularly, to an air electrode layer having a metal catalyst having a large surface area and highly dispersed.

非水電解液を用いた空気二次電池は、空気(酸素)を正極活物質として用いた二次電池であり、エネルギー密度が高い、小型化および軽量化が容易である等の利点を有する。そのため、現在、広く使用されているリチウム二次電池を超える高容量電池として、注目を集めている。   An air secondary battery using a non-aqueous electrolyte is a secondary battery using air (oxygen) as a positive electrode active material, and has advantages such as high energy density and easy miniaturization and weight reduction. Therefore, it has been attracting attention as a high-capacity battery that exceeds the lithium secondary battery that is currently widely used.

このような空気二次電池は、例えば、導電性材料(例えばカーボンブラック)、金属触媒(例えば二酸化マンガン)および結着材(例えばポリフッ化ビニリデン)を有する空気極層と、その空気極層の集電を行う空気極集電体と、負極活物質(例えば金属Li)を含有する負極層と、その負極層の集電を行う負極集電体と、金属イオン(例えばLiイオン)の伝導を担う非水電解液と、を有する。   Such an air secondary battery includes, for example, an air electrode layer having a conductive material (for example, carbon black), a metal catalyst (for example, manganese dioxide) and a binder (for example, polyvinylidene fluoride), and a collection of the air electrode layers. Responsible for conduction of metal ions (for example, Li ions), an air electrode current collector for performing electricity, a negative electrode layer containing a negative electrode active material (for example, metal Li), a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer, and A non-aqueous electrolyte.

従来、空気極層に含まれる金属触媒として、例えば、粒子状の金属触媒(二酸化マンガン等)が用いられてきた。このような金属触媒の粒子径は、通常、数十μm以上である。これに対して、触媒の機能を向上させる観点から、触媒サイズを小さくする試みがある。例えば特許文献1においては、レーザーアブレーション法を用いて、一次粒子が凝集してなるデンドライト的構造を有するマンガン酸化物ナノ構造体を製造することが記載されている。この技術は、レーザーアブレーション法を用いることにより、優れた酸素還元性能を有するマンガン酸化物ナノ構造体を得ることを目的としている。さらに、特許文献2、3においても同様に、レーザーアブレーション法を用いてマンガン酸化物ナノ構造体を製造することが記載されている。   Conventionally, for example, a particulate metal catalyst (such as manganese dioxide) has been used as the metal catalyst contained in the air electrode layer. The particle diameter of such a metal catalyst is usually several tens of μm or more. On the other hand, there is an attempt to reduce the catalyst size from the viewpoint of improving the function of the catalyst. For example, Patent Document 1 describes that a manganese oxide nanostructure having a dendrite-like structure in which primary particles are aggregated is manufactured using a laser ablation method. This technique aims to obtain a manganese oxide nanostructure having excellent oxygen reduction performance by using a laser ablation method. Further, Patent Documents 2 and 3 similarly describe that a manganese oxide nanostructure is manufactured using a laser ablation method.

WO2005/080254号WO2005 / 080254 WO2005/019109号WO2005 / 019109 特開2006−1751号公報JP 2006-1751 A

上記のように、触媒サイズを小さくすることで、表面積の向上による触媒性能の向上が期待できる。また、触媒サイズが小さいことで、高分散化しやすいという利点もある。しかしながら、上記のようなレーザーアブレーション法を行うためには、一般的に大型設備を必要とすることから、製造効率が悪いという問題がある。   As described above, the catalyst performance can be expected to be improved by increasing the surface area by reducing the catalyst size. Further, since the catalyst size is small, there is an advantage that it is easy to achieve high dispersion. However, in order to perform the laser ablation method as described above, a large facility is generally required, and thus there is a problem that the production efficiency is poor.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、簡便な方法で製造することができ、さらに、良好な触媒性能(例えば良好な充電電圧の低減効果)を有する空気極層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 can provide an air electrode layer that can be manufactured by a simple method and that has good catalytic performance (for example, good charging voltage reduction effect). The main purpose.

上記課題を解決するために、本発明者等が鋭意検討した結果、電析法を用いることにより、導電性材料の表面上に、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を形成できることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above problems, it has been found that a metal catalyst having a large surface area and high dispersion can be formed on the surface of a conductive material by using an electrodeposition method. It was. The present invention has been made based on such knowledge.

すなわち、本発明においては、空気二次電池に用いられる空気極層であって、導電性材料と、電析法により上記導電性材料の表面上に形成された金属触媒とを有することを特徴とする空気極層を提供する。   That is, in the present invention, it is an air electrode layer used for an air secondary battery, and has a conductive material and a metal catalyst formed on the surface of the conductive material by an electrodeposition method. Provide an air electrode layer.

本発明によれば、導電性材料の表面上に、電析法により形成された金属触媒を有するため、良好な触媒性能を有する空気極層とすることができる。さらに、本発明によれば、電解法により金属触媒を形成するため、上述した従来のレーザーアブレーション法を用いた場合と比較して、簡便な方法で金属触媒を形成することができる。   According to this invention, since it has the metal catalyst formed by the electrodeposition method on the surface of an electroconductive material, it can be set as the air electrode layer which has favorable catalyst performance. Furthermore, according to the present invention, since the metal catalyst is formed by the electrolytic method, the metal catalyst can be formed by a simple method as compared with the case where the conventional laser ablation method described above is used.

上記発明においては、上記金属触媒が、網目状に分散されていることが好ましい。さらに良好な触媒性能を発揮することができるからである。   In the above invention, the metal catalyst is preferably dispersed in a network. This is because more excellent catalyst performance can be exhibited.

上記発明においては、上記導電性材料の比表面積当たりの上記金属触媒に伴う電流が、250μA/cm〜800μA/cmの範囲内であることが好ましい。さらに良好な触媒性能を発揮することができるからである。 In the above invention, the current caused by the metal catalyst per specific surface area of the conductive material is preferably in the range of 250μA / cm 2 ~800μA / cm 2 . This is because more excellent catalyst performance can be exhibited.

上記発明においては、上記金属触媒が、マンガン酸化物であることが好ましい。例えばリチウム空気二次電池に有用な触媒とすることができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said metal catalyst is a manganese oxide. This is because, for example, the catalyst can be useful for a lithium-air secondary battery.

また、本発明においては、上述した空気極層を有することを特徴とする空気二次電池を提供する。   Moreover, in this invention, it has an air electrode layer mentioned above, The air secondary battery characterized by the above-mentioned is provided.

本発明によれば、上述した空気極層を有するため、充放電特性に優れた空気二次電池とすることができる。   According to this invention, since it has the air electrode layer mentioned above, it can be set as the air secondary battery excellent in the charge / discharge characteristic.

また、本発明においては、空気二次電池に用いられる空気極層の製造方法であって、導電性材料を含有する導電性材料含有組成物を用いて導電性材料含有層を形成する導電性材料含有層形成工程と、上記導電性材料含有層に含まれる上記導電性材料の表面上に、電析法により金属触媒を形成することで、空気極層を形成する電析工程と、を有することを特徴とする空気極層の製造方法を提供する。   Moreover, in this invention, it is a manufacturing method of the air electrode layer used for an air secondary battery, Comprising: The electroconductive material which forms an electroconductive material content layer using the electroconductive material containing composition containing an electroconductive material A content layer forming step, and an electrodeposition step of forming an air electrode layer by forming a metal catalyst on the surface of the conductive material contained in the conductive material content layer by an electrodeposition method. An air electrode layer manufacturing method is provided.

本発明によれば、電析法を用いることで、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を形成することができ、良好な触媒性能を有する空気極層を得ることができる。   According to the present invention, by using the electrodeposition method, a highly dispersed metal catalyst having a large surface area can be formed, and an air electrode layer having good catalytic performance can be obtained.

本発明においては、簡便な方法で製造することができ、さらに、良好な触媒性能(例えば良好な充電電圧の低減効果)を有する空気極層を得ることができるという効果を奏する。   In the present invention, it is possible to produce an air electrode layer that can be produced by a simple method and that has a good catalytic performance (for example, a good charge voltage reduction effect).

本発明の空気極層を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the air electrode layer of this invention. 本発明におけるCV試験を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the CV test in this invention. 本発明の空気二次電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the air secondary battery of this invention. 本発明の空気極層の製造方法の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the air electrode layer of this invention. 実施例1および比較例1の空気極層のSEM写真である。3 is a SEM photograph of the air electrode layer of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1で用いる評価用セルを示す概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing an evaluation cell used in Example 1. FIG. 導電性材料の比表面積当たりの金属触媒に伴う電流と、充電電圧の低減効果との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current accompanying the metal catalyst per specific surface area of an electroconductive material, and the reduction effect of a charging voltage.

以下、本発明の空気極層、空気二次電池、および空気極層の製造方法について説明する。   Hereinafter, the air electrode layer, the air secondary battery, and the air electrode layer manufacturing method of the present invention will be described.

A.空気極層
まず、本発明の空気極層について説明する。本発明の空気極層は、空気二次電池に用いられる空気極層であって、導電性材料と、電析法により上記導電性材料の表面上に形成された金属触媒とを有することを特徴とするものである。
A. Air electrode layer First, the air electrode layer of the present invention will be described. The air electrode layer of the present invention is an air electrode layer used for an air secondary battery, and has a conductive material and a metal catalyst formed on the surface of the conductive material by an electrodeposition method. It is what.

本発明によれば、導電性材料の表面上に、電析法により形成された金属触媒を有するため、良好な触媒性能を有する空気極層とすることができる。これは、電析法により、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を形成できるからである。特に、本発明の空気極層は、従来の空気極層に比べて、効果的に充電電圧の低減を図ることができるという利点を有する。さらに、本発明によれば、電解法により金属触媒を形成するため、上述した従来のレーザーアブレーション法を用いた場合と比較して、簡便な方法で金属触媒を形成することができる。   According to this invention, since it has the metal catalyst formed by the electrodeposition method on the surface of an electroconductive material, it can be set as the air electrode layer which has favorable catalyst performance. This is because a highly dispersed metal catalyst having a large surface area can be formed by electrodeposition. In particular, the air electrode layer of the present invention has an advantage that the charging voltage can be effectively reduced as compared with the conventional air electrode layer. Furthermore, according to the present invention, since the metal catalyst is formed by the electrolytic method, the metal catalyst can be formed by a simple method as compared with the case where the conventional laser ablation method described above is used.

図1は、本発明の空気極層を説明する説明図である。本発明の空気極層1は、導電性材料2と、電析法により導電性材料2の表面上に形成された金属触媒3と、を有するものである。また、図示しないが、電析法による金属触媒の析出量を増加させると、触媒の成長に伴って、複数の金属触媒が互いに連結し、網目状に分散された金属触媒が得られる。   FIG. 1 is an explanatory view for explaining an air electrode layer of the present invention. The air electrode layer 1 of the present invention has a conductive material 2 and a metal catalyst 3 formed on the surface of the conductive material 2 by an electrodeposition method. Although not shown, when the deposition amount of the metal catalyst by the electrodeposition method is increased, a plurality of metal catalysts are connected to each other as the catalyst grows, and a metal catalyst dispersed in a network is obtained.

本発明の空気極層は、少なくとも導電性材料および金属触媒を含有するものである。さらに、必要に応じて、結着材を含有していても良い。以下、本発明の空気極層について、構成ごとに説明する。   The air electrode layer of the present invention contains at least a conductive material and a metal catalyst. Furthermore, you may contain the binder as needed. Hereinafter, the air electrode layer of the present invention will be described for each configuration.

1.導電性材料
本発明に用いられる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、例えばカーボン材料等を挙げることができる。さらに、このカーボン材料は、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。比表面積が大きく、多くの反応場を提供することができるからである。多孔質構造を有するカーボン材料としては、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カーボン材料としては、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。
1. Conductive material Although it will not specifically limit as long as it has electroconductivity as an electroconductive material used for this invention, For example, a carbon material etc. can be mentioned. Further, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure. However, in the present invention, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the specific 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.

空気極層における導電性材料の含有量としては、例えば10重量%〜99重量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、相対的に金属触媒や結着材の含有量が減り、所望の空気極層が得られない可能性があるからである。   As content of the electroconductive material in an air electrode layer, it is preferable to exist in the range of 10 weight%-99 weight%, for example. If the content of the conductive material is too small, the reaction field may be reduced and the battery capacity may be reduced. If the content of the conductive material is too large, the metal catalyst or binder may be contained relatively. This is because the amount may decrease and a desired air electrode layer may not be obtained.

2.金属触媒
次に、本発明に用いられる金属触媒について説明する。本発明に用いられる金属触媒は、電析法により、上記導電性材料の表面上に形成されるものである。なお、電析法の詳細については、「C.空気極層の製造方法」で後述する。本発明に用いられる金属触媒としては、電析法により析出し、かつ、電極反応を促進させる触媒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、具体的には、遷移金属の酸化物等を挙げることができる。さらに、上記遷移金属としては、例えばマンガン、鉄、コバルト、ニッケル等を挙げることができ、中でもマンガンが好ましい。特に、本発明においては、上記金属触媒が、マンガン酸化物であることが好ましい。例えばリチウム空気二次電池に有用な触媒とすることができるからである。マンガン酸化物としては、具体的には二酸化マンガン、三酸化二マンガン、四酸化三マンガン、一酸化マンガン等を挙げることができ、中でも二酸化マンガンが好ましい。なお、マンガン酸化物の組成は、電析の際における電解溶液の組成や電流密度等を適宜設定することにより、調整することができる。
2. Next, the metal catalyst used in the present invention will be described. The metal catalyst used in the present invention is formed on the surface of the conductive material by an electrodeposition method. The details of the electrodeposition method will be described later in “C. Method for producing air electrode layer”. The metal catalyst used in the present invention is not particularly limited as long as it is deposited by an electrodeposition method and has a catalytic function for promoting an electrode reaction. And the like. Furthermore, examples of the transition metal include manganese, iron, cobalt, nickel, and the like. Among these, manganese is preferable. In particular, in the present invention, the metal catalyst is preferably a manganese oxide. This is because, for example, the catalyst can be useful for a lithium-air secondary battery. Specific examples of manganese oxides include manganese dioxide, dimanganese trioxide, trimanganese tetroxide, and manganese monoxide. Among these, manganese dioxide is preferable. The composition of the manganese oxide can be adjusted by appropriately setting the composition of the electrolytic solution, the current density, and the like during the electrodeposition.

また、導電性材料の表面上に形成された金属触媒の形状は、所望の触媒性能を発揮できれば特に限定されるものではない。金属触媒の形状の一例としては、上記の図1に示すように、導電性材料の表面上に、海島状に形成されたものを挙げることができる。一方、電析法による金属触媒の析出量を増加させると、触媒の成長に伴って、海島状に形成された複数の金属触媒が互いに連結し、網目状に分散された金属触媒が得られる。このように、本発明においては、金属触媒が、網目状に分散されていることが好ましい。これにより、さらに良好な触媒性能を発揮することができるからである。なお、金属触媒の形状は、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察することができる。   The shape of the metal catalyst formed on the surface of the conductive material is not particularly limited as long as the desired catalyst performance can be exhibited. As an example of the shape of a metal catalyst, as shown in said FIG. 1, what was formed in the shape of a sea island on the surface of an electroconductive material can be mentioned. On the other hand, when the deposition amount of the metal catalyst by the electrodeposition method is increased, with the growth of the catalyst, a plurality of metal catalysts formed in a sea-island shape are connected to each other, and a metal catalyst dispersed in a network is obtained. Thus, in the present invention, the metal catalyst is preferably dispersed in a network. This is because even better catalyst performance can be exhibited. The shape of the metal catalyst can be observed with a scanning electron microscope (SEM).

また、空気極層における金属触媒の含有量としては、例えば1重量%〜60重量%の範囲内、中でも1重量%〜30重量%の範囲内であることが好ましい。   Further, the content of the metal catalyst in the air electrode layer is, for example, preferably in the range of 1% by weight to 60% by weight, and more preferably in the range of 1% by weight to 30% by weight.

3.結着材
本発明の空気極層は、導電性材料を固定化する結着材を含有していても良い。結着材としては、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)等のフッ素含有結着材等を挙げることができる。空気極層における結着材の含有量としては、例えば40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。
3. Binder The air electrode layer of the present invention may contain a binder for fixing the conductive material. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The binder content in the air electrode layer is, for example, preferably 40% by weight or less, and more preferably in the range of 1% by weight to 10% by weight.

4.空気極層
本発明の空気極層は、少なくとも、上述した導電性材料および金属触媒を含有するものである。本発明においては、導電性材料の比表面積当たりの金属触媒に伴う電流が、250μA/cm〜800μA/cmの範囲内であることが好ましい。さらに良好な触媒性能を発揮することができるからである。ここで、「金属触媒に伴う電流」とは、以下のサイクリックボルタンメトリー(CV)試験により算出される電流値である。具体的には、電析前後の空気極層に対して、下記の条件でCV試験を行う。
<CV条件>
・溶液:0.1M硫酸ナトリウム水溶液+0.05M酢酸マンガン水溶液
・作用極:空気極層
・対極:Ptワイヤー
・参照極:銀/塩化銀電極
・電位範囲:0〜0.4(V vs Ag/AgCl)
・掃引速度:20mV/S
4). Air electrode layer The air electrode layer of the present invention contains at least the conductive material and the metal catalyst described above. In the present invention, the current accompanying the metal catalyst per specific surface area of the conductive material is preferably in the range of 250 μA / cm 2 to 800 μA / cm 2 . This is because more excellent catalyst performance can be exhibited. Here, the “current associated with the metal catalyst” is a current value calculated by the following cyclic voltammetry (CV) test. Specifically, a CV test is performed on the air electrode layer before and after electrodeposition under the following conditions.
<CV condition>
-Solution: 0.1 M sodium sulfate aqueous solution + 0.05 M manganese acetate aqueous solution-Working electrode: air electrode layer-Counter electrode: Pt wire-Reference electrode: silver / silver chloride electrode-Potential range: 0-0.4 (V vs Ag / AgCl)
・ Sweep speed: 20mV / S

このようなCV試験を行うことにより、通常、図2に示すようなグラフが得られる。電析後の空気極層は、電析前の空気極層と比べて、電流値が大きくなる。ここで、電析前後における電位0.22(V vs Ag/AgCl)での電流値の差をA、Bとする。本発明においては、A、Bの絶対値の和を、「金属触媒に伴う電流」とする。さらに、このようにして得られた「金属触媒に伴う電流」を、「導電化材料の比表面積」で割ることにより、「導電化材料の比表面積当たりの金属触媒に伴う電流」の値が得られる。なお、導電化材料の比表面積は、窒素吸着法等により測定することができる。   By performing such a CV test, a graph as shown in FIG. 2 is usually obtained. The air electrode layer after electrodeposition has a larger current value than the air electrode layer before electrodeposition. Here, let A and B be the difference in current value at a potential of 0.22 (V vs Ag / AgCl) before and after electrodeposition. In the present invention, the sum of the absolute values of A and B is referred to as “current associated with the metal catalyst”. Furthermore, by dividing the “current associated with the metal catalyst” obtained in this way by the “specific surface area of the conductive material”, the value of “current associated with the metal catalyst per specific surface area of the conductive material” is obtained. It is done. The specific surface area of the conductive material can be measured by a nitrogen adsorption method or the like.

また、本発明における空気極層の厚さは、空気二次電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μmの範囲内、中でも5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。なお、本発明の空気極層の製造方法については、「C.空気極層の製造方法」で後述する。   In addition, the thickness of the air electrode layer in the present invention varies depending on the use of the air secondary battery, but is preferably in the range of 2 μm to 500 μm, and more preferably in the range of 5 μm to 300 μm. The method for producing the air electrode layer of the present invention will be described later in “C. Method for producing air electrode layer”.

また、本発明の空気極層は、空気極集電体上に形成されたものであっても良い。この場合、空気極集電体と、上記空気極集電体上に形成された上記空気極層とを有することを特徴とする空気極を提供することができる。これにより、良好な触媒性能を有する空気極を得ることができる。   The air electrode layer of the present invention may be formed on an air electrode current collector. In this case, an air electrode having an air electrode current collector and the air electrode layer formed on the air electrode current collector can be provided. Thereby, an air electrode having good catalytic performance can be obtained.

ここで、空気極集電体は、空気極層の集電を行うものである。空気極集電体の材料としては、例えば金属材料およびカーボン材料を挙げることができ、中でもカーボン材料が好ましい。耐腐食性に優れているからである。このようなカーボン材料としては、例えばカーボンファイバー(炭素繊維)であることが好ましい。電子が繊維を通じて伝導することができ、電子伝導性が高いからである。カーボンファイバーを用いた空気極集電体としては、例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパー等を挙げることができる。一方、金属材料としては、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄およびチタン等を挙げることができる。金属材料を用いた空気極集電体としては、金属メッシュ等を挙げることができる。   Here, the air electrode current collector performs current collection of the air electrode layer. Examples of the material for the air electrode current collector include a metal material and a carbon material. Among these, a carbon material is preferable. It is because it is excellent in corrosion resistance. As such a carbon material, it is preferable that it is a carbon fiber (carbon fiber), for example. This is because electrons can be conducted through the fiber and the electron conductivity is high. Examples of the air electrode current collector using carbon fiber include carbon cloth and carbon paper. On the other hand, examples of the metal material include stainless steel, nickel, aluminum, iron, and titanium. A metal mesh etc. can be mentioned as an air electrode electrical power collector using a metal material.

本発明に用いられる空気極集電体の構造は、所望の電子伝導性を確保できれば特に限定されるものではなく、ガス拡散性を有する多孔質構造であっても良く、ガス拡散性を有しない緻密構造であっても良い。中でも、本発明においては、空気集電体が、ガス拡散性を有する多孔質構造を有していることが好ましい。酸素の拡散を速やかに行うことができるからである。多孔質構造の気孔率としては、特に限定されるものではないが、例えば20%〜99%の範囲内であることが好ましい。空気極集電体の厚さは、例えば10μm〜1000μmの範囲内、中でも20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。   The structure of the air electrode current collector used in the present invention is not particularly limited as long as desired electron conductivity can be ensured, and may be a porous structure having gas diffusibility, and does not have gas diffusibility. It may be a dense structure. Among them, in the present invention, the air current collector preferably has a porous structure having gas diffusibility. This is because oxygen can be diffused quickly. The porosity of the porous structure is not particularly limited, but is preferably in the range of 20% to 99%, for example. The thickness of the air electrode current collector is, for example, preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 20 μm to 400 μm.

また、本発明の空気極層は、空気二次電池に用いられるものである。空気二次電池の種類等については、「B.空気二次電池」で後述する。   The air electrode layer of the present invention is used for an air secondary battery. The type and the like of the air secondary battery will be described later in “B. Air secondary battery”.

B.空気二次電池
次に、本発明の空気二次電池について説明する。本発明の空気二次電池は、上述した空気極層を有することを特徴とするものである。
B. Next, the air secondary battery of the present invention will be described. The air secondary battery of the present invention has the above-described air electrode layer.

本発明によれば、上述した空気極層を有するため、充放電特性に優れた空気二次電池とすることができる。   According to this invention, since it has the air electrode layer mentioned above, it can be set as the air secondary battery excellent in the charge / discharge characteristic.

図3は、本発明の空気二次電池の一例を示す概略断面図である。図3に示される空気二次電池は、負極ケース11aと、負極ケース11aの内側底面に形成された負極集電体12と、負極集電体12に接続された負極リード12aと、負極集電体12上に形成され、負極活物質を含有する負極層13と、導電性材料、金属触媒および結着材を含有する空気極層14と、空気極層14の集電を行う空気極集電体15と、空気極集電体15に接続された空気極リード15aと、負極層13および空気極層14の間に形成されたセパレータ16と、電解質層17と、微多孔膜18を有する空気極ケース11bと、負極ケース11aおよび空気極ケース11bの間に形成されたパッキン19と、を有するものである。本発明の空気二次電池は、空気極層14に、上記「A.空気極層」に記載したものを用いることを大きな特徴とする。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the air secondary battery of the present invention. The air secondary battery shown in FIG. 3 includes a negative electrode case 11a, a negative electrode current collector 12 formed on the inner bottom surface of the negative electrode case 11a, a negative electrode lead 12a connected to the negative electrode current collector 12, and a negative electrode current collector. The negative electrode layer 13 formed on the body 12 and containing a negative electrode active material, the air electrode layer 14 containing a conductive material, a metal catalyst and a binder, and the air electrode current collector for collecting the air electrode layer 14 Body 15, air electrode lead 15 a connected to air electrode current collector 15, separator 16 formed between negative electrode layer 13 and air electrode layer 14, electrolyte layer 17, and air having microporous film 18. The electrode case 11b has a packing 19 formed between the negative electrode case 11a and the air electrode case 11b. The air secondary battery of the present invention is characterized in that the air electrode layer 14 uses the one described in “A. Air electrode layer”.

本発明の空気二次電池は、少なくとも、上述した空気極層を有するものであれば特に限定されるものではないが、通常、空気極層、負極層および電解質層を有する。   The air secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it has at least the air electrode layer described above, but usually has an air electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer.

1.空気極層
本発明に用いられる空気極層については、上記「A.空気極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。また、本発明の空気二次電池は、空気極(空気極層および空気極集電体)を有するものであっても良い。
1. Air electrode layer Since the air electrode layer used in the present invention is the same as the contents described in the above-mentioned "A. Air electrode layer", description thereof is omitted here. The air secondary battery of the present invention may have an air electrode (air electrode layer and air electrode current collector).

2.負極層
本発明に用いられる負極層は、少なくとも負極活物質を含有するものである。負極活物質は、金属イオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば金属単体、合金、金属酸化物、金属窒化物等を挙げることができる。上記金属イオンとしては、例えば、Liイオン、NaイオンおよびKイオン等のアルカリ金属イオン;MgイオンおよびCaイオン等のアルカリ土類金属イオン;Alイオン等の両性金属イオン等を挙げることができ、中でも、アルカリ金属イオンが好ましく、特にLiイオンが好ましい。エネルギー密度の高い電池を得ることができるからである。
2. Negative electrode layer The negative electrode layer used in the present invention contains at least a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release metal ions, and examples thereof include simple metals, alloys, metal oxides, and metal nitrides. Examples of the metal ion include alkali metal ions such as Li ion, Na ion and K ion; alkaline earth metal ions such as Mg ion and Ca ion; amphoteric metal ions such as Al ion, among others. Alkali metal ions are preferable, and Li ions are particularly preferable. This is because a battery having a high energy density can be obtained.

また、本発明に用いられる負極層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、導電性材料および結着材の少なくとも一方を含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、例えば、負極活物質、導電性材料および結着材を有する負極層とすることができる。なお、導電性材料および結着材については、上記「A.空気極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、負極層の厚さについては、目的とする空気二次電池の構成に応じて適宜選択することが好ましい。   The negative electrode layer used in the present invention may contain only the negative electrode active material, or may contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material. good. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, a negative electrode layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, for example, a negative electrode layer having a negative electrode active material, a conductive material, and a binder can be obtained. The conductive material and the binder are the same as those described in the above “A. Air electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here. In addition, the thickness of the negative electrode layer is preferably selected as appropriate according to the configuration of the target air secondary battery.

また、負極層は、負極集電体上に形成されたものであっても良い。なお、負極層および負極集電体からなる部材を負極と称する場合がある。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。また、負極集電体の厚さについては、目的とする空気二次電池の構成に応じて適宜選択することが好ましい。   The negative electrode layer may be formed on the negative electrode current collector. In addition, the member which consists of a negative electrode layer and a negative electrode electrical power collector may be called a negative electrode. 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 addition, the thickness of the negative electrode current collector is preferably appropriately selected according to the configuration of the target air secondary battery.

負極の形成方法は、上述した負極を形成することができる方法であれば特に限定されるものではない。負極の形成方法の一例としては、箔状の負極活物質を、負極集電体上に配置して、加圧する方法を挙げることができる。また、負極の形成方法の他の例としては、負極活物質、結着材および溶媒を含有する負極層形成用組成物を作製し、次に、この組成物を、負極集電体上に塗布して、乾燥する方法等を挙げることができる。   The formation method of a negative electrode will not be specifically limited if it is a method which can form the negative electrode mentioned above. As an example of a method for forming the negative electrode, a method in which a foil-like negative electrode active material is placed on a negative electrode current collector and pressurized can be exemplified. As another example of the negative electrode forming method, a negative electrode layer forming composition containing a negative electrode active material, a binder and a solvent is prepared, and then this composition is applied onto the negative electrode current collector. And a method for drying.

3.電解質層
本発明に用いられる電解質層は、上記空気極層および上記負極層の間に形成され、金属イオンの伝導を担う層である。電解質層を構成する電解質としては、例えば、液状電解質(電解液)、ゲル状電解質および固体電解質等を挙げることができ、中でも、液状電解質およびゲル状電解質が好ましく、特に、液状電解質が好ましい。イオン伝導性が高いからである。また、本発明に用いられる電解質が、液状電解質またはゲル状電解質である場合、用いられる溶媒は、非水溶媒であっても良く、水であっても良いが、中でも非水溶媒であることが好ましい。
3. Electrolyte Layer The electrolyte layer used in the present invention is a layer formed between the air electrode layer and the negative electrode layer and responsible for conduction of metal ions. Examples of the electrolyte constituting the electrolyte layer include a liquid electrolyte (electrolyte), a gel electrolyte, a solid electrolyte, and the like. Among these, a liquid electrolyte and a gel electrolyte are preferable, and a liquid electrolyte is particularly preferable. This is because ionic conductivity is high. Further, when the electrolyte used in the present invention is a liquid electrolyte or a gel electrolyte, the solvent used may be a non-aqueous solvent or water, but in particular, it may be a non-aqueous solvent. preferable.

非水電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気二次電池の非水電解液は、通常、リチウム塩および非水溶媒を含有する。上記リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClOおよびLiAsF等の無機リチウム塩;およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記非水溶媒としては、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、2−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。また、上記非水溶媒は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。溶存した酸素を効率良く反応に用いることができるからである。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。なお、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。 The type of the non-aqueous electrolyte is preferably selected as appropriate according to the type of metal ion to be conducted. For example, a non-aqueous electrolyte of a lithium air secondary battery usually contains a lithium salt and a non-aqueous solvent. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , An organic lithium salt such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3 can be used. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, acetonitrile, Examples include 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof. The nonaqueous solvent is preferably a solvent having high oxygen solubility. This is because dissolved oxygen can be used efficiently in the reaction. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L. In the present invention, a low volatile liquid such as an ionic liquid may be used as the nonaqueous electrolytic solution.

また、本発明に用いられる非水ゲル電解質は、通常、非水電解液にポリマーを添加してゲル化したものである。例えば、リチウム空気二次電池の非水ゲル電解質は、上述した非水電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加し、ゲル化することにより、得ることができる。本発明においては、LiTFSI(LiN(CFSO)−PEO系の非水ゲル電解質が好ましい。 In addition, the non-aqueous gel electrolyte used in the present invention is usually a gel obtained by adding a polymer to a non-aqueous electrolyte. For example, a non-aqueous gel electrolyte of a lithium-air secondary battery is gelled by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) to the non-aqueous electrolyte described above. By doing so, it can be obtained. In the present invention, LiTFSI (LiN (CF 3 SO 2) 2) -PEO nonaqueous gel electrolyte systems are preferred.

4.空気二次電池
本発明の空気二次電池は、空気極層および負極層の間に、セパレータを有することが好ましい。安全性の高い電池とすることができるからである。上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;および樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
4). Air secondary battery The air secondary battery of the present invention preferably has a separator between the air electrode layer and the negative electrode layer. This is because a highly safe battery can be obtained. Examples of the separator include porous films such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.

また、本発明の空気二次電池は、通常、空気極層、負極層および電解質層を収納する電池ケースを有する。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。また、電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。大気開放型の電池ケースは、上述した図3に示すように、大気と接触可能な電池ケースである。一方、電池ケースが密閉型電池ケースである場合は、密閉型電池ケースに、気体(空気)の導入管および排気管を設けることが好ましい。この場合、導入・排気する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。   The air secondary battery of the present invention usually has a battery case that houses an air electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. The battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. As shown in FIG. 3 described above, the open-air battery case is a battery case that can come into contact with the atmosphere. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) introduction pipe and an exhaust pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be introduced / exhausted preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen. In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

また、本発明の空気二次電池の種類は、伝導イオンとなる金属イオンの種類に応じて異なるものである。上記金属イオンとしては、例えば、Liイオン、NaイオンおよびKイオン等のアルカリ金属イオン;MgイオンおよびCaイオン等のアルカリ土類金属イオン;Alイオン等の両性金属イオン等を挙げることができ、中でも、アルカリ金属イオンが好ましく、特にLiイオンが好ましい。エネルギー密度の高い電池を得ることができるからである。また、本発明の空気二次電池の用途としては、例えば車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途等を挙げることができる。   In addition, the type of the air secondary battery of the present invention differs depending on the type of metal ions that become conductive ions. Examples of the metal ion include alkali metal ions such as Li ion, Na ion and K ion; alkaline earth metal ions such as Mg ion and Ca ion; amphoteric metal ions such as Al ion, among others. Alkali metal ions are preferable, and Li ions are particularly preferable. This is because a battery having a high energy density can be obtained. Moreover, as an application of the air secondary battery of this invention, a vehicle mounting use, a stationary power supply use, a household power supply use etc. can be mentioned, for example.

C.空気極層の製造方法
次に、本発明の空気極層の製造方法について説明する。本発明の空気極層の製造方法は、空気二次電池に用いられる空気極層の製造方法であって、導電性材料を含有する導電性材料含有組成物を用いて導電性材料含有層を形成する導電性材料含有層形成工程と、上記導電性材料含有層に含まれる上記導電性材料の表面上に、電析法により金属触媒を形成することで、空気極層を形成する電析工程と、を有することを特徴とするものである。
C. Next, a method for producing an air electrode layer according to the present invention will be described. The method for producing an air electrode layer of the present invention is a method for producing an air electrode layer used in an air secondary battery, and forms a conductive material-containing layer using a conductive material-containing composition containing a conductive material. A conductive material-containing layer forming step, and an electrodeposition step of forming an air electrode layer by forming a metal catalyst on the surface of the conductive material contained in the conductive material-containing layer by an electrodeposition method. , Characterized by having.

本発明によれば、電析法を用いることで、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を形成することができ、良好な触媒性能を有する空気極層を得ることができる。特に、本発明により得られる空気極層は、従来の空気極層に比べて、効果的に充電電圧の低減を図ることができるという利点を有する。さらに、本発明によれば、電解法により金属触媒を形成するため、上述した従来のレーザーアブレーション法を用いた場合と比較して、簡便な方法で金属触媒を形成することができる。   According to the present invention, by using the electrodeposition method, a highly dispersed metal catalyst having a large surface area can be formed, and an air electrode layer having good catalytic performance can be obtained. In particular, the air electrode layer obtained by the present invention has an advantage that the charging voltage can be effectively reduced as compared with the conventional air electrode layer. Furthermore, according to the present invention, since the metal catalyst is formed by the electrolytic method, the metal catalyst can be formed by a simple method as compared with the case where the conventional laser ablation method described above is used.

図4は、本発明の空気極層の製造方法の一例を示す概略断面図である。図4においては、まず、空気極集電体15を用意する(図4(a))。次に、空気極集電体15に対して、導電性材料および結着材を含有する導電性材料含有組成物を塗布し、乾燥することにより、導電性材料含有層14aを形成する(図4(b))。次に、導電性材料含有層14aに含まれる導電性材料の表面上に、電析法により金属触媒を形成することで、空気極層14を得る(図4(c))。なお、図4は、「空気極層」の製造方法を示すものであるが、厳密に言えば、空気極集電体15上に空気極層14を形成しているので、「空気極」の製造方法を示すものである。このように、導電性材料含有組成物を塗布する基板が空気極集電体である場合は、空気極の製造方法とみなすこともできる。
以下、本発明の空気極層の製造方法について、工程ごとに説明する。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the method for producing an air electrode layer of the present invention. In FIG. 4, first, an air electrode current collector 15 is prepared (FIG. 4A). Next, a conductive material-containing layer 14a is formed by applying a conductive material-containing composition containing a conductive material and a binder to the air electrode current collector 15 and drying it (FIG. 4). (B)). Next, the air electrode layer 14 is obtained by forming a metal catalyst on the surface of the conductive material contained in the conductive material-containing layer 14a by an electrodeposition method (FIG. 4C). FIG. 4 shows a manufacturing method of the “air electrode layer”. Strictly speaking, since the air electrode layer 14 is formed on the air electrode current collector 15, the “air electrode” A manufacturing method is shown. Thus, when the board | substrate which apply | coats an electroconductive material containing composition is an air electrode electrical power collector, it can also be considered as the manufacturing method of an air electrode.
Hereafter, the manufacturing method of the air electrode layer of this invention is demonstrated for every process.

1.導電性材料含有層形成工程
本発明における導電性材料含有層形成工程は、導電性材料を含有する導電性材料含有組成物を用いて導電性材料含有層を形成する工程である。
1. Conductive material-containing layer forming step The conductive material-containing layer forming step in the present invention is a step of forming a conductive material-containing layer using a conductive material-containing composition containing a conductive material.

導電性材料含有組成物は、少なくとも導電性材料を含有するものであり、さらに必要に応じて、結着材および溶媒を含有するものである。なお、導電性材料および結着材については、上記「A.空気極層」に記載した内容と同様である。一方、上記溶媒は、導電性材料や結着材を分散・溶解させるものであり、乾燥により除去されやすいものであることが好ましく、例えばアセトン、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMA)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、メチルエチルケトン(MEK)およびテトラヒドロフラン(THF)等を挙げることができる。また、導電性材料含有組成物の固形分濃度としては、例えば5%〜50%の範囲内、中でも10%〜20%の範囲内であることが好ましい。   The conductive material-containing composition contains at least a conductive material, and further contains a binder and a solvent as necessary. The conductive material and the binder are the same as those described in “A. Air electrode layer”. On the other hand, the solvent is preferably one that disperses and dissolves a conductive material or a binder and is easily removed by drying. For example, acetone, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, Examples thereof include N-dimethylacetamide (DMA), N, N-dimethylformamide (DMF), methyl ethyl ketone (MEK), and tetrahydrofuran (THF). Further, the solid content concentration of the conductive material-containing composition is, for example, preferably in the range of 5% to 50%, and more preferably in the range of 10% to 20%.

本発明においては、導電性材料含有組成物を塗布する基板が、空気極集電体であることが好ましい。空気二次電池の製造工程を簡略化することができるからである。空気極集電体については、上記「A.空気極層」に記載した内容と同様である。また、基板に導電性材料含有組成物を塗布する方法としては、一般的な塗布方法を用いることができ、例えばドクターブレード法等を挙げることができる。   In the present invention, the substrate on which the conductive material-containing composition is applied is preferably an air electrode current collector. This is because the manufacturing process of the air secondary battery can be simplified. The air electrode current collector is the same as that described in “A. Air electrode layer” above. In addition, as a method for applying the conductive material-containing composition to the substrate, a general application method can be used, for example, a doctor blade method or the like.

2.電析工程
次に、本発明における電析工程について説明する。本発明における電析工程は、上記導電性材料含有層に含まれる上記導電性材料の表面上に、電析法により金属触媒を形成することで、空気極層を形成する工程である。
2. Electrodeposition process Next, the electrodeposition process in the present invention will be described. The electrodeposition step in the present invention is a step of forming an air electrode layer by forming a metal catalyst on the surface of the conductive material contained in the conductive material-containing layer by an electrodeposition method.

本発明においては、通常、導電性材料含有層を、電解溶液に浸漬させた状態で電析を行う。さらに、電析に用いられる電解溶液は、少なくとも、目的とする金属触媒と同一の金属元素を有する金属源と、溶媒とを含有する。金属触媒としてマンガン酸化物を得る場合、金属源としては、例えば酢酸マンガン等を挙げることができる。一方、上記溶媒としては、例えば水を挙げることができる。電解溶液における金属源の濃度は、例えば0.01mol/L〜1mol/Lの範囲内であることが好ましい。また、金属触媒として金属酸化物を得る場合、電解溶液は硫酸ナトリウム等の添加剤を含有することが好ましい。電解溶液における添加剤の濃度は、例えば0.01mol/L〜1mol/Lの範囲内であることが好ましい。   In the present invention, the electrodeposition is usually performed in a state where the conductive material-containing layer is immersed in an electrolytic solution. Furthermore, the electrolytic solution used for electrodeposition contains at least a metal source having the same metal element as the target metal catalyst and a solvent. When obtaining a manganese oxide as a metal catalyst, examples of the metal source include manganese acetate. On the other hand, examples of the solvent include water. The concentration of the metal source in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L to 1 mol / L, for example. Moreover, when obtaining a metal oxide as a metal catalyst, it is preferable that electrolyte solution contains additives, such as sodium sulfate. The concentration of the additive in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L to 1 mol / L, for example.

また、本発明においては、定電流で電析を行っても良く、電流を変化させながら電析を行っても良い。本発明においては、後述する実施例に示すように、サイクリックボルタンメトリーにより、金属触媒の析出を行っても良い。   In the present invention, electrodeposition may be performed with a constant current, or may be performed while changing the current. In the present invention, the metal catalyst may be deposited by cyclic voltammetry as shown in the examples described later.

なお、電析を行う時間は、目的とする金属触媒の厚さに応じて適宜選択することが好ましい。また、電析工程で得られる金属触媒の組成は、電析の際における電解溶液の組成や電流密度等を適宜設定することにより、調整することができる。さらに、本発明においては、上記「A.空気極層」に記載した空気極層が得られる程度に、電析を行うことが好ましい。   In addition, it is preferable to select the time for performing electrodeposition appropriately according to the thickness of the target metal catalyst. Moreover, the composition of the metal catalyst obtained in the electrodeposition step can be adjusted by appropriately setting the composition of the electrolytic solution, the current density, and the like at the time of electrodeposition. Furthermore, in the present invention, it is preferable to perform electrodeposition to such an extent that the air electrode layer described in “A. Air electrode layer” is obtained.

3.その他
本発明の空気極層の製造方法は、電析工程の後に、必要に応じて洗浄工程や乾燥工程を有していても良い。また、本発明においては、得られた空気極層を用いたことを特徴とする空気二次電池の製造方法を提供することができる。これにより、例えば充電電圧が低減された空気二次電池が得られる。空気極層以外の部材の形成方法、および電池の組立方法については、一般的な空気二次電池の製造方法と同様である。また、本発明においては、上述した導電性材料含有層形成工程および電析工程により得られることを特徴とする空気極層を提供することもできる。
3. Others The method for producing an air electrode layer of the present invention may include a washing step and a drying step as necessary after the electrodeposition step. Moreover, in this invention, the manufacturing method of the air secondary battery characterized by using the obtained air electrode layer can be provided. Thereby, for example, an air secondary battery with a reduced charging voltage is obtained. About the formation method of members other than an air electrode layer, and the assembly method of a battery, it is the same as that of the manufacturing method of a general air secondary battery. Moreover, in this invention, the air electrode layer characterized by being obtained by the electroconductive material content layer formation process and electrodeposition process which were mentioned above can also be provided.

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。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
まず、ケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製)1gと、PVDFポリマー(クレハ社製)1.5gとを混合し、これにNMP(N−メチルピロリドン、関東化学社製)を添加し、混練機で2000rpm、30分間の条件で撹拌し、導電性材料含有組成物を得た。その後、導電性材料含有組成物を、カーボンペーパー(空気極集電体、東レ社製、TGP−H−090、厚さ0.28mm)上に、ドクターブレード法にて厚さ100μmとなるように塗布した。次に、80℃、1時間の乾燥を行い、導電性材料含有層を得た。
[Example 1]
First, 1 g of ketjen black (manufactured by ketjen black international) and 1.5 g of PVDF polymer (manufactured by Kureha) are mixed, and NMP (N-methylpyrrolidone, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is added thereto and kneaded. The mixture was stirred at 2000 rpm for 30 minutes with a machine to obtain a conductive material-containing composition. Thereafter, the conductive material-containing composition is formed on a carbon paper (air electrode current collector, manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 0.28 mm) so as to have a thickness of 100 μm by a doctor blade method. Applied. Next, drying was performed at 80 ° C. for 1 hour to obtain a conductive material-containing layer.

次に、下記条件で、CVによる電析を行い、導電性材料の表面上に二酸化マンガンを形成した。
<電析条件>
・電解溶液:0.1M硫酸ナトリウム水溶液+0.05M酢酸マンガン水溶液
・作用極:導電性材料含有層
・対極:Ptワイヤー
・参照極:銀/塩化銀電極
・電位範囲:0〜0.4(V vs Ag/AgCl)
・掃引速度:20mV/S
・サイクル数:5サイクル
Next, electrodeposition by CV was performed under the following conditions to form manganese dioxide on the surface of the conductive material.
<Electrodeposition conditions>
Electrolytic solution: 0.1 M sodium sulfate aqueous solution + 0.05 M manganese acetate aqueous solution Working electrode: conductive material containing layer Counter electrode: Pt wire Reference electrode: silver / silver chloride electrode Potential range: 0 to 0.4 (V vs Ag / AgCl)
・ Sweep speed: 20mV / S
・ Number of cycles: 5 cycles

その後、80℃、1時間の乾燥、および60℃、1日の真空乾燥を行った。最後に、φ18mmで打ち抜いて、空気極集電体および空気極層を有する空気極を得た。   Thereafter, drying at 80 ° C. for 1 hour and vacuum drying at 60 ° C. for 1 day were performed. Finally, punching was performed at φ18 mm to obtain an air electrode having an air electrode current collector and an air electrode layer.

[実施例2〜6]
サイクリックボルタンメトリーのサイクル数を、それぞれ10サイクル、25サイクル、40サイクル、45サイクル、50サイクルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、空気極を得た。
[Examples 2 to 6]
An air electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of cycles of cyclic voltammetry was changed to 10 cycles, 25 cycles, 40 cycles, 45 cycles, and 50 cycles, respectively.

[比較例1]
まず、ケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製)1gと、電解二酸化マンガン(平均粒子径60μm、高純度化学研究所製)1.9gと、PVDFポリマー(クレハ社製)1.5gとを混合し、これにNMP(N−メチルピロリドン、関東化学社製)を添加し、混練機で2000rpm、30分間の条件で撹拌し、空気極層形成用組成物を得た。その後、空気極層形成用組成物を、カーボンペーパー(空気極集電体、東レ社製、TGP−H−090、厚さ0.28mm)上に、ドクターブレード法にて厚さ100μmとなるように塗布した。次に、80℃、1時間の乾燥、および60℃、1日の真空乾燥を行った。最後に、φ18mmで打ち抜いて、空気極集電体および空気極層を有する空気極を得た。
[Comparative Example 1]
First, 1 g of ketjen black (manufactured by ketjen black international), 1.9 g of electrolytic manganese dioxide (average particle size: 60 μm, manufactured by High Purity Chemical Laboratory), and 1.5 g of PVDF polymer (manufactured by Kureha) are mixed. NMP (N-methylpyrrolidone, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added thereto, and the mixture was stirred with a kneader at 2000 rpm for 30 minutes to obtain a composition for forming an air electrode layer. Thereafter, the composition for forming the air electrode layer is formed on carbon paper (air electrode current collector, manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 0.28 mm) to a thickness of 100 μm by the doctor blade method. It was applied to. Next, drying at 80 ° C. for 1 hour and vacuum drying at 60 ° C. for 1 day were performed. Finally, punching was performed at φ18 mm to obtain an air electrode having an air electrode current collector and an air electrode layer.

[比較例2]
電析を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして、空気極を得た。
[Comparative Example 2]
An air electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that electrodeposition was not performed.

[評価]
実施例1〜6および比較例1、2で得られた空気極を用いて、以下の評価を行った。
[Evaluation]
The following evaluation was performed using the air electrode obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2.

(1)SEM観察
実施例1および比較例1で得られた空気極を用いて、これらの空気極層の表面を、SEMで観察した。その結果を図5に示す。図5(a)は比較例1の空気極層のSEM写真であり、図5(b)は実施例1の空気極層のSEM写真である。図5(a)に示されるように、比較例1の空気極層では、粒子状の二酸化マンガンが確認された。これに対して、図5(b)に示されるように、実施例1の空気極層では、網目状に分散された二酸化マンガンが確認された。さらに、この二酸化マンガンは、針状構造部を有するものであった。このように、電析法を用いることにより、導電性材料の表面上に、表面積が大きく、高分散化された金属触媒を形成できることが確認できた。
(1) SEM Observation Using the air electrode obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the surfaces of these air electrode layers were observed by SEM. The result is shown in FIG. 5A is an SEM photograph of the air electrode layer of Comparative Example 1, and FIG. 5B is an SEM photograph of the air electrode layer of Example 1. FIG. As shown in FIG. 5A, particulate manganese dioxide was confirmed in the air electrode layer of Comparative Example 1. On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the air electrode layer of Example 1, manganese dioxide dispersed in a mesh shape was confirmed. Furthermore, this manganese dioxide had an acicular structure. Thus, it was confirmed that by using the electrodeposition method, a highly dispersed metal catalyst having a large surface area can be formed on the surface of the conductive material.

(2)充電電圧の低減効果
実施例1〜6、比較例1、2で得られた空気極を用いて、充電電圧の低減効果を評価した。まず、実施例1〜6の空気極層に対して、上述したCV試験を行い、「導電性材料の比表面積当たりの金属触媒に伴う電流」を算出した。
(2) Charging voltage reduction effect Using the air electrodes obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the charging voltage reduction effect was evaluated. First, the above-described CV test was performed on the air electrode layers of Examples 1 to 6, and “the current associated with the metal catalyst per specific surface area of the conductive material” was calculated.

次に、実施例1〜6、比較例1、2で得られた空気極を用いて空気二次電池素子を作製した(図6参照)。なお、素子の組立はすべてアルゴンボックス内(露点−40℃以下)で行った。ここで、空気二次電池素子30は、テフロン(登録商標)製のケース21a、21bと、SUS製のケース21cと、を有している。なお、ケース21bおよびケース21cは、ボルト22で接合されている。さらに、ケース21aには酸素を供給する開口部を有しており、その開口部には、中空状の電流取出し部23が設けられている。また、空気極24には上記の方法で得られた空気極を用い、非水電解液25には、LiClOをプロピレンカーボネート(PC)に濃度1Mで溶解させた非水電解液を用い、負極層26には金属リチウム(極東金属社製、厚み200μm、直径16mm)を用いた。 Next, an air secondary battery element was produced using the air electrode obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 (see FIG. 6). All the elements were assembled in an argon box (dew point -40 ° C. or lower). Here, the air secondary battery element 30 includes cases 21a and 21b made of Teflon (registered trademark) and a case 21c made of SUS. Note that the case 21b and the case 21c are joined by a bolt 22. Further, the case 21a has an opening for supplying oxygen, and a hollow current extraction portion 23 is provided in the opening. Further, the air electrode obtained by the above method is used for the air electrode 24, and the non-aqueous electrolyte solution obtained by dissolving LiClO 4 in propylene carbonate (PC) at a concentration of 1M is used for the non-aqueous electrolyte solution 25. For the layer 26, metallic lithium (manufactured by Kyokuto Metals Co., Ltd., thickness 200 μm, diameter 16 mm) was used.

次に、得られた空気二次電池素子を用いて、評価用セルを作製した(図6参照)。SUS製の電流取出し部23に空気極リード33を接続し、SUS製のケース21cに負極リード35を接続し、空気二次電池素子30を、容積1000ccのガラス容器31に収納した。その後、ガラス容器31を密閉し、密閉したガラス容器31をアルゴンボックス内から取出した。次に、酸素のガスボンベからガス導入部32を介して酸素を導入し、同時に、ガス排気部34から排気を行い、ガラス容器内を、アルゴン雰囲気から大気圧の酸素雰囲気に置換した。これにより、評価用セルを得た。   Next, an evaluation cell was manufactured using the obtained air secondary battery element (see FIG. 6). The air electrode lead 33 was connected to the current extraction part 23 made of SUS, the negative electrode lead 35 was connected to the case 21c made of SUS, and the air secondary battery element 30 was housed in a glass container 31 having a capacity of 1000 cc. Thereafter, the glass container 31 was sealed, and the sealed glass container 31 was taken out from the argon box. Next, oxygen was introduced from the oxygen gas cylinder through the gas introduction part 32, and at the same time, the gas exhaust part 34 was evacuated to replace the inside of the glass container with an oxygen atmosphere at atmospheric pressure from an argon atmosphere. Thereby, the cell for evaluation was obtained.

次に、得られた評価用セルを用いて、充電電圧の低減効果を評価した。ここでは、比較例2の評価用セル(二酸化マンガンを有しない空気極層を備えたセル)に対する、充電電圧の低減効果を評価した。具体的には、充電電圧が安定した際の電圧値を比較した。   Next, the charging cell reduction effect was evaluated using the obtained evaluation cell. Here, the effect of reducing the charging voltage with respect to the evaluation cell of Comparative Example 2 (the cell including the air electrode layer not having manganese dioxide) was evaluated. Specifically, the voltage values when the charging voltage was stabilized were compared.

図7は、導電性材料の比表面積当たりの金属触媒に伴う電流と、充電電圧の低減効果との関係を示すグラフである。図7に示されるように、実施例1〜6においては、充電電圧の低減効果が優れていることが確認された。また、図示しないが、比較例1の評価用セル(粒子状の二酸化マンガンを有する空気極層を備えたセル)の充電電圧の低減効果は、0.49V程度であった。これに対して、実施例1〜6の評価用セルは、比較例1の評価用セルと同等もしくはそれ以上の低減効果を有することが確認された。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the current accompanying the metal catalyst per specific surface area of the conductive material and the effect of reducing the charging voltage. As shown in FIG. 7, in Examples 1-6, it was confirmed that the charge voltage reduction effect is excellent. Although not shown, the effect of reducing the charging voltage of the evaluation cell of Comparative Example 1 (the cell provided with the air electrode layer having particulate manganese dioxide) was about 0.49V. On the other hand, it was confirmed that the evaluation cells of Examples 1 to 6 have a reduction effect equal to or higher than that of the evaluation cell of Comparative Example 1.

1 … 空気極層
2 … 導電性材料
3 … 金属触媒
11a … 負極ケース
11b … 空気極ケース
12 … 負極集電体
12a … 負極リード
13 … 負極層
14 … 空気極層
15 … 空気極集電体
15a … 空気極リード
16 … セパレータ
17 … 電解質層
18 … 微多孔膜
19 … パッキン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air electrode layer 2 ... Conductive material 3 ... Metal catalyst 11a ... Negative electrode case 11b ... Air electrode case 12 ... Negative electrode current collector 12a ... Negative electrode lead 13 ... Negative electrode layer 14 ... Air electrode layer 15 ... Air electrode current collector 15a ... Air electrode lead 16 ... Separator 17 ... Electrolyte layer 18 ... Microporous film 19 ... Packing

Claims (6)

空気二次電池に用いられる空気極層であって、導電性材料と、電析法により前記導電性材料の表面上に形成された金属触媒とを有することを特徴とする空気極層。   An air electrode layer used for an air secondary battery, comprising an electroconductive material and a metal catalyst formed on the surface of the electroconductive material by an electrodeposition method. 前記金属触媒が、網目状に分散されていることを特徴とする請求項1に記載の空気極層。   The air electrode layer according to claim 1, wherein the metal catalyst is dispersed in a network. 前記導電性材料の比表面積当たりの前記金属触媒に伴う電流が、250μA/cm〜800μA/cmの範囲内であることを特徴とする請求項1または請求項2の記載の空気極層。 The current associated with the metal catalyst per specific surface area of the conductive material, 250μA / cm 2 ~800μA / wherein the cm is within 2 ranges claim 1 or the air electrode layer according to claim 2. 前記金属触媒が、マンガン酸化物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極層。   The air electrode layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal catalyst is a manganese oxide. 請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の空気極層を有することを特徴とする空気二次電池。   An air secondary battery comprising the air electrode layer according to any one of claims 1 to 4. 空気二次電池に用いられる空気極層の製造方法であって、
導電性材料を含有する導電性材料含有組成物を用いて導電性材料含有層を形成する導電性材料含有層形成工程と、
前記導電性材料含有層に含まれる前記導電性材料の表面上に、電析法により金属触媒を形成することで、空気極層を形成する電析工程と、
を有することを特徴とする空気極層の製造方法。
A method for producing an air electrode layer used in an air secondary battery,
A conductive material-containing layer forming step of forming a conductive material-containing layer using a conductive material-containing composition containing a conductive material;
An electrodeposition step of forming an air electrode layer by forming a metal catalyst on the surface of the conductive material contained in the conductive material-containing layer by an electrodeposition method;
The manufacturing method of the air electrode layer characterized by having.
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