JP2012015025A - アルミニウム空気電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】電解液としてアルカリ性水溶液を用いた場合でも、アルミニウム負極の自己腐食の抑制することが可能なアルミニウム空気電池を提供する。
【解決手段】アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなるアルミニウム空気電池であって、前記電解質が、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含むアルミニウム空気電池。
【選択図】なし
【解決手段】アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなるアルミニウム空気電池であって、前記電解質が、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含むアルミニウム空気電池。
【選択図】なし
Description
本発明は、アルミニウム空気電池に関する。
空気中の酸素を活物質として使用する空気電池は高エネルギー密度化が可能であることから、電気自動車用等の種々の用途への応用が期待されている。そして、新しい用途への応用を実現するために、容量がより大きいアルミニウム空気電池の開発が盛んに行われている。
従来、アルミニウム空気電池の電解液としては、電解質として、NaCl、AlCl3、MnCl2などを水に溶解させた中性水溶液、電解質として、NaOH、KOHなどを水に溶解させたアルカリ性水溶液が用いられている。
しかしながら、中性水溶液を電解液として用いた場合、アルミニウム電極上の酸化被膜が中性水溶液に不溶であるため、負荷がかかった状態では動作電圧が低く、電流効率が悪いという欠点がある。
一方、アルカリ性水溶液を電解液として用いた場合、動作電圧及び電流効率が高いものの、電池が無負荷な状態では、アルミニウムの自己腐食、すなわち自己放電が大きいという課題があった。
これら課題を解決するために、例えば、アルカリ性水溶液を電解液に用いたアルミニウム空気電池において、電解質に第4級アンモニウム基を有する高分子化合物を含有させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、中性水溶液を電解液として用いた場合、アルミニウム電極上の酸化被膜が中性水溶液に不溶であるため、負荷がかかった状態では動作電圧が低く、電流効率が悪いという欠点がある。
一方、アルカリ性水溶液を電解液として用いた場合、動作電圧及び電流効率が高いものの、電池が無負荷な状態では、アルミニウムの自己腐食、すなわち自己放電が大きいという課題があった。
これら課題を解決するために、例えば、アルカリ性水溶液を電解液に用いたアルミニウム空気電池において、電解質に第4級アンモニウム基を有する高分子化合物を含有させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記第4級アンモニウム基を有する高分子化合物を含有させた電解質を有するアルミニウム空気電池は、アルミニウムの自己腐食の抑制が十分でなく、自己放電が大きいという課題がある。
かかる状況下、本発明の目的は、電解液としてアルカリ性水溶液を用いた場合でも、アルミニウム負極の自己腐食を抑制することが可能なアルミニウム空気電池を提供することにある。
かかる状況下、本発明の目的は、電解液としてアルカリ性水溶液を用いた場合でも、アルミニウム負極の自己腐食を抑制することが可能なアルミニウム空気電池を提供することにある。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
<1> アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなるアルミニウム空気電池であって、
前記電解質が、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含むアルミニウム空気電池。
<2> オキソ酸塩が、ホウ酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、スルホン酸塩からなる群から選ばれる1種以上を含む前記<1>に記載のアルミニウム空気電池。
<3> オキソ酸塩が、ケイ酸塩である前記<1>に記載のアルミニウム空気電池。
<4> ケイ酸塩が、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムからなる群から選ばれる1種以上である前記<3>に記載のアルミニウム空気電池。
<5> 金属水酸化物が、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群から選ばれる1種以上である前記<1>から<4>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
<6> 正極が、二酸化マンガンを含む正極触媒層又は白金を含む正極触媒層を有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
<7> 正極が、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含む正極触媒層を有し、AサイトにLa、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも2種の原子を含有し、BサイトにMn、Fe、Cr及びCoからなる群から選ばれる少なくとも1種の原子を含有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
<1> アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなるアルミニウム空気電池であって、
前記電解質が、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含むアルミニウム空気電池。
<2> オキソ酸塩が、ホウ酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、スルホン酸塩からなる群から選ばれる1種以上を含む前記<1>に記載のアルミニウム空気電池。
<3> オキソ酸塩が、ケイ酸塩である前記<1>に記載のアルミニウム空気電池。
<4> ケイ酸塩が、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムからなる群から選ばれる1種以上である前記<3>に記載のアルミニウム空気電池。
<5> 金属水酸化物が、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群から選ばれる1種以上である前記<1>から<4>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
<6> 正極が、二酸化マンガンを含む正極触媒層又は白金を含む正極触媒層を有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
<7> 正極が、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含む正極触媒層を有し、AサイトにLa、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも2種の原子を含有し、BサイトにMn、Fe、Cr及びCoからなる群から選ばれる少なくとも1種の原子を含有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のアルミニウム空気電池。
本発明によれば、アルカリ性水溶液を電解液として用いた場合でも、アルミニウムの自己腐食、すなわち自己放電を抑制することが可能なアルミニウム空気電池が提供される。
本発明のアルミニウム空気電池は、アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなる。
また、本発明のアルミニウム空気電池の好適な一態様は、前記アルミニウム負極と、セパレータと、正極触媒層及び正極集電体を有する正極と、酸素拡散膜とをこの順に積層した積層体および電解質を含んでなり、容器中に前記積層体及び電解質を含むものである。
以下、本発明のアルミニウム空気電池の構成要素を詳細に説明する。
また、本発明のアルミニウム空気電池の好適な一態様は、前記アルミニウム負極と、セパレータと、正極触媒層及び正極集電体を有する正極と、酸素拡散膜とをこの順に積層した積層体および電解質を含んでなり、容器中に前記積層体及び電解質を含むものである。
以下、本発明のアルミニウム空気電池の構成要素を詳細に説明する。
(電解質)
本発明に用いられる電解質は、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含む。
本発明に用いられる電解質は、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含む。
本発明の電解質に含まれるオキソ酸塩としては、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、過臭素酸塩、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、ヒ酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、金属のスルフィン酸塩、クロム酸塩、二クロム酸塩及び過マンガン酸塩等が挙げられ、これらは単独、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
入手の容易さの観点からは、オキソ酸塩が、ホウ酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、スルホン酸塩からなる群から選ばれる1種以上を含むことが好ましい。
入手の容易さの観点からは、オキソ酸塩が、ホウ酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、スルホン酸塩からなる群から選ばれる1種以上を含むことが好ましい。
また、アルカリによる、アルミニウムの自己腐食の抑制効果が大きいという点で、オキソ酸塩が、ケイ酸塩であることが好ましく、特にケイ酸塩が、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムからなる群から選ばれる1種以上を含むことがより好ましい。
本発明の電解質に含まれる金属水酸化物としては、溶媒に溶解させた際にアルカリ性となるものであれば特に制限はなく、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、遷移金属水酸化物のいずれも使用できるが、通常、アルカリ金属水酸化物が用いられる。
アルカリ金属水酸化物の中でも、入手の容易さと製造コストの観点からは、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)及び水酸化カリウム(KOH)からなる群から選ばれる1種以上の化合物を含むことが好ましい。
アルカリ金属水酸化物の中でも、入手の容易さと製造コストの観点からは、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)及び水酸化カリウム(KOH)からなる群から選ばれる1種以上の化合物を含むことが好ましい。
電解質には、本発明の目的を損なわない範囲で、オキソ酸塩、金属水酸化物以外の電解質(以下、「他の電解質」と称す。)を含んでいてもよい。他の電解質として、具体的には、ポリアクリル酸等が挙げられる。
電解質は、通常、溶媒に溶解された状態(液状)、すなわち、電解液として使用され、負極、セパレータ、及び、正極と接触している。溶媒としては、水、有機溶媒のいずれも使用できるが、通常、水が使用される。
電解液中のオキソ酸塩の濃度は、電解液全体に対し、0.1〜30重量(wt)%であることが好ましく、0.1〜10wt%であることがより好ましく、0.1〜5wt%であることがさらに好ましい。オキソ酸塩の濃度が、0.1wt%未満であると、アルミニウムの自己腐食の抑制効果が不十分になるおそれがあり、30wt%を超えると電解質の伝導性が不十分になる場合がある。
また、電解液中の金属水酸化物の濃度は、電解液全体に対し、1〜99重量(wt)%であることが好ましく、5〜60wt%であることがより好ましく、5〜40wt%であることがさらに好ましい。
なお、他の電解質を含む場合には、電解液全体に対し、0.1〜10重量(wt)%であることが好ましい。
なお、他の電解質を含む場合には、電解液全体に対し、0.1〜10重量(wt)%であることが好ましい。
なお、本発明において、電解質は、高分子化合物である電解質に他の電解質と溶媒とを含む電解液を保持させた状態、すなわち、ゲル状電解質として用いることもできる。また、電解質を溶媒に溶解させず、固体状、すなわち、固体電解質として用いることもできる。
(アルミニウム負極)
アルミニウム負極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。該電極におけるアルミニウムの純度は、99.8重量%以上であることが好ましい。アルミニウムの純度が99.8重量%未満になると、アルミニウムの耐食性が不十分になるおそれがある。
負極の形状としては、板、メッシュ、多孔板、金属スポンジ等が挙げられる。
アルミニウム負極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。該電極におけるアルミニウムの純度は、99.8重量%以上であることが好ましい。アルミニウムの純度が99.8重量%未満になると、アルミニウムの耐食性が不十分になるおそれがある。
負極の形状としては、板、メッシュ、多孔板、金属スポンジ等が挙げられる。
アルミニウム負極は、リード線が接続されていることが望ましい。リード線が接続されていることで、負極から放電電流を効率よく取り出すことができる。
負極に接続されるリード線の材料としては、導電材料であればよく、例えば、アルミニウム、ニッケル、クロム、鉄、チタンからなる群から選ばれる一種以上の金属又は該金属を含む合金が挙げられる。中でも、リード線の電極電位がアルミニウム負極よりも貴であることが望ましい。リード線の電極電位がアルミニウム負極よりも貴であれば、リード線がアルミニウム負極の放電終了まで残存し、アルミニウム負極から放電電流を効率よく取り出すことができる。
上記リード線がアルミニウムの場合には、アルミニウム含有量が99.8%未満であることが望ましい。アルミニウム含有量が99.8重量%未満であれば、発電中にリード線が空気電池の電解液に接触した場合であっても、アルミニウム負極とリード線の接続部で起こる電位差による腐食を抑制することができる。その結果、アルミニウム負極から放電電流を効率よく取り出すことができる。
図1に負極の模式図を示す。なお、局部電池の発生を抑制する観点から、図1に示すようにアルミニウム電極における電解液と接しない一面及びリード線の一部をイミドテープなどの電池反応に関与するイオンが透過できない材料で被覆することが望ましい。
(セパレータ)
セパレータとしては、電解質の移動が可能な絶縁材料であれば特に限定されず、例えば、ポリオレフィンやフッ素樹脂等の樹脂からなる不織布や多孔質膜を用いることができる。具体的には、樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。また電解質が水溶液である場合は、樹脂として、親水性化処理されたポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。
セパレータとしては、電解質の移動が可能な絶縁材料であれば特に限定されず、例えば、ポリオレフィンやフッ素樹脂等の樹脂からなる不織布や多孔質膜を用いることができる。具体的には、樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。また電解質が水溶液である場合は、樹脂として、親水性化処理されたポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。
(正極)
正極は、正極集電体、及び、正極集電体上に形成された正極触媒層を有し、正極集電体の端部にはリード線が接続されている。また、正極と積層するように酸素拡散膜が設けられていることが好ましい。図2に正極および酸素拡散膜の構成を示す模式図を示す。
正極は、正極集電体、及び、正極集電体上に形成された正極触媒層を有し、正極集電体の端部にはリード線が接続されている。また、正極と積層するように酸素拡散膜が設けられていることが好ましい。図2に正極および酸素拡散膜の構成を示す模式図を示す。
正極集電体は導電材料であればよく、例えば、ニッケル、クロム、鉄、チタンからなる金属又は合金製が挙げられ、好ましくは、ニッケル、ステンレスである。形状としては、メッシュ、多孔板等である。
正極リード線としては導電材料であればよく、例えば、ニッケル、クロム、鉄、チタンからなる群から選ばれる一種以上の金属又は該金属を含む合金が挙げられ、好ましくは、ニッケル、ステンレスが挙げられる。形状としては、板、メッシュ、多孔板、金属スポンジ等が挙げられる。
正極触媒層は、正極触媒を有するが、通常、正極触媒に加え、導電剤及びこれらを正極集電体に接着する結着剤を含むことが好ましい。
正極触媒としては、酸素を還元可能な材料であればよく例えば、活性炭等の炭素材料、白金、イリジウム等の非酸化物材料;二酸化マンガンなどのマンガン酸化物、イリジウム酸化物あるいはチタン、タンタル、ニオブ、タングステン及びジルコニウムからなる群から選ばれた1種以上の金属を含むイリジウム酸化物、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物等の酸化物材料が挙げられる。
この中でも正極触媒層の好ましい一態様としては、二酸化マンガン又は白金を含む正極触媒層である。
また、他の好ましい一態様は、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含み、AサイトにLa、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも2種の原子を含有し、BサイトにMn、Fe、Cr及びCoからなる群から選ばれる少なくとも1種の原子を含有する正極触媒層である。
また、他の好ましい一態様は、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含み、AサイトにLa、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも2種の原子を含有し、BサイトにMn、Fe、Cr及びCoからなる群から選ばれる少なくとも1種の原子を含有する正極触媒層である。
特に、白金は、酸素の還元に対する触媒活性が高いため好ましい。また、上記ペロブスカイト型複合酸化物は、酸素の吸蔵放出能を有するため、二次電池用正極触媒層として用いることもできるため好ましい。
導電剤としては正極触媒層の導線性を向上させることができる材料であれば特に限定されない。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素材料が挙げられる。
結着剤としては、使用する電解液に溶解しないものであればよく、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素樹脂が好ましい。
(酸素拡散膜)
酸素拡散膜は、酸素(空気)を好適に透過できる膜であればよく、ポリオレフィンやフッ素樹脂等の樹脂からなる不織布や多孔質膜を用いることができる。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の樹脂が挙げられる。酸素拡散膜は、図2に示すように正極に積層するように設けられ、この酸素拡散膜を介して正極に酸素(空気)が供給される。
酸素拡散膜は、酸素(空気)を好適に透過できる膜であればよく、ポリオレフィンやフッ素樹脂等の樹脂からなる不織布や多孔質膜を用いることができる。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の樹脂が挙げられる。酸素拡散膜は、図2に示すように正極に積層するように設けられ、この酸素拡散膜を介して正極に酸素(空気)が供給される。
(積層体)
積層体は、上述の負極、セパレータ、正極及び酸素拡散膜をこの順に積層することにより形成される。図3にその模式図を示す。
積層体は、上述の負極、セパレータ、正極及び酸素拡散膜をこの順に積層することにより形成される。図3にその模式図を示す。
(容器)
容器は、上記負極と、セパレータと、正極と酸素拡散膜とを積層した積層体及び電解質(電解液)を収容するものである。容器の材質としては、例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルやABS等の樹脂、更には、負極、正極、電解質と反応しない金属などが挙げられる。
容器の形状として具体的には、図4の示すように、開口部aが形成された容器本体及び蓋部材の2つから構成されるものが挙げられる。
容器は、上記負極と、セパレータと、正極と酸素拡散膜とを積層した積層体及び電解質(電解液)を収容するものである。容器の材質としては、例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルやABS等の樹脂、更には、負極、正極、電解質と反応しない金属などが挙げられる。
容器の形状として具体的には、図4の示すように、開口部aが形成された容器本体及び蓋部材の2つから構成されるものが挙げられる。
本発明のアルミニウム空気電池は、アルミニウム負極、正極、電解質及びセパレータを有することが好ましい。
図5に本発明の一態様であるアルミニウム空気電池を示す。
本実施形態のアルミニウム空気電池は、容器本体に上記積層体を、酸素透過膜が開口部aに密接するように配置した後、蓋部材を接着剤等で接着し、開口部bから電解質(電解液)を注液することにより製造することができる。なお、電解液洩れを防ぐために、開口部aの縁と酸素透過膜との周辺部をエポキシ樹脂系接着剤でシールすることが望ましい。
上記のような構成の本実施形態のアルミニウム空気電池においては、容器に形成された開口部aから酸素透過膜を介して酸素(空気)を正極に供給することができる。
本実施形態のアルミニウム空気電池は、容器本体に上記積層体を、酸素透過膜が開口部aに密接するように配置した後、蓋部材を接着剤等で接着し、開口部bから電解質(電解液)を注液することにより製造することができる。なお、電解液洩れを防ぐために、開口部aの縁と酸素透過膜との周辺部をエポキシ樹脂系接着剤でシールすることが望ましい。
上記のような構成の本実施形態のアルミニウム空気電池においては、容器に形成された開口部aから酸素透過膜を介して酸素(空気)を正極に供給することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
1.電解液の製造
以下の手順にて、評価用の電解液を製造した。電解液の組成を表1に示す。
以下の手順にて、評価用の電解液を製造した。電解液の組成を表1に示す。
(電解液1)
電解質として、所定量の水酸化カリウム(KOH、純度85%)66gと純水1000gとを混合し、6.2重量%KOH水溶液である電解液1を製造した。
電解質として、所定量の水酸化カリウム(KOH、純度85%)66gと純水1000gとを混合し、6.2重量%KOH水溶液である電解液1を製造した。
(電解液2)
電解液1とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製、27〜29重量%)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液1の重量比が97/3となるよう混合し、電解液2を製造した。
電解液1とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製、27〜29重量%)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液1の重量比が97/3となるよう混合し、電解液2を製造した。
(電解液3)
電解液1とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液1の重量比が90/10になるように混合し、電解液3を製造した。
電解液1とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液1の重量比が90/10になるように混合し、電解液3を製造した。
(電解液4)
第4級アンモニウム基を有する高分子化合物であるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA、アルドリッチ製)、KOH及び純水を混合し、PDDAを10重量%含む6.2重量%KOH水溶液である電解液4を製造した。
第4級アンモニウム基を有する高分子化合物であるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA、アルドリッチ製)、KOH及び純水を混合し、PDDAを10重量%含む6.2重量%KOH水溶液である電解液4を製造した。
(電解液5)
金属水酸化物である水酸化ナトリウム(NaOH、純度97%)41.2gと純水1000gとを混合し、4.0重量%のNaOH水溶液である電解液5を製造した。
金属水酸化物である水酸化ナトリウム(NaOH、純度97%)41.2gと純水1000gとを混合し、4.0重量%のNaOH水溶液である電解液5を製造した。
(電解液6)
電解液5とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液5の重量比が97/3となるよう混合し、電解液6を製造した。
電解液5とケイ酸カリウム水溶液(和光純薬社製)とを、ケイ酸カリウム水溶液に対する電解液5の重量比が97/3となるよう混合し、電解液6を製造した。
2.アルミニウム箔の自己腐食量の測定
(測定例1)
厚さ0.1mmのアルミニウム箔(日本製箔社製A1085、Al純度99.85%)を直径13mmの円板状に切断した。
(測定例1)
厚さ0.1mmのアルミニウム箔(日本製箔社製A1085、Al純度99.85%)を直径13mmの円板状に切断した。
直径13mmのアルミニウム箔を、23℃において、電解液1に20分間含浸し、その後、アルミニウム箔の自己腐食量を測定した。アルミニウム箔の自己腐食量は、含浸前のアルミニウムの乾燥重量と含浸後のアルミニウムの乾燥重量との差を、アルミニウム箔の上面の表面積と下面の表面積との和で割ることで求めた。結果を表2に示す。
(測定例2)
電解質1に代えて電解質3を用いた以外は、測定例1と同様にアルミニウム箔の自己腐食量を測定した。結果を表2に示す。
電解質1に代えて電解質3を用いた以外は、測定例1と同様にアルミニウム箔の自己腐食量を測定した。結果を表2に示す。
(測定例3)
電解液1に代えて電解液4を用いた以外は、測定例1と同様にアルミニウム箔の自己腐食量を測定した。結果を表2に示す。
電解液1に代えて電解液4を用いた以外は、測定例1と同様にアルミニウム箔の自己腐食量を測定した。結果を表2に示す。
3.アルミニウム空気電池性能評価
以下の手順で上述の図5と同様の形状のアルミニウム空気電池を製造し、その電池性能評価の評価を行った。
以下の手順で上述の図5と同様の形状のアルミニウム空気電池を製造し、その電池性能評価の評価を行った。
(アルミニウム空気電池R1の製造)
(アルミニウム負極の作製)
厚さ0.1mmのアルミニウム箔(日本製箔社製A1085、Al純度99.85%)を縦40mm×横30mmに切断し、その後、アルミニウムリード線(純度99.5%、縦50mm×横3mm、厚み0.20mm)を抵抗溶接機で取り付けることでアルミニウム負極を作製した。抵抗溶接部から伸びたアルミリード線10mmとアルミニウム(縦40mm×横30mm)の片面をイミドテープでマスキングした。
(アルミニウム負極の作製)
厚さ0.1mmのアルミニウム箔(日本製箔社製A1085、Al純度99.85%)を縦40mm×横30mmに切断し、その後、アルミニウムリード線(純度99.5%、縦50mm×横3mm、厚み0.20mm)を抵抗溶接機で取り付けることでアルミニウム負極を作製した。抵抗溶接部から伸びたアルミリード線10mmとアルミニウム(縦40mm×横30mm)の片面をイミドテープでマスキングした。
(セパレータの作製)
セパレータとしては親水化処理されたポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質膜(縦43mm×横33mm、厚み0.1mm)を用いた。
セパレータとしては親水化処理されたポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質膜(縦43mm×横33mm、厚み0.1mm)を用いた。
(正極の作製)
正極触媒層は、導電材としてアセチレンブラックと、酸素の還元を促進する触媒としてMnO2と、結着剤としてのPTFEとにより構成した。重量比が、アセチレンブラック:電解MnO2:PTFE=10:10:1である縦40mm×横30mm、厚み0.3mmの正極触媒層を成形した。また、ステンレスメッシュ製の放電用正極集電体(縦40mm×横30mm、厚み0.1mm)の端部に外部接続用のニッケルリボン端子(縦50mm×横3mm、厚み0.2mm)を接続した。そして、正極集電体に正極触媒層を当接し、正極触媒を得た。
正極触媒層は、導電材としてアセチレンブラックと、酸素の還元を促進する触媒としてMnO2と、結着剤としてのPTFEとにより構成した。重量比が、アセチレンブラック:電解MnO2:PTFE=10:10:1である縦40mm×横30mm、厚み0.3mmの正極触媒層を成形した。また、ステンレスメッシュ製の放電用正極集電体(縦40mm×横30mm、厚み0.1mm)の端部に外部接続用のニッケルリボン端子(縦50mm×横3mm、厚み0.2mm)を接続した。そして、正極集電体に正極触媒層を当接し、正極触媒を得た。
(正極へ酸素拡散膜の取り付け)
上記の正極に撥水性PTFEシート(縦40mm×横30mm、厚み0.1mm)を載置し圧着することで正極へ酸素拡散膜を取り付けた。
上記の正極に撥水性PTFEシート(縦40mm×横30mm、厚み0.1mm)を載置し圧着することで正極へ酸素拡散膜を取り付けた。
(アルミニウム空気電池R1の組み立て)
上記のように作製した酸素拡散膜を取り付けた正極を容器に載置し、セパレータ、負極をこの順に積層し、蓋部材で蓋をした。その後、容器開口部a/酸素拡散膜の周辺部をエポキシ系接着剤でシールした。
開口部bより、電解液1を注液することでアルミニウム空気電池R1を作製した。
上記のように作製した酸素拡散膜を取り付けた正極を容器に載置し、セパレータ、負極をこの順に積層し、蓋部材で蓋をした。その後、容器開口部a/酸素拡散膜の周辺部をエポキシ系接着剤でシールした。
開口部bより、電解液1を注液することでアルミニウム空気電池R1を作製した。
評価例1
アルミニウム空気電池R1を、電解液1を注液してから10分後、充放電試験機(東洋システム社製、製品名TOSCAT−3000U)に接続し、負極のアルミニウムに対して、10mA/cm2で定電流放電(CC放電)を行い、終止電圧0.5Vでカットオフした。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
アルミニウム空気電池R1を、電解液1を注液してから10分後、充放電試験機(東洋システム社製、製品名TOSCAT−3000U)に接続し、負極のアルミニウムに対して、10mA/cm2で定電流放電(CC放電)を行い、終止電圧0.5Vでカットオフした。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例2
電解液1を注液してから30分後に放電試験を行った以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1000mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液1を注液してから30分後に放電試験を行った以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1000mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例3
電解液1を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液1を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
(アルミニウム空気電池P1の製造)
電解液1を電解液2に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池P1を作製した。
電解液1を電解液2に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池P1を作製した。
評価例4
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池P1を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1600mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池P1を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1600mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例5
電解液2を注液してから30分後に放電試験を行った以外は、評価例4と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1300mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液2を注液してから30分後に放電試験を行った以外は、評価例4と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1300mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例6
電解液2を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例4と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1000mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液2を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例4と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1000mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
(アルミニウム空気電池R2の製造)
電解液1を電解液5に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池R2を作製した。
電解液1を電解液5に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池R2を作製した。
評価例7
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池R2を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1050mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池R2を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1050mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例8
電解液5を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例7と同様にして放電試験した。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は350mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液5を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例7と同様にして放電試験した。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は350mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
(アルミニウム空気電池P2の製造)
電解液1を電解液6に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池P2を作製した。
電解液1を電解液6に変更した以外は、アルミニウム空気電池R1と同様にしてアルミニウム空気電池P2を作製した。
評価例9
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池P2を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
アルミニウム空気電池R1にかえてアルミニウム空気電池P2を用いた以外は、評価例1と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は1500mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
評価例10
電解液6を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例9と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は800mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
電解液6を注液してから60分後に放電試験を行った以外は、評価例9と同様にして放電試験を行った。その結果、負極のアルミニウムの重量あたりの放電容量は800mAh/gであった。結果を表3にまとめて示す。
本発明によれば、アルカリ性水溶液を電解液として用いた場合でも、アルミニウムの自己腐食、すなわち自己放電を抑制することできるアルミニウム空気電池が提供される。該空気電池は、特に高電圧系が要求される用途、すなわち自動車や電動工具のモーターの駆動用などに好適に使用することができ、本発明は工業的に極めて有用である。
Claims (7)
- アルミニウム負極、正極及び電解質を有してなるアルミニウム空気電池であって、
前記電解質が、オキソ酸塩と金属水酸化物とを含むことを特徴とするアルミニウム空気電池。 - オキソ酸塩が、ホウ酸塩、カルボン酸塩、ケイ酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、スルホン酸塩からなる群から選ばれる1種以上を含む請求項1に記載のアルミニウム空気電池。
- オキソ酸塩が、ケイ酸塩である請求項1に記載のアルミニウム空気電池。
- ケイ酸塩が、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムからなる群から選ばれる1種以上である請求項3に記載のアルミニウム空気電池。
- 金属水酸化物が、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群から選ばれる1種以上である請求項1から4のいずれか一項に記載のアルミニウム空気電池。
- 正極が、二酸化マンガンを含む正極触媒層又は白金を含む正極触媒層を有する請求項1から5のいずれか一項に記載のアルミニウム空気電池。
- 正極が、組成式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を含む正極触媒層を有し、AサイトにLa、Sr及びCaからなる群から選ばれる少なくとも2種の原子を含有し、BサイトにMn、Fe、Cr及びCoからなる群から選ばれる少なくとも1種の原子を含有する請求項1から5のいずれか一項に記載のアルミニウム空気電池。
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-
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- 2010-07-02 JP JP2010152407A patent/JP2012015025A/ja active Pending
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