JP2011054329A - Metal-air cell system; motor driver using the same - Google Patents

Metal-air cell system; motor driver using the same Download PDF

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英孝 錦織
Yoshiharu Takasaya
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal-air cell system having an excellent charge and discharge rate and high charge efficiency and provide a motor driver using the system. <P>SOLUTION: This metal-air cell system haing a metal-air cell includes (1) a measn for setting temperature, (2) a means for controlling temperature, (3) a means for monitoring temperature control, and (4) a means for switching temperature control modes. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、優れた充放電レートと高い充電効率をいずれも達成できる金属空気電池システム、及び当該金属空気電池システムを用いたモーター駆動体に関する。   The present invention relates to a metal-air battery system that can achieve both an excellent charge / discharge rate and high charge efficiency, and a motor drive body using the metal-air battery system.

金属空気電池は、金属(例えば、リチウム等)を負極活物質に、酸素を正極活物質に利用した、充放電可能な電池である。正極活物質である酸素は空気から得られるため、電池内に正極活物質を封入する必要がないことから、理論上、金属空気電池は、固体の正極活物質を用いる二次電池よりも大きな容量を実現できる。   The metal-air battery is a chargeable / dischargeable battery using metal (for example, lithium) as a negative electrode active material and oxygen as a positive electrode active material. Since oxygen, which is a positive electrode active material, is obtained from air, it is not necessary to enclose the positive electrode active material in the battery, so theoretically, a metal-air battery has a larger capacity than a secondary battery using a solid positive electrode active material. Can be realized.

金属空気電池においては、放電の際、負極では(1)式の反応が進行する。
2Li → 2Li + 2e (1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、(1)式で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the metal-air battery, the reaction of the formula (1) proceeds at the negative electrode during discharge.
2Li → 2Li + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated in the formula (1) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.

また、放電の際、正極では(2)式及び(3)式の反応が進行する。
2Li + O + 2e → Li (2)
2Li + 1/2O + 2e → LiO (3)
生じた過酸化リチウム(Li)及び酸化リチウム(LiO)は、固体として空気極に蓄積される。
充電時においては、負極において上記式(1)の逆反応、正極において上記式(2)及び(3)の逆反応がそれぞれ進行し、負極においては金属リチウムが再生するため、再放電が可能となる。
Further, during discharge, the reactions of the formulas (2) and (3) proceed at the positive electrode.
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (2)
2Li + + 1 / 2O 2 + 2e → Li 2 O (3)
The generated lithium peroxide (Li 2 O 2 ) and lithium oxide (Li 2 O) are accumulated in the air electrode as solids.
At the time of charging, the reverse reaction of the above formula (1) proceeds at the negative electrode, and the reverse reactions of the above formulas (2) and (3) proceed at the positive electrode, respectively. Become.

金属空気電池において何らの温度制御対策も取らない場合には、電池の内部に収容された一部のセルが電池周囲の温度よりも高い温度で作用した結果、セル間の放電/充電の差異をもたらすおそれや、電池内の固体及び液体物質の熱による劣化が促進された結果、電池が破損するおそれがある。これらのデメリットを回避するためには、金属空気電池において、適切な温度制御機構を設けることが必要である。   If no temperature control measures are taken in the metal-air battery, some cells housed inside the battery act at a temperature higher than the ambient temperature of the battery, resulting in a difference in discharge / charge between the cells. There is a risk that the battery may be damaged as a result of accelerating deterioration of the solid and liquid substances in the battery due to heat. In order to avoid these disadvantages, it is necessary to provide an appropriate temperature control mechanism in the metal-air battery.

温度制御機構の一種として、冷却手段を備えた金属空気電池の技術が、これまでに開発されている。特許文献1には、電池が隣り合うセル間に対の離隔薄板を備えた冷却用空気の流れを方向づける手段を有し、各離隔薄板が主表面と同様の寸法を有し、前記手段は前記対の薄板のあいだに冷却空気を流すように設けられ、且つ前記薄板の外側面が反応空気と接触してかつそれらを冷却するように配置される電気化学的亜鉛−空気多重セル型電池の技術が開示されている。   As a kind of temperature control mechanism, a metal-air battery technology provided with a cooling means has been developed so far. Patent Document 1 has means for directing the flow of cooling air with a pair of spaced thin plates between adjacent cells, each separated thin plate having the same dimensions as the main surface, said means being Electrochemical zinc-air multi-cell battery technology that is provided to allow cooling air to flow between a pair of sheets and the outer surface of the sheets is in contact with and cools the reaction air Is disclosed.

特開平10−162870号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-162870

特許文献1には、電気化学的亜鉛−空気多重セル型電池における空気冷却の概要については開示されているものの、具体的な冷却温度に関する記載は全くない。したがって、具体的にどのような温度設定にすれば電池性能が向上するかは、特許文献1からは明らかではない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、優れた充放電レートと高い充電効率をいずれも達成できる金属空気電池システム、及び当該金属空気電池システムを用いたモーター駆動体を提供することを目的とする。
Patent Document 1 discloses an outline of air cooling in an electrochemical zinc-air multi-cell battery, but does not describe any specific cooling temperature. Therefore, it is not clear from Patent Document 1 what specific temperature setting should improve battery performance.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and provides a metal-air battery system capable of achieving both an excellent charge / discharge rate and high charge efficiency, and a motor drive body using the metal-air battery system. For the purpose.

本発明の金属空気電池システムは、少なくとも空気極と、負極と、当該空気極及び当該負極との間に介在する電解質とを有する金属空気電池を有する金属空気電池システムであって、
(1)前記金属空気電池の充電時作動目標温度、及び、当該充電時作動目標温度とは異なる温度である前記金属空気電池の放電時作動目標温度を設定する温度設定手段、
(2)前記金属空気電池を、充電時においては、前記充電時作動目標温度となるように温度制限し、且つ、放電時においては、前記放電時作動目標温度となるように温度制限する温度制御手段、
(3)前記金属空気電池について、充電時及び/又は放電時の温度制御の必要性を監視する温度制御監視手段、
(4)充電時及び/又は放電時において、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が必要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を開始する温度制御運転モードを選択し、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が不要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を停止する温度制御停止モードを選択し、選択した温度制御モードを実行する温度制御モード切替手段、を備えることを特徴とする。
The metal-air battery system of the present invention is a metal-air battery system having a metal-air battery having at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode,
(1) A temperature setting means for setting a target operating temperature during charging of the metal-air battery and a target operating temperature during discharging of the metal-air battery that is different from the target operating temperature during charging.
(2) Temperature control for limiting the temperature of the metal-air battery so as to be the target operating temperature at the time of charging and limiting the temperature so as to be the target operating temperature at the time of discharging. means,
(3) Temperature control monitoring means for monitoring the necessity of temperature control during charging and / or discharging for the metal-air battery,
(4) When charging and / or discharging, when the temperature control monitoring means determines that the temperature control of the metal-air battery is necessary, the temperature control operation mode for starting the temperature control of the metal-air battery is selected. When the temperature control monitoring unit determines that the temperature control of the metal-air battery is unnecessary, the temperature control stop mode for stopping the temperature control of the metal-air battery is selected, and the selected temperature control mode is executed. Temperature control mode switching means.

このような構成の金属空気電池システムは、前記温度設定手段によって、前記放電時作動目標温度と前記充電時作動目標温度を異なる温度に設定し、且つ、前記温度制御手段、前記温度制御監視手段及び前記温度制御モード切替手段により適切に温度制御を行うことによって、放電時の前記金属空気電池の実際の作動温度を、充電時の前記金属空気電池の実際の作動温度と異なる温度とすることができ、優れた充放電レートと充電効率を両立することができる。   In the metal-air battery system having such a configuration, the temperature setting means sets the discharge operation target temperature and the charge operation target temperature to different temperatures, and the temperature control means, the temperature control monitoring means, By appropriately controlling the temperature by the temperature control mode switching means, the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of discharging can be set to a temperature different from the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of charging. It is possible to achieve both an excellent charge / discharge rate and charge efficiency.

本発明の金属空気電池システムは、前記温度設定手段において、前記放電時作動目標温度を前記充電時作動目標温度未満の温度に設定することが好ましい。   In the metal-air battery system of the present invention, it is preferable that the temperature setting means sets the discharge target operation temperature to a temperature lower than the charge target operation temperature.

このような構成の金属空気電池システムは、前記温度設定手段によって、前記放電時作動目標温度を前記充電時作動目標温度よりも低い温度に設定し、且つ、前記温度制御手段、前記温度制御監視手段及び前記温度制御モード切替手段により適切に温度制御を行うことによって、放電時の前記金属空気電池の実際の作動温度を、充電時の前記金属空気電池の実際の作動温度よりも低い温度とすることができ、優れた充放電レートと充電効率を両立することができる。   In the metal-air battery system having such a configuration, the temperature setting means sets the discharge operation target temperature to a temperature lower than the charge operation target temperature, and the temperature control means and the temperature control monitoring means. In addition, by appropriately performing temperature control by the temperature control mode switching means, the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of discharging is set to a temperature lower than the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of charging. It is possible to achieve both an excellent charge / discharge rate and charge efficiency.

本発明の金属空気電池システムは、前記温度制御手段が、充電時及び放電時のいずれか一方の時において、前記金属空気電池から発生する余剰熱を蓄積し、且つ、充電時及び放電時のいずれかもう一方の時において、前記余剰熱を用いて前記金属空気電池を暖機する蓄熱部を備えることが好ましい。   In the metal-air battery system of the present invention, the temperature control means accumulates excess heat generated from the metal-air battery at any one of charging time and discharging time, and at any time of charging and discharging time. At the other time, it is preferable to provide a heat storage unit that warms up the metal-air battery using the surplus heat.

このような構成の金属空気電池システムは、前記金属空気電池から発生する余剰熱を蓄熱部にいったん蓄積し、適切なときに前記金属空気電池を暖機するのに用いることができるため、高いエネルギー効率で前記金属空気電池の暖機を行うことができる。   Since the metal-air battery system having such a structure can be used to warm up the metal-air battery at an appropriate time by temporarily accumulating excess heat generated from the metal-air battery in a heat storage unit, it has high energy. The metal-air battery can be warmed up with efficiency.

本発明のモーター駆動体は、上記金属空気電池システムと、当該金属空気電池システムから供給される電力により駆動するモーターとを備え、前記金属空気電池システムの前記温度制御手段が、前記金属空気電池と前記モーターの間の熱交換を行う熱交換手段であることを特徴とする。   The motor driving body of the present invention includes the metal-air battery system and a motor driven by electric power supplied from the metal-air battery system, and the temperature control means of the metal-air battery system includes the metal-air battery. It is a heat exchange means for performing heat exchange between the motors.

このような構成のモーター駆動体は、前記モーターから発生した排熱を、充電時の前記金属空気電池の加熱に用いることができるため、高いエネルギー効率で前記金属空気電池の暖機を行うことができる。   Since the motor drive body having such a configuration can use the exhaust heat generated from the motor to heat the metal-air battery during charging, the metal-air battery can be warmed up with high energy efficiency. it can.

本発明によれば、前記温度設定手段によって、前記放電時作動目標温度と前記充電時作動目標温度を異なる温度に設定し、且つ、前記温度制御手段、前記温度制御監視手段及び前記温度制御モード切替手段により適切に温度制御を行うことによって、放電時の前記金属空気電池の実際の作動温度を、充電時の前記金属空気電池の実際の作動温度と異なる温度とすることができ、優れた充放電レートと充電効率を両立することができる。   According to the present invention, the temperature setting means sets the discharge operation target temperature and the charge operation target temperature to different temperatures, and the temperature control means, the temperature control monitoring means, and the temperature control mode switching. By performing temperature control appropriately by means, the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of discharging can be made different from the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of charging, and excellent charge / discharge Both rate and charging efficiency can be achieved.

本発明に用いられる金属空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the laminated constitution of the metal air battery used for this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 本発明に係る金属空気電池システムが、外部負荷に接続された状態の典型例を示した概略模式図である。It is the schematic diagram which showed the typical example of the state in which the metal air battery system which concerns on this invention was connected to the external load. 本発明に係る金属空気電池システムの制御の典型例を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the typical example of control of the metal air battery system which concerns on this invention. 本発明に係るモーター駆動体の典型例の概略模式図である。It is a schematic diagram of the typical example of the motor drive body which concerns on this invention. 本発明に係るモーター駆動体の制御の典型例を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the typical example of control of the motor drive body which concerns on this invention. 塩濃度0.32mol/kgにおける電気化学評価結果を示したサイクリックボルタモグラムである。It is the cyclic voltammogram which showed the electrochemical evaluation result in salt concentration 0.32 mol / kg. 異なる測定温度における放電反応速度及び充電反応速度の値をまとめたグラフである。It is the graph which put together the value of the discharge reaction rate in different measurement temperature, and a charge reaction rate. 異なる測定温度における充電効率の値をまとめたグラフである。It is the graph which put together the value of the charge efficiency in different measurement temperature. サイクリックボルタンメトリー(CV)に用いたCVセルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the CV cell used for cyclic voltammetry (CV).

本発明の金属空気電池システムは、少なくとも空気極と、負極と、当該空気極及び当該負極との間に介在する電解質とを有する金属空気電池を有する金属空気電池システムであって、
(1)前記金属空気電池の充電時作動目標温度、及び、当該充電時作動目標温度とは異なる温度である前記金属空気電池の放電時作動目標温度を設定する温度設定手段、
(2)前記金属空気電池を、充電時においては、前記充電時作動目標温度となるように温度制限し、且つ、放電時においては、前記放電時作動目標温度となるように温度制限する温度制御手段、
(3)前記金属空気電池について、充電時及び/又は放電時の温度制御の必要性を監視する温度制御監視手段、
(4)充電時及び/又は放電時において、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が必要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を開始する温度制御運転モードを選択し、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が不要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を停止する温度制御停止モードを選択し、選択した温度制御モードを実行する温度制御モード切替手段、を備えることを特徴とする。
The metal-air battery system of the present invention is a metal-air battery system having a metal-air battery having at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode,
(1) A temperature setting means for setting a target operating temperature during charging of the metal-air battery and a target operating temperature during discharging of the metal-air battery that is different from the target operating temperature during charging.
(2) Temperature control for limiting the temperature of the metal-air battery so as to be the target operating temperature at the time of charging and limiting the temperature so as to be the target operating temperature at the time of discharging. means,
(3) Temperature control monitoring means for monitoring the necessity of temperature control during charging and / or discharging for the metal-air battery,
(4) When charging and / or discharging, when the temperature control monitoring means determines that the temperature control of the metal-air battery is necessary, the temperature control operation mode for starting the temperature control of the metal-air battery is selected. When the temperature control monitoring unit determines that the temperature control of the metal-air battery is unnecessary, the temperature control stop mode for stopping the temperature control of the metal-air battery is selected, and the selected temperature control mode is executed. Temperature control mode switching means.

上述したように、従来の金属空気電池システムにおいては、電池性能向上という観点からは、具体的な温度設定がなされていなかった。
しかし、後述する実施例において示すように、温度が上昇するに従って、放電反応速度及び充電反応速度はいずれも向上するが、放電の際に高温の場合は、放電後の充電効率が悪くなることが、発明者らの鋭意努力の結果初めて明らかとなった。この実施例の結果から、金属空気電池の放電時の実際の作動温度を、充電時の実際の作動温度とは異なる温度とするシステムを設計することによって、上述したように金属空気電池の作動温度によってはトレードオフの関係となってしまう充放電レートと充電効率を、いずれも損なうことなく両立することができることが分かった。
本発明に係る金属空気電池システムは、上記思想に基づいたものであり、予め放電時作動目標温度を充電時作動目標温度とは異なる温度に設定し、且つ、金属空気電池を適切に温度制御することによって、優れた充放電レートと充電効率を両立することができる。
As described above, in the conventional metal-air battery system, a specific temperature setting has not been made from the viewpoint of improving battery performance.
However, as shown in the examples described later, as the temperature rises, both the discharge reaction rate and the charge reaction rate improve. However, if the temperature is high during discharge, the charge efficiency after discharge may deteriorate. It became clear for the first time as a result of inventors' earnest efforts. From the results of this example, by designing a system in which the actual operating temperature during discharging of the metal-air battery is different from the actual operating temperature during charging, the operating temperature of the metal-air battery as described above. It has been found that the charge / discharge rate and the charge efficiency, both of which are in a trade-off relationship, can be made compatible without any loss.
The metal-air battery system according to the present invention is based on the above idea, and sets the discharge target temperature to be different from the charge target temperature in advance and appropriately controls the temperature of the metal-air battery. Thus, both an excellent charge / discharge rate and charging efficiency can be achieved.

本願発明の金属空気電池システムは、少なくとも、(1)温度設定手段、(2)温度制御手段、(3)温度制御監視手段、(4)温度制御モード切替手段及び(5)金属空気電池を備える。以下、順に項を分けて説明する。   The metal-air battery system of the present invention includes at least (1) temperature setting means, (2) temperature control means, (3) temperature control monitoring means, (4) temperature control mode switching means, and (5) metal air battery. . Hereinafter, the items will be described in order.

(1)温度設定手段について
本発明に係る金属空気電池システムが備える温度設定手段は、金属空気電池の充電時作動目標温度、及び、充電時作動目標温度とは異なる温度である金属空気電池の放電時作動目標温度を設定する手段である。
ここで、充電時作動目標温度とは、充電時において実際の金属空気電池が作動する際の基準となる温度のことであり、放電時作動目標温度とは、放電時において実際の金属空気電池が作動する際の基準となる温度のことである。
このように各作動目標温度を設定し、且つ、後述する温度制御手段、温度制御監視手段及び温度制御モード切替手段により適切に温度制御を行うことによって、常に実際の放電時作動温度が、充電時作動温度とは異なる温度となるように、金属空気電池の温度設定を行うことができる。
(1) About temperature setting means The temperature setting means provided in the metal-air battery system according to the present invention includes a target operating temperature during charging of the metal-air battery and a discharge of the metal-air battery that is a temperature different from the target operating temperature during charging. It is a means for setting the operation target temperature.
Here, the target operating temperature during charging is a reference temperature when the actual metal-air battery operates during charging, and the target operating temperature during discharging refers to the actual metal-air battery during discharging. This is the reference temperature for operation.
By setting each operation target temperature in this way and appropriately performing temperature control by a temperature control means, a temperature control monitoring means, and a temperature control mode switching means, which will be described later, the actual operation temperature during discharge always becomes the value during charging. The temperature of the metal-air battery can be set so that the temperature is different from the operating temperature.

上述した温度設定手段において、放電時作動目標温度を充電時作動目標温度未満の温度に設定することが好ましい。
後述する実施例において示すように、実際の放電時作動温度を充電時作動温度よりも低い温度とすることにより、優れた充放電レートと充電効率を両立することができることが、発明者らの鋭意努力により明らかとなっている。したがって、温度設定手段によって、放電時作動目標温度を充電時作動目標温度よりも低い温度に設定し、且つ、温度制御手段、温度制御監視手段及び温度制御モード切替手段により適切に温度制御を行うことによって、放電時の金属空気電池の実際の作動温度を、充電時の金属空気電池の実際の作動温度よりも低い温度とすることができ、優れた充放電レートと充電効率を両立することができる。
In the temperature setting means described above, it is preferable to set the discharge operation target temperature to a temperature lower than the charge operation target temperature.
As shown in the examples described later, the inventors have earnestly determined that it is possible to achieve both an excellent charge / discharge rate and charging efficiency by setting the actual operating temperature during discharging to a temperature lower than the operating temperature during charging. It becomes clear by effort. Therefore, the operation target temperature during discharging is set to a temperature lower than the operation target temperature during charging by the temperature setting means, and temperature control is appropriately performed by the temperature control means, the temperature control monitoring means, and the temperature control mode switching means. Therefore, the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of discharging can be made lower than the actual operating temperature of the metal-air battery at the time of charging, and both excellent charge / discharge rate and charging efficiency can be achieved. .

温度設定手段としては、具体的には、充電時作動目標温度データ及び放電時作動目標温度データを格納した磁気ディスク等の記録媒体や、当該温度データを後述する温度制御監視手段等に送信可能な電子計算機等の装置を例示することができる。しかしながら、充電時作動目標温度データ及び放電時作動目標温度データを金属空気電池システムの作動前後又は作動中に設定し、当該温度データを金属空気電池の温度制御に利用することが可能な手段であれば、必ずしもこれら記録媒体や装置に限定されることはなく、どのような手段でも採用することができる。   Specifically, as the temperature setting means, a recording medium such as a magnetic disk storing the operation target temperature data at the time of charging and the operation target temperature data at the time of discharging, or the temperature data can be transmitted to a temperature control monitoring means to be described later. An apparatus such as an electronic computer can be exemplified. However, the charging target temperature data for charging and the target operating temperature data for discharging may be set before, during, or during the operation of the metal-air battery system, and the temperature data can be used for temperature control of the metal-air battery. For example, the recording medium and the apparatus are not necessarily limited, and any means can be adopted.

(2)温度制御手段について
本発明に係る金属空気電池システムが備える温度制御手段は、金属空気電池を、充電時においては、前記充電時作動目標温度となるように温度制限し、且つ、放電時においては、前記放電時作動目標温度となるように温度制限する手段である。
ここで「温度制限」とは、金属空気電池の温度を変更または維持することを含み、また、「温度制御」とは、具体的には、金属空気電池の暖機、冷機又は一定の温度維持のいずれかを行うことをいう。「金属空気電池の暖機/冷機」とは、金属空気電池の温度を上昇/下降させることを意味する。ここで、「金属空気電池の温度」とは、金属空気電池の内部を含む、金属空気電池が位置する周辺の温度のことであり、好ましくは、金属空気電池の内部の温度のことである。
なお、各前記作動目標温度となるように温度制限することは、当該作動目標温度ちょうどとなるまで制御し続けることを必ずしも意味するものではない。実際の金属空気電池の作動温度は、金属空気電池内部の温度分布にもよるが、各前記作動目標温度の近傍の温度幅、具体的には、±1〜3℃程度の温度幅内の温度であればよいものとする。
金属空気電池の温度を測定する方法は、温度制御監視手段の説明の項において述べる。
(2) About temperature control means The temperature control means provided in the metal-air battery system according to the present invention limits the temperature of the metal-air battery so that it becomes the operation target temperature at the time of charging, and at the time of discharging. Is a means for limiting the temperature so as to be the operation target temperature during discharge.
Here, “temperature limitation” includes changing or maintaining the temperature of the metal-air battery, and “temperature control” specifically refers to warming, cooling, or maintaining a constant temperature of the metal-air battery. To do any of the above. “Warming / cooling of the metal-air battery” means increasing / decreasing the temperature of the metal-air battery. Here, the “temperature of the metal-air battery” means the temperature around the metal-air battery including the inside of the metal-air battery, and preferably the temperature inside the metal-air battery.
It should be noted that limiting the temperature so as to achieve each operation target temperature does not necessarily mean that the control is continued until the operation target temperature is exactly reached. Although the actual operating temperature of the metal-air battery depends on the temperature distribution inside the metal-air battery, the temperature range in the vicinity of each of the operation target temperatures, specifically, the temperature within a temperature range of about ± 1 to 3 ° C If it is good.
A method for measuring the temperature of the metal-air battery will be described in the description of the temperature control monitoring means.

温度制御手段は、金属空気電池システムの放電機構とは独立して金属空気電池の温度制御を担当する手段であってもよいが、省スペース化及び省電力化の観点からは、金属空気電池システムの放電機構を利用した手段であってもよい。   The temperature control means may be a means for controlling the temperature of the metal-air battery independently of the discharge mechanism of the metal-air battery system, but from the viewpoint of space saving and power saving, the metal-air battery system It is also possible to use a means using the discharge mechanism.

上述した温度制御手段が、充電時及び放電時のいずれか一方の時において、金属空気電池から発生する余剰熱を蓄積し、且つ、充電時及び放電時のいずれかもう一方の時において、余剰熱を用いて金属空気電池を暖機する蓄熱部を備えることが好ましい。このような構成をとることによって、金属空気電池から発生する余剰熱を蓄熱部にいったん蓄積し、適切なときに金属空気電池を暖機するのに用いることができるため、高いエネルギー効率で金属空気電池の暖機を行うことができる。
蓄熱部の構成は、金属空気電池の余剰熱の蓄積及び暖機を十分に行うことができれば、特に限定されない。蓄熱部の構成の具体例としては、液体又は固体の蓄熱材料を適切な容器に格納した装置や、内部に液体の蓄熱材料が循環する流路を備え、当該流路が金属空気電池近傍を取り巻くように設置された装置等を挙げることができる。
蓄熱材料は、一定量の熱を蓄えることができるものであれば特に限定されないが、100kJ/kgの融解熱量を有する物質であることが好ましく、150kJ/kgの融解熱量を有する物質であるのが特に好ましい。取り扱い容易であり、比較的高い融点及び融解熱量を有するという観点からは、蓄熱材料が水又は炭素数14以上の直鎖飽和炭化水素であることが好ましい。
下記表1に、蓄熱材料の例とその分子式、融点及び融解熱量をまとめたものを示す。
The temperature control means described above accumulates surplus heat generated from the metal-air battery at one of charging and discharging, and surplus heat at the other of charging and discharging. It is preferable to provide a heat storage unit for warming up the metal-air battery using By adopting such a configuration, surplus heat generated from the metal-air battery can be temporarily stored in the heat storage unit and used to warm up the metal-air battery at an appropriate time. The battery can be warmed up.
The configuration of the heat storage unit is not particularly limited as long as it can sufficiently accumulate and warm up the excess heat of the metal-air battery. Specific examples of the configuration of the heat storage unit include a device in which a liquid or solid heat storage material is stored in an appropriate container, and a flow path through which the liquid heat storage material circulates, and the flow path surrounds the vicinity of the metal-air battery. Examples of such a device can be given.
The heat storage material is not particularly limited as long as it can store a certain amount of heat, but is preferably a substance having a heat of fusion of 100 kJ / kg, and a substance having a heat of fusion of 150 kJ / kg. Particularly preferred. From the viewpoint of being easy to handle and having a relatively high melting point and heat of fusion, the heat storage material is preferably water or a linear saturated hydrocarbon having 14 or more carbon atoms.
Table 1 below shows examples of heat storage materials and their molecular formulas, melting points, and heats of fusion.

(3)温度制御監視手段について
本発明に係る金属空気電池システムが備える温度制御監視手段は、金属空気電池について、充電時及び/又は放電時の温度制御の必要性を監視する手段である。金属空気電池の温度制御の必要性を監視し、監視結果を後述する温度制御モード切替手段に伝達するためには、温度制御監視手段は、少なくとも、金属空気電池から物性データを取得する手段又は装置と、得られた当該物性データに基づいて、金属空気電池が温度制御を必要とするものであるか否かを判定する手段が必要である。
(3) Temperature control monitoring means The temperature control monitoring means included in the metal-air battery system according to the present invention is a means for monitoring the necessity of temperature control during charging and / or discharging of the metal-air battery. In order to monitor the necessity of temperature control of the metal-air battery and to transmit the monitoring result to the temperature control mode switching means described later, the temperature control monitoring means is at least a means or device for acquiring physical property data from the metal-air battery And means for determining whether the metal-air battery requires temperature control based on the obtained physical property data.

温度制御監視手段の一形態としては、金属空気電池の温度を監視する温度測定装置と、温度制御の必要性を判断するための基準となる温度データとして、上述した温度設定手段が設定した充電時作動目標温度データ及び放電時作動目標温度データを保有するという構成をとることができる。温度制御監視手段が、このような温度データを保有することによって、金属空気電池の温度制御が必要であるか否かを、温度測定装置が監視する金属空気電池の温度から判断することができる。   As one form of the temperature control monitoring means, the temperature measuring device for monitoring the temperature of the metal-air battery, and the charging time set by the temperature setting means described above as temperature data serving as a reference for determining the necessity of temperature control The operation target temperature data and the discharge operation target temperature data can be held. By holding such temperature data, the temperature control monitoring means can determine whether or not the temperature control of the metal-air battery is necessary from the temperature of the metal-air battery monitored by the temperature measuring device.

金属空気電池の温度を測定する手段は、特に限定されることはなく、一般に金属空気電池周辺の温度を測定する方法を採用することができる。温度測定方法の具体例としては、純水銀を用いたガラス製温度計、バイメタルを用いた金属製温度計、白金線を用いた電気式温度計、熱電対を用いた温度センサー、サーミスタを用いた抵抗温度計、放射温度計等を用いた測定方法を挙げることができる。   The means for measuring the temperature of the metal-air battery is not particularly limited, and generally a method for measuring the temperature around the metal-air battery can be adopted. As specific examples of the temperature measurement method, a glass thermometer using pure mercury, a metal thermometer using bimetal, an electric thermometer using a platinum wire, a temperature sensor using a thermocouple, and a thermistor were used. The measuring method using a resistance thermometer, a radiation thermometer, etc. can be mentioned.

金属空気電池システムの始動段階から、金属空気電池の温度制御が必要であるか否かを監視し、必要に応じて金属空気電池の温度制御を開始することができるという観点から、温度制御監視手段は、少なくとも金属空気電池システムの始動段階においていずれも作動することが好ましい。なお、例えば、金属空気電池システムの使用環境が極端に低温である場合や、当該使用環境が極端に高温である場合等、常に温度制御の必要性を確認しなければならない場合においては、金属空気電池システムの始動段階のみならず、金属空気電池システムの途中段階においても、温度制御監視手段が作動することが好ましい。   From the viewpoint of monitoring whether or not the temperature control of the metal air battery is necessary from the starting stage of the metal air battery system, and starting the temperature control of the metal air battery if necessary, the temperature control monitoring means Preferably operate at least during the startup phase of the metal-air battery system. For example, when the use environment of the metal-air battery system is extremely low temperature, or when the use environment is extremely high temperature, the necessity for temperature control must always be confirmed. It is preferable that the temperature control monitoring means operates not only in the starting stage of the battery system but also in the middle stage of the metal-air battery system.

(4)温度制御モード切替手段について
本発明に係る金属空気電池システムが備える温度制御モード切替手段は、温度制御運転モード又は温度制御停止モードを選択し、選択した温度制御モードを実行する手段である。
温度制御運転モードは、充電時及び/又は放電時において、上述した温度制御監視手段により金属空気電池の温度制御が必要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を開始するモードであり、温度制御停止モードは、上述した温度制御監視手段により金属空気電池の温度制御が不要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を停止するモードである。
(4) Temperature control mode switching means The temperature control mode switching means provided in the metal-air battery system according to the present invention is a means for selecting a temperature control operation mode or a temperature control stop mode and executing the selected temperature control mode. .
The temperature control operation mode is a mode for starting the temperature control of the metal-air battery when it is determined that the temperature control of the metal-air battery is necessary by the above-described temperature control monitoring means during charging and / or discharging. The temperature control stop mode is a mode in which the temperature control of the metal-air battery is stopped when it is determined by the above-described temperature control monitoring means that the temperature control of the metal-air battery is unnecessary.

ここでいう「温度制御が必要と判断された場合」とは、必ずしも1回のみ起こるものとは限らない。すなわち、温度制御監視手段により金属空気電池の温度制御が必要と判断され、温度制御を行った結果いったん温度制御監視手段により温度制御が不要と判断された後に、再度温度制御が必要と判断される場合も想定し得る。このような場合においても、本発明に係る金属空気電池システムが備える温度制御モード切替手段は、再度温度制御運転モードを選択することができる。これは、「温度制御が不要と判断された場合」においても同様である。すなわち、温度制御モード切替手段は、定期的に温度制御監視手段から温度制御の要・不要の情報を得て温度制御モードを切り替えるものとする。
温度制御モード切替手段の構成は、特に限定されないが、具体的には、温度制御の要・不要の情報と連動して上述した温度制御手段を切り替えるスイッチや、温度制御の要・不要の情報を温度制御手段等に送信可能な電子計算機等の装置を例示することができる。
Here, “when it is determined that temperature control is necessary” does not necessarily occur only once. That is, it is determined that the temperature control of the metal-air battery is necessary by the temperature control monitoring means, and as a result of performing the temperature control, the temperature control monitoring means once determines that the temperature control is unnecessary, and then it is determined that the temperature control is necessary again. A case can also be assumed. Even in such a case, the temperature control mode switching means provided in the metal-air battery system according to the present invention can select the temperature control operation mode again. The same applies to “when temperature control is determined to be unnecessary”. That is, it is assumed that the temperature control mode switching means periodically obtains information on necessity / unnecessity of temperature control from the temperature control monitoring means and switches the temperature control mode.
The configuration of the temperature control mode switching means is not particularly limited. Specifically, a switch for switching the temperature control means described above in conjunction with information on whether or not temperature control is necessary, and information on whether or not temperature control is necessary are provided. An apparatus such as an electronic computer that can be transmitted to a temperature control means or the like can be exemplified.

(5)金属空気電池について
本発明に係る金属空気電池システムが備える金属空気電池は、少なくとも空気極と、負極と、当該空気極及び当該負極との間に介在する電解質とを有する。
本発明に用いられる金属空気電池の一形態としては、多孔質構造を有する空気極集電体、及び、当該空気極集電体上に形成され、触媒及び導電性材料を含有する空気極層を有する空気極と、負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する負極と、空気極及び負極に挟持された電解質層とを有するという構成をとることができるが、必ずしもこの形態のみに限定されるものではない。
(5) Metal-air battery The metal-air battery provided in the metal-air battery system according to the present invention includes at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode.
As one form of the metal-air battery used in the present invention, an air electrode current collector having a porous structure, and an air electrode layer formed on the air electrode current collector and containing a catalyst and a conductive material are provided. It can take a configuration of having an air electrode, a negative electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material, and an electrolyte layer sandwiched between the air electrode and the negative electrode, It is not necessarily limited only to this form.

図1は、本発明に用いられる金属空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明に用いられる金属空気電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
金属空気電池100は、空気極層12及び空気極集電体14を含有する空気極16と、負極活物質層13及び負極集電体15を含有する負極17と、前記空気極16及び前記負極17に挟持される電解質層11を有する。
以下、本発明に用いられる金属空気電池の構成要素である、電解質層、空気極及び負極について、順に説明する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a layer configuration of a metal-air battery used in the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in a stacking direction. The metal-air battery used in the present invention is not necessarily limited to this example.
The metal-air battery 100 includes an air electrode 16 containing the air electrode layer 12 and the air electrode current collector 14, a negative electrode 17 containing the negative electrode active material layer 13 and the negative electrode current collector 15, the air electrode 16 and the negative electrode. 17 has an electrolyte layer 11 sandwiched by 17.
Hereinafter, the electrolyte layer, the air electrode, and the negative electrode, which are components of the metal-air battery used in the present invention, will be described in order.

(電解質層)
本発明に用いられる金属空気電池中の電解質層は、空気極層および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、高いイオン伝導性を有することから液状電解質が好ましい。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。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer in the metal-air battery 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 particularly, high ionic conductivity is provided. Therefore, a liquid electrolyte is preferable. 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(SOCF(Li−TFSI)、LiN(SO、LiC(SOCF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、溶存した酸素を効率良く反応に用いることができるという観点から、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。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 (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSI), LiN (SO 2 C 2). And organic lithium salts such as F 5 ) 2 and LiC (SO 2 CF 3 ) 3 . 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. Further, from the viewpoint that dissolved oxygen can be efficiently used for the reaction, the non-aqueous solvent is preferably a solvent having high oxygen solubility. 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.

(空気極)
本発明に用いられる金属空気電池中の空気極は、好ましくは空気極層を有するものであり、通常、これに加えて、空気極集電体、及び当該空気極集電体に接続された空気極リードを有するものである。
(Air electrode)
The air electrode in the metal-air battery used in the present invention preferably has an air electrode layer. Usually, in addition to this, an air electrode current collector and air connected to the air electrode current collector are used. It has a pole lead.

(空気極層)
本発明に用いられる金属空気電池中の空気極層は、少なくとも導電性材料を含有するものである。さらに、必要に応じて、触媒および結着材の少なくとも一方を含有していても良い。
(Air electrode layer)
The air electrode layer in the metal-air battery used in the present invention contains at least a conductive material. Furthermore, you may contain at least one of a catalyst and a binder as needed.

本発明に用いられる金属空気電池中の空気極層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、例えば炭素材料等を挙げることができる。さらに、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本発明においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。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炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。空気極層における導電性材料の含有量としては、例えば65質量%〜99質量%の範囲内、中でも75質量%〜95質量%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、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるからである。   The conductive material used for the air electrode layer in the metal-air battery used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a carbon material. Furthermore, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure. 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. As content of the electroconductive material in an air electrode layer, it is preferable to exist in the range of 65 mass%-99 mass%, for example in the range of 75 mass%-95 mass% especially. If the content of the conductive material is too small, the reaction field may decrease and the battery capacity may be reduced. If the content of the conductive material is too large, the content of the catalyst is relatively reduced and sufficient. This is because it may not be possible to exert a proper catalytic function.

本発明に用いられる金属空気電池中の空気極層に用いられる触媒としては、例えばコバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を挙げることができる。空気極層における触媒の含有量としては、例えば1質量%〜30質量%の範囲内、中でも5質量%〜20質量%の範囲内であることが好ましい。触媒の含有量が少なすぎると、充分な触媒機能を発揮できない可能性があり、触媒の含有量が多すぎると、相対的に導電性材料の含有量が減り、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があるからである。
電極反応がよりスムーズに行われるという観点から、上述した導電性材料は触媒を担持していることが好ましい。
Examples of the catalyst used for the air electrode layer in the metal-air battery used in the present invention include cobalt phthalocyanine and manganese dioxide. The catalyst content in the air electrode layer is, for example, preferably in the range of 1% by mass to 30% by mass, and more preferably in the range of 5% by mass to 20% by mass. If the catalyst content is too low, sufficient catalytic function may not be achieved. If the catalyst content is too high, the content of the conductive material is relatively reduced, the reaction field is reduced, and the battery capacity is reduced. This is because there is a possibility that a decrease in the number of times will occur.
From the viewpoint that the electrode reaction is performed more smoothly, the conductive material described above preferably supports a catalyst.

上記空気極層は、少なくとも導電性材料を含有してれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着材を含有することが好ましい。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、特に限定されるものではないが、例えば30質量%以下、中でも1質量%〜10質量%の範囲内であることが好ましい。   The air electrode layer may contain at least a conductive material, but preferably further contains a binder for fixing the conductive material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Although it does not specifically limit as content of the binder in an air electrode layer, For example, it is preferable that it is in the range of 30 mass% or less, especially 1 mass%-10 mass%.

上記空気極層の厚さは、空気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。
The thickness of the air electrode layer is different depending on the use of the air battery, for example, 2 μm to
It is preferable to be in the range of 500 μm, especially in the range of 5 μm to 300 μm.

(空気極集電体)
本発明に用いられる金属空気電池中の空気極集電体は、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、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、本発明の金属空気電池は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を有していても良い。また、本発明においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。
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。
(Air current collector)
The air electrode current collector in the metal-air battery used in the present invention collects current in the air electrode layer. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Especially, in this invention, it is preferable that the shape of an air electrode electrical power collector is a mesh form. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the metal-air battery of the present invention may have another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects the charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. good. In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
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.

(負極)
本発明に用いられる金属空気電池中の負極は、好ましくは負極活物質を含有する負極層を有するものであり、通常、これに加えて負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを有するものである。
(Negative electrode)
The negative electrode in the metal-air battery used in the present invention preferably has a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and is usually connected to the negative electrode current collector and the negative electrode current collector in addition to this. It has a negative electrode lead.

(負極層)
本発明に用いられる金属空気電池中の負極層は、少なくとも、アルカリ金属元素を有する負極活物質を含有する。上記アルカリ金属元素としては、例えばLi、NaおよびK等を挙げることができ、エネルギー密度の高い電池を得ることができるという観点からLiが好ましい。
(Negative electrode layer)
The negative electrode layer in the metal-air battery used in the present invention contains at least a negative electrode active material having an alkali metal element. Examples of the alkali metal element include Li, Na, and K. Li is preferable from the viewpoint that a battery having a high energy density can be obtained.

本発明に用いられる金属空気電池中の負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵・放出することができることが好ましい。このような負極活物質としては、アルカリ金属元素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。さらに、リチウム元素を有する合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。また、リチウム元素を有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。   The negative electrode active material in the metal-air battery used in the present invention is preferably capable of occluding and releasing alkali metal ions. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it has an alkali metal element, and examples thereof include simple metals, alloys, metal oxides, and metal nitrides. Furthermore, examples of the alloy having a lithium element include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Moreover, as a metal oxide which has a lithium element, lithium titanium oxide etc. can be mentioned, for example. Examples of the metal nitride containing a lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride.

また、本発明に用いられる金属空気電池中の負極層は、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、負極活物質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、上述した「空気極」の項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。   Further, the negative electrode layer in the metal-air battery used in the present invention may contain only the negative electrode active material, and contains at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material. It may be a thing. 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, a negative electrode layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained. Note that the conductive material and the binder are the same as the contents described in the above-mentioned “air electrode” section, and thus the description thereof is omitted here.

(負極集電体)
本発明に用いられる金属空気電池中の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、カーボン等を挙げることができる。上記負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。
(Negative electrode current collector)
The material of the negative electrode current collector in the metal-air battery used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. . Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In the present invention, a battery case, which will be described later, may have the function of a negative electrode current collector.

本発明に用いられる金属空気電池が、図1に示したような積層体を何層も重ねる構造を取る場合には、安全性の観点から、異なる積層体に属する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。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。   In the case where the metal-air battery used in the present invention has a structure in which multiple layers as shown in FIG. 1 are stacked, from the viewpoint of safety, between the air electrode layer and the negative electrode layer belonging to different layers. It is preferable to have a separator. 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、本発明に用いられる金属空気電池は、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、少なくとも空気極層が十分に大気と接触可能な構造を有する電池ケースである。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 metal-air battery used in the present invention usually has a battery case that houses the air electrode layer, the negative electrode layer, and the 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. An open-air battery case is a battery case having a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently 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.

図2は、本発明に係る金属空気電池システムが、外部負荷に接続された状態の典型例を示した概略模式図である。なお、この典型例はあくまでも一例であり、本発明に係る金属空気電池システムは、この典型例のみに限定されることはない。
図3は、本発明に係る金属空気電池システムの制御の典型例を示したフローチャートである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a typical example of a state in which the metal-air battery system according to the present invention is connected to an external load. This typical example is merely an example, and the metal-air battery system according to the present invention is not limited to this typical example.
FIG. 3 is a flowchart showing a typical example of control of the metal-air battery system according to the present invention.

図2に示すように、本発明に係る金属空気電池システムの典型例は、金属空気電池、蓄熱材料を有する温度制御手段、金属空気電池の温度を測定する温度センサーを備えた温度制御監視手段、温度制御モード切替手段を有している。温度制御監視手段は、予め温度設定手段(図示せず)によって設定された充電時作動目標温度データ及び放電時作動目標温度データを保有している。温度制御手段、温度制御モード切替手段及び温度制御監視手段は、いずれも電気的に接続され、温度制御監視手段によって金属空気電池の温度制御の要・不要が判断されると、その判断に沿って温度制御モード切替手段により自動的に温度制御モードが切り替わるように設定されている。   As shown in FIG. 2, a typical example of a metal-air battery system according to the present invention includes a metal-air battery, a temperature control means having a heat storage material, a temperature control monitoring means having a temperature sensor for measuring the temperature of the metal-air battery, Temperature control mode switching means is included. The temperature control monitoring means holds the charging operation target temperature data and the discharging operation target temperature data set in advance by a temperature setting means (not shown). The temperature control means, the temperature control mode switching means, and the temperature control monitoring means are all electrically connected. When the temperature control monitoring means determines whether or not the temperature control of the metal-air battery is necessary, it follows the determination. It is set so that the temperature control mode is automatically switched by the temperature control mode switching means.

図2の模式図及び図3のフローチャートに基づいて、本発明に係る金属空気電池システムの典型例の、放電時の制御について説明する。
まず、図3中に示したステップS11において、システムを始動させると同時に、温度制御運転モードとする。次にステップS12において、温度制御手段及び温度制御監視手段を実行する。
続いて、ステップS13において、温度制御監視手段により温度制御の要・不要を判定する。温度制御監視手段は上述したような放電時作動目標温度データを有しており、当該データに基づいて温度制御の要・不要を判断する。温度制御が不要であればステップS14へと移る。また、温度制御が必要であればステップS12へと戻り、引き続き温度制御運転モードを実行する。なお、ステップS13を実行する時間間隔、すなわち、温度制御監視手段によって温度制御が必要であると判定されてから再度温度制御監視手段による判定を実行する時間間隔としては、短くて数秒、長くても数分の時間間隔とする。
ステップS14においては、温度制御モード切替手段を実行し、温度制御停止モードへ切り替えることによって、金属空気電池の温度制御が終了する。
Based on the schematic diagram of FIG. 2 and the flowchart of FIG. 3, control during discharge of a typical example of the metal-air battery system according to the present invention will be described.
First, in step S11 shown in FIG. 3, the system is started and at the same time the temperature control operation mode is set. Next, in step S12, temperature control means and temperature control monitoring means are executed.
Subsequently, in step S13, the temperature control monitoring means determines whether or not temperature control is necessary. The temperature control monitoring means has operation target temperature data at the time of discharge as described above, and determines whether or not temperature control is necessary based on the data. If temperature control is unnecessary, the process proceeds to step S14. Moreover, if temperature control is required, it will return to step S12 and will continue temperature control operation mode. The time interval for executing step S13, that is, the time interval for executing the determination by the temperature control monitoring unit again after the temperature control monitoring unit determines that the temperature control is necessary may be as short as several seconds or longer. A time interval of several minutes.
In step S14, the temperature control of the metal-air battery is completed by executing the temperature control mode switching means and switching to the temperature control stop mode.

以下、上述した金属空気電池システムを用いたモーター駆動体について説明する。
本発明のモーター駆動体は、上述した金属空気電池システムと、当該金属空気電池システムから供給される電力により駆動するモーターとを備え、金属空気電池システムの温度制御手段が、金属空気電池とモーターの間の熱交換を行う熱交換手段であることを特徴とする。
このような構成のモーター駆動体は、モーターから発生した排熱を、充電時の金属空気電池の加熱に用いることができるため、高いエネルギー効率で金属空気電池の暖機を行うことができる。
Hereinafter, a motor driving body using the above-described metal-air battery system will be described.
A motor driving body of the present invention includes the above-described metal-air battery system and a motor driven by electric power supplied from the metal-air battery system, and the temperature control means of the metal-air battery system includes a metal-air battery and a motor. It is a heat exchange means for exchanging heat between.
Since the motor drive body having such a configuration can use the exhaust heat generated from the motor for heating the metal-air battery during charging, the metal-air battery can be warmed up with high energy efficiency.

熱交換手段は、必ずしも熱交換のための装置等に限定されることはなく、例えば、金属空気電池及びモーターの各形状や、各装置の配置などによるものでもよい。例えば、熱交換手段の設定方法として、金属空気電池及びモーターを、互いに熱交換できる位置に配置する方法、より具体的には金属空気電池をモーター近傍に配置する方法等を挙げることができる。
また、熱交換手段の例としては、金属空気電池とモーターの間を循環する熱交換媒体を流す流路を有する装置を挙げることもできる。
The heat exchange means is not necessarily limited to a device for heat exchange or the like, and may be, for example, each shape of a metal-air battery and a motor, arrangement of each device, or the like. For example, as a method for setting the heat exchange means, there can be mentioned a method in which the metal-air battery and the motor are arranged at positions where they can exchange heat with each other, more specifically, a method in which the metal-air battery is arranged in the vicinity of the motor.
Moreover, as an example of the heat exchange means, an apparatus having a flow path for flowing a heat exchange medium that circulates between the metal-air battery and the motor can be exemplified.

上述した熱交換手段は、金属空気電池近傍とモーター近傍を行き来する蓄熱部であることが好ましい。蓄熱部としては、本発明に係る金属空気電池システムの説明内の、上記「(2)温度制御手段について」の項で説明したような蓄熱部を採用することができる。   The heat exchanging means described above is preferably a heat storage section that moves back and forth between the vicinity of the metal-air battery and the vicinity of the motor. As the heat storage unit, a heat storage unit as described in the above section “(2) Temperature control means” in the description of the metal-air battery system according to the present invention can be employed.

本発明のモーター駆動体は、より長時間の使用に耐えることができるという観点から、金属空気電池の充電手段をさらに備え、当該充電手段の充電源がモーターであることが好ましい。このような構成のモーター駆動体は、モーターによってモーター駆動と充電を同時に行うことが可能であることから、特別な充電設備を必要とせず、モーター駆動体全体の省体積化が実現できる。   From the viewpoint that the motor drive body of the present invention can withstand longer use, it is preferable that the motor drive body further includes a metal-air battery charging means, and the charging source of the charging means is a motor. Since the motor drive body configured as described above can be driven and charged by the motor at the same time, no special charging facility is required, and volume saving of the entire motor drive body can be realized.

本発明に係るモーター駆動体の典型例の概略模式図を図4に示す。図4(a)は金属空気電池の放電時のモーター駆動体内の装置の配置を示した模式図であり、図4(b)は金属空気電池の充電時の当該モーター駆動体内の装置の配置を示した模式図である。なお、この典型例はあくまでも一例であり、本発明に係るモーター駆動体は、この典型例のみに限定されることはない。
図5は、本発明に係るモーター駆動体の制御の典型例を示したフローチャートである。
FIG. 4 shows a schematic diagram of a typical example of the motor driving body according to the present invention. FIG. 4A is a schematic diagram showing the arrangement of the devices in the motor drive body during discharge of the metal-air battery, and FIG. 4B shows the arrangement of the devices in the motor drive body during charging of the metal-air battery. It is the shown schematic diagram. In addition, this typical example is an example to the last, and the motor drive body which concerns on this invention is not limited only to this typical example.
FIG. 5 is a flowchart showing a typical example of the control of the motor driving body according to the present invention.

図4に示すように、本発明に係るモーター駆動体の典型例は、金属空気電池、温度制御手段としての蓄熱部、金属空気電池の温度を測定する温度センサーを備えた温度制御監視手段、温度制御モード切替手段及びモーターを有している。図4に示したモーター駆動体は、金属空気電池の充電時において金属空気電池の暖機を行うものであり、温度制御監視手段は、予め温度設定手段(図示せず)によって設定された、充電時作動目標温度データ、及び、当該充電時作動目標温度未満の温度に設定した放電時作動目標温度データを保有している。また、金属空気電池はモーターと電気的に接続されている。さらに、蓄熱部、温度制御モード切替手段及び温度制御監視手段は、いずれも電気的に接続され、温度制御監視手段によって金属空気電池の温度制御の要・不要が判断されると、その判断に沿って温度制御モード切替手段によって自動的に温度制御モードが切り替わるように設定されている。また蓄熱部は、モーター駆動体内を移動できるように可動式となっている。   As shown in FIG. 4, a typical example of the motor driving body according to the present invention is a metal air battery, a heat storage unit as a temperature control means, a temperature control monitoring means having a temperature sensor for measuring the temperature of the metal air battery, a temperature Control mode switching means and a motor are provided. The motor driver shown in FIG. 4 warms up the metal-air battery when the metal-air battery is charged, and the temperature control monitoring means is a charge set in advance by a temperature setting means (not shown). Operation target temperature data, and discharge operation target temperature data set to a temperature lower than the charge operation target temperature. The metal-air battery is electrically connected to the motor. Furthermore, the heat storage unit, the temperature control mode switching means, and the temperature control monitoring means are all electrically connected, and if the temperature control monitoring means determines whether the temperature control of the metal-air battery is necessary or not, it follows that determination. Thus, the temperature control mode is set to be automatically switched by the temperature control mode switching means. The heat storage unit is movable so that it can move within the motor drive body.

図4(a)に示すように、金属空気電池の放電時においては、蓄熱部はモーターに近く、且つ、金属空気電池からは遠い位置に配置されている。この配置においては、蓄熱部はモーター駆動により発生するジュール熱を吸熱し、蓄熱部内に蓄積している。また、この配置は温度制御停止モード下における配置であり、金属空気電池の温度制御は特に行っていない。
一方、図4(b)に示すように、金属空気電池の充電時においては、蓄熱部は金属空気電池に近く、且つ、モーターからは遠い位置に配置されている。この配置は温度制御運転モード下における配置であり、この配置においては、蓄熱部が放電時にモーターから得たジュール熱を金属空気電池に与えることにより、金属空気電池の暖機を行うことが可能である。
充電後に再び放電を行う場合には、図4(b)に示した温度制御運転モード下における配置から、図4(a)に示したような温度制御停止モード下における配置に切り替えることにより、蓄熱部が金属空気電池近傍から除去され、再びモーター近傍の位置に配置される。
本典型例においては、金属空気電池の放電時におけるモーターの排熱を、金属空気電池の充電時において、蓄熱部を介して金属空気電池に伝える仕組みとなっているため、少なくとも放電時のモーターの温度が、充電時の金属空気電池の温度よりも高い構成となっていることが好ましい。
As shown to Fig.4 (a), at the time of discharge of a metal air battery, the thermal storage part is arrange | positioned in the position close | similar to a motor and far from a metal air battery. In this arrangement, the heat storage unit absorbs Joule heat generated by driving the motor and accumulates it in the heat storage unit. This arrangement is an arrangement under the temperature control stop mode, and the temperature control of the metal-air battery is not particularly performed.
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the metal-air battery is charged, the heat storage unit is disposed at a position close to the metal-air battery and far from the motor. This arrangement is an arrangement under the temperature control operation mode. In this arrangement, the heat storage part gives Joule heat obtained from the motor at the time of discharge to the metal air battery so that the metal air battery can be warmed up. is there.
When discharging again after charging, the heat storage is performed by switching from the arrangement under the temperature control operation mode shown in FIG. 4 (b) to the arrangement under the temperature control stop mode as shown in FIG. 4 (a). The part is removed from the vicinity of the metal-air battery, and is again arranged at a position near the motor.
In this typical example, since the exhaust heat of the motor at the time of discharge of the metal-air battery is transmitted to the metal-air battery through the heat storage unit at the time of charging of the metal-air battery, at least the motor of the motor at the time of discharge is discharged. It is preferable that the temperature is higher than the temperature of the metal-air battery during charging.

図4の模式図及び図5のフローチャートに基づいて、本発明に係るモーター駆動体の典型例において、金属空気電池を放電から充電へ切り替える際の制御について説明する。
モーター駆動体を始動させる際の初期状態を仮に温度制御停止モード(図4(a))とする。まず、図5中に示したステップS21において、モーター駆動体を始動させると同時に、金属空気電池により放電を行う。次にステップS22において、金属空気電池を放電から充電へと切り替え、さらにステップS23において、温度制御監視手段を実行する。
続いて、ステップS24において、温度制御監視手段により温度制御の要・不要を判定する。温度制御監視手段は上述したような充電時作動目標温度データを有しており、当該データに基づいて温度制御の要・不要を判断する。温度制御が必要であればステップS25へと移る。また、温度制御が不要であればステップS23へと戻り、引き続き温度制御運転モードを実行する。なお、ステップS24を実行する時間間隔、すなわち、温度制御監視手段によって温度制御が不要であると判定されてから再度温度制御監視手段による判定を実行する時間間隔としては、短くて数秒、長くても数分の時間間隔とする。
ステップS25においては、温度制御モード切替手段を実行し、温度制御運転モード(図4(b))へ切り替えることによって、金属空気電池の温度制御が開始される。
Based on the schematic diagram of FIG. 4 and the flowchart of FIG. 5, the control when the metal-air battery is switched from discharging to charging in the typical example of the motor driving body according to the present invention will be described.
The initial state when starting the motor drive body is assumed to be a temperature control stop mode (FIG. 4A). First, in step S21 shown in FIG. 5, the motor driving body is started, and at the same time, the metal air battery is discharged. Next, in step S22, the metal-air battery is switched from discharging to charging, and in step S23, temperature control monitoring means is executed.
Subsequently, in step S24, the temperature control monitoring means determines whether or not temperature control is necessary. The temperature control monitoring means has operation target temperature data at the time of charging as described above, and determines whether temperature control is necessary or not based on the data. If temperature control is necessary, the process proceeds to step S25. If temperature control is unnecessary, the process returns to step S23, and the temperature control operation mode is continuously executed. The time interval for executing step S24, that is, the time interval for executing the determination by the temperature control monitoring unit again after the temperature control monitoring unit determines that the temperature control is unnecessary is as short as several seconds or longer. A time interval of several minutes.
In step S25, the temperature control of the metal-air battery is started by executing the temperature control mode switching means and switching to the temperature control operation mode (FIG. 4B).

異なる作動温度下における、充放電レート及び充電効率の推移を調べるために、図9に模式的に図示したような装置を用いて、サイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。
図9に示したように、CV測定装置は、大別して電解液及び電極が格納されたセル20と、電圧・電流制御を行うポテンショスタットとに分かれる。セル20内には、試料極21、対極22、参照極23が電解液24に十分に浸かるように配置されており、これら3つの電極は、ポテンショスタットと電気的に接続されている。また、酸素導入管25が電解液24に浸かるように配置されており、セル外部に設置された酸素供給源(図示せず)から一定時間酸素が電解液24にバブリングされ、電解液が酸素で飽和されている状態とする。円26は酸素の気泡を示す。
電解液24として、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム−ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)アミン(以下、PP13−TFSAと称す)を用い、電解液中にリチウム塩としてLiN(SOCF(Li−TFSA)を、リチウム塩濃度が0.32mol/kgとなるように調整して加えた。
装置の構成の詳細は以下に示すとおりである。
In order to investigate the transition of the charge / discharge rate and the charge efficiency under different operating temperatures, cyclic voltammetry (CV) was performed using an apparatus as schematically shown in FIG.
As shown in FIG. 9, the CV measuring apparatus is roughly divided into a cell 20 in which an electrolyte and electrodes are stored, and a potentiostat that performs voltage / current control. In the cell 20, the sample electrode 21, the counter electrode 22, and the reference electrode 23 are disposed so as to be sufficiently immersed in the electrolyte solution 24, and these three electrodes are electrically connected to the potentiostat. Further, the oxygen introduction tube 25 is disposed so as to be immersed in the electrolytic solution 24, and oxygen is bubbled into the electrolytic solution 24 for a certain time from an oxygen supply source (not shown) installed outside the cell, and the electrolytic solution is oxygen. Saturated state. Circles 26 represent oxygen bubbles.
As the electrolytic solution 24, N-methyl-N-propylpiperidinium-bis (trifluoromethylsulfonyl) amine (hereinafter referred to as PP13-TFSA) is used, and LiN (SO 2 CF 3 ) is used as a lithium salt in the electrolytic solution. 2 (Li-TFSA) was added after adjusting so that the lithium salt concentration would be 0.32 mol / kg.
Details of the configuration of the apparatus are as follows.

(装置の構成)
試料極 φ3mmグラッシーカーボンロッド電極
対極 Niリボン
参照極 Ag/Ag
掃引速度 100mV/s
酸素バブリング時間 30分
(Device configuration)
Sample electrode φ3mm glassy carbon rod electrode Counter electrode Ni ribbon Reference electrode Ag / Ag +
Sweep speed 100mV / s
Oxygen bubbling time 30 minutes

図6は、Li塩濃度0.32mol/kgにおける電気化学評価結果を示す。図6は、測定温度25℃の時のサイクリックボルタモグラム(CV)であり、リチウムの標準電極電位(Li+e=Li)を0Vに補正した結果を示している。
図6の1番の矢印は、リチウム酸化物(Li−TFSA)が還元される際の、2.5Vにおける還元電流値を示している。また、2番の矢印は、上記還元体の3.0Vにおける酸化電流値、すなわち、上記還元体が壊れてリチウム酸化物(Li−TFSA)に戻る際の電流値を示している。さらに、4番の領域、すなわち、1.5Vから2.5VまでのCV曲線が囲む領域は還元電気量を、3番の領域、すなわち、3Vから4VまでのCV曲線に挟まれた領域は酸化電気量を、それぞれ示している。
これらの実験値を基に、2.5Vにおける還元電流値を放電反応速度(すなわち、放電レート)と、3.0Vにおける酸化電流値を充電反応速度(すなわち、充電レート)として、まとめたグラフが図7である。また、CV可逆率=[{酸化電気量(3番の領域)/還元電気量(4番の領域)}×100]を算出し、当該CV可逆率を充電効率としてまとめたグラフが図8である。
FIG. 6 shows the electrochemical evaluation results at a Li salt concentration of 0.32 mol / kg. FIG. 6 is a cyclic voltammogram (CV) at a measurement temperature of 25 ° C., and shows the result of correcting the standard electrode potential (Li + + e = Li) of lithium to 0V.
The first arrow in FIG. 6 indicates a reduction current value at 2.5 V when lithium oxide (Li-TFSA) is reduced. The second arrow indicates the oxidation current value of the reductant at 3.0 V, that is, the current value when the reductant is broken and returns to lithium oxide (Li-TFSA). Furthermore, the No. 4 region, that is, the region surrounded by the CV curve from 1.5 V to 2.5 V is the amount of reduction electricity, and the No. 3 region, that is, the region sandwiched by the CV curve from 3 V to 4 V is oxidized. The amount of electricity is shown respectively.
Based on these experimental values, a graph summarizing the reduction current value at 2.5 V as the discharge reaction rate (ie, discharge rate) and the oxidation current value at 3.0 V as the charge reaction rate (ie, charge rate) FIG. Further, FIG. 8 is a graph in which CV reversibility rate = [{oxidized electricity amount (3rd region) / reduced electricity amount (4th region)} × 100] and the CV reversible rate is summarized as charging efficiency. is there.

図7は、測定温度25℃、40℃又は60℃における放電反応速度及び充電反応速度の値をまとめたグラフである。
放電反応速度を示す白四角のプロットから分かるように、測定温度が25℃、すなわち室温近傍の温度の時は0.2Aであった還元電流値が、測定温度が60℃の時は0.9Aとなった。一方、充電反応速度を示す黒三角のプロットから分かるように、測定温度が25℃、すなわち室温近傍の温度の時は0.1Aであった酸化電流値が、測定温度が60℃の時は2.5Aとなった。すなわち、温度が上昇するに従って、放電レート及び充電レートはいずれも向上することが分かる。
FIG. 7 is a graph summarizing the values of the discharge reaction rate and the charge reaction rate at a measurement temperature of 25 ° C., 40 ° C. or 60 ° C.
As can be seen from the white square plot showing the discharge reaction rate, the reduction current value was 0.2 A when the measurement temperature was 25 ° C., that is, the temperature near room temperature, and 0.9 A when the measurement temperature was 60 ° C. It became. On the other hand, as can be seen from the black triangle plot showing the charge reaction rate, the oxidation current value that was 0.1 A when the measurement temperature was 25 ° C., that is, the temperature near room temperature, was 2 when the measurement temperature was 60 ° C. 5A. That is, it can be seen that both the discharge rate and the charge rate improve as the temperature rises.

図8は、測定温度25℃、40℃又は60℃における充電効率の値をまとめたグラフである。グラフから分かるように、測定温度が25℃、すなわち室温近傍の温度の時は50%以上であった充電効率が、測定温度が60℃の時は40%を下回っている。このことは、放電の際に高温の場合は、放電後の充電効率は悪くなることを示している。   FIG. 8 is a graph summarizing charging efficiency values at a measurement temperature of 25 ° C., 40 ° C., or 60 ° C. As can be seen from the graph, the charging efficiency, which was 50% or more when the measurement temperature was 25 ° C., that is, the temperature near room temperature, was less than 40% when the measurement temperature was 60 ° C. This indicates that the charging efficiency after discharging deteriorates when the temperature is high during discharging.

以上の結果から、作動温度の上昇に伴って放電反応速度及び充電反応速度は向上するが、充電効率は低下してしまい、ただ単に作動温度を上げたとしても電池が高性能化するとは限らないことが分かる。したがって、放電の際の温度、すなわち放電時作動温度を、少なくとも充電時作動温度未満の温度とすることによって、放電反応速度、充電反応速度及び充電効率の観点から金属空気電池が高性能化できることが分かった。   From the above results, the discharge reaction rate and the charge reaction rate are improved as the operating temperature is increased, but the charging efficiency is lowered, and even if the operating temperature is simply increased, the performance of the battery is not necessarily improved. I understand that. Therefore, by setting the temperature at the time of discharging, that is, the operating temperature at the time of discharging to a temperature that is at least lower than the operating temperature at the time of charging, the metal-air battery can be improved in terms of discharge reaction speed, charge reaction speed, and charging efficiency. I understood.

11 電解質層
12 空気極層
13 負極活物質層
14 空気極集電体
15 負極集電体
16 空気極
17 負極
20 CVセル
21 試料極
22 対極
23 参照極
24 電解液
25 酸素導入管
26 酸素の気泡
100 金属空気電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Electrolyte layer 12 Air electrode layer 13 Negative electrode active material layer 14 Air electrode current collector 15 Negative electrode current collector 16 Air electrode 17 Negative electrode 20 CV cell 21 Sample electrode 22 Counter electrode 23 Reference electrode 24 Electrolytic solution 25 Oxygen introduction tube 26 Oxygen bubble 100 metal-air battery

Claims (4)

少なくとも空気極と、負極と、当該空気極及び当該負極との間に介在する電解質とを有する金属空気電池を有する金属空気電池システムであって、
(1)前記金属空気電池の充電時作動目標温度、及び、当該充電時作動目標温度とは異なる温度である前記金属空気電池の放電時作動目標温度を設定する温度設定手段、
(2)前記金属空気電池を、充電時においては、前記充電時作動目標温度となるように温度制限し、且つ、放電時においては、前記放電時作動目標温度となるように温度制限する温度制御手段、
(3)前記金属空気電池について、充電時及び/又は放電時の温度制御の必要性を監視する温度制御監視手段、
(4)充電時及び/又は放電時において、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が必要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を開始する温度制御運転モードを選択し、前記温度制御監視手段により前記金属空気電池の温度制御が不要と判断された場合に、当該金属空気電池の温度制御を停止する温度制御停止モードを選択し、選択した温度制御モードを実行する温度制御モード切替手段、を備えることを特徴とする、金属空気電池システム。
A metal-air battery system having a metal-air battery having at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode,
(1) A temperature setting means for setting a target operating temperature during charging of the metal-air battery and a target operating temperature during discharging of the metal-air battery that is different from the target operating temperature during charging.
(2) Temperature control for limiting the temperature of the metal-air battery so as to be the target operating temperature at the time of charging and limiting the temperature so as to be the target operating temperature at the time of discharging. means,
(3) Temperature control monitoring means for monitoring the necessity of temperature control during charging and / or discharging for the metal-air battery,
(4) When charging and / or discharging, when the temperature control monitoring means determines that the temperature control of the metal-air battery is necessary, the temperature control operation mode for starting the temperature control of the metal-air battery is selected. When the temperature control monitoring unit determines that the temperature control of the metal-air battery is unnecessary, the temperature control stop mode for stopping the temperature control of the metal-air battery is selected, and the selected temperature control mode is executed. A metal-air battery system comprising temperature control mode switching means.
前記温度設定手段において、前記放電時作動目標温度を前記充電時作動目標温度未満の温度に設定する、請求項1に記載の金属空気電池システム。   2. The metal-air battery system according to claim 1, wherein the temperature setting unit sets the discharge operation target temperature to a temperature lower than the charge operation target temperature. 3. 前記温度制御手段が、充電時及び放電時のいずれか一方の時において、前記金属空気電池から発生する余剰熱を蓄積し、且つ、充電時及び放電時のいずれかもう一方の時において、前記余剰熱を用いて前記金属空気電池を暖機する蓄熱部を備える、請求項1又は2に記載の金属空気電池システム。   The temperature control means accumulates surplus heat generated from the metal-air battery at one of charging and discharging, and the surplus at one of charging and discharging. The metal air battery system of Claim 1 or 2 provided with the thermal storage part which warms up the said metal air battery using heat. 前記請求項1乃至3のいずれか一項に記載の金属空気電池システムと、当該金属空気電池システムから供給される電力により駆動するモーターとを備え、前記金属空気電池システムの前記温度制御手段が、前記金属空気電池と前記モーターの間の熱交換を行う熱交換手段であることを特徴とする、モーター駆動体。   The metal-air battery system according to any one of claims 1 to 3 and a motor driven by electric power supplied from the metal-air battery system, wherein the temperature control means of the metal-air battery system includes: A motor driving body, wherein the motor driving body is a heat exchanging means for exchanging heat between the metal-air battery and the motor.
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