JP2012033490A - Lithium air battery - Google Patents

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東▲ジュン▼ 李
Osamu Yamamoto
治 山本
Dong-Min Im
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Yasuo Takeda
保雄 武田
Masayuki Imanishi
誠之 今西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium air battery.SOLUTION: A lithium air battery containing an aqueous electrolyte includes lithium halide in the aqueous electrolyte, and thus a reaction between a lithium hydroxide and a solid electrolyte membrane is suppressed to enable protection of an anode. Accordingly, an electrical characteristic of the battery can be improved.

Description

本発明は、リチウム空気電池に係り、特に、エネルギー密度が高く、長時間の使用にも電気的特性が維持されるリチウム空気電池に関する。   The present invention relates to a lithium-air battery, and more particularly to a lithium-air battery that has a high energy density and maintains electrical characteristics even when used for a long time.

リチウム空気電池は、リチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極、空気中の酸素を正極活物質として、酸素の酸化還元触媒を含む正極を具備し、前記正極と負極との間に、リチウムイオン伝導性媒体を具備したものが知られている。   The lithium-air battery includes a negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, a positive electrode including oxygen redox catalyst using oxygen in the air as a positive electrode active material, and lithium ion conduction between the positive electrode and the negative electrode. Those having a conductive medium are known.

前記リチウム空気電池の理論エネルギー密度は、3,000Wh/kg以上であり、これは、リチウムイオン電池のほぼ10倍のエネルギー密度に該当する。併せて、リチウム空気電池は、環境に安全であり、リチウムイオン電池より改善された安定性を提供でき、多くの開発がなされている。   The theoretical energy density of the lithium-air battery is 3,000 Wh / kg or more, which corresponds to an energy density almost 10 times that of the lithium ion battery. In addition, lithium-air batteries are environmentally safe, can provide improved stability over lithium ion batteries, and have been extensively developed.

かようなリチウム空気電池は、前記リチウムイオン伝導性媒体として、水系電解質及び非水系電解質を使用することができる。前記非水系電解質は、リチウム塩を含む有機溶媒を例に挙げることができ、前記水系電解質は、塩を含む水を例に挙げることができる。   In such a lithium-air battery, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte can be used as the lithium ion conductive medium. The non-aqueous electrolyte can be exemplified by an organic solvent containing a lithium salt, and the aqueous electrolyte can be exemplified by water containing a salt.

本発明が解決しようという課題は、電解質から発生する副産物による電極の損傷を防止し、電気的特性が改善されたリチウム空気電池を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a lithium-air battery with improved electrical characteristics by preventing electrode damage due to by-products generated from the electrolyte.

前記課題を解決するために、本発明の一様態は、リチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、水系電解質と、酸素を正極活物質とする正極と、を具備し、前記水系電解質が、水酸化リチウムとリチウムハライドとを含むリチウム空気電池を提供する。   In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention includes a negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, a lithium ion conductive solid electrolyte membrane, an aqueous electrolyte, a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material, A lithium-air battery in which the aqueous electrolyte contains lithium hydroxide and lithium halide is provided.

一具現例によれば、前記リチウムハライドは、フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)及びヨウ化リチウム(LiI)からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。   According to one embodiment, the lithium halide includes one or more selected from the group consisting of lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI). be able to.

一具現例によれば、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、前記負極と正極との間に介在され、前記負極の一表面上に形成される。   According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is interposed between the negative electrode and the positive electrode and is formed on one surface of the negative electrode.

一具現例によれば、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、金属イオンを含有するガラス−セラミック固体電解質を含む。   According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane includes a glass-ceramic solid electrolyte containing metal ions.

一具現例によれば、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、高分子固体電解質をさらに含むことができる。   According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may further include a polymer solid electrolyte.

一具現例によれば、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、ガラス−セラミック固体電解質と高分子固体電解質との積層物を含むことができる。   According to one embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may include a laminate of a glass-ceramic solid electrolyte and a polymer solid electrolyte.

一具現例によれば、前記リチウムハライドは、前記水系電解質に対して、飽和濃度の約0.1%ないし約100%の範囲で含まれうる。   According to an embodiment, the lithium halide may be included in a range of about 0.1% to about 100% of a saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte.

一具現例によれば、前記リチウムハライドは、前記水系電解質に対して、飽和濃度の約10%ないし100%の範囲で含まれうる。   According to an embodiment, the lithium halide may be included in a range of about 10% to 100% of a saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte.

一具現例によれば、前記水系電解質は、水100重量部に対して、塩化リチウムを約1重量部ないし約83重量部の含有量で含むことができる。   According to an embodiment, the aqueous electrolyte may include lithium chloride in a content of about 1 to about 83 parts by weight with respect to 100 parts by weight of water.

一具現例によれば、前記負極は、リチウム金属、リチウム金属に基づく合金、またはリチウム挿入化合物(lithium intercalating compound)などを含むことができる。   The negative electrode may include lithium metal, an alloy based on lithium metal, a lithium intercalating compound, or the like.

一具現例によれば、前記正極は、多孔性炭素系物質を含むことができる。   According to an embodiment, the positive electrode may include a porous carbon-based material.

一具現例によれば、前記固体電解質膜と正極との間に、セパレータをさらに具備することができる。   According to an embodiment, a separator may be further provided between the solid electrolyte membrane and the positive electrode.

一具現例によれば、前記正極は、酸素還元のための触媒をさらに具備することができる。   According to an embodiment, the positive electrode may further include a catalyst for oxygen reduction.

一具現例によれば、前記水系電解質は、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、前記酸素を正極活物質とする正極との間に介在されうる。   According to an embodiment, the aqueous electrolyte may be interposed between the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material.

一具現例によれば、前記水系電解質の一部または全部は、前記正極に含浸された形態で存在しうる。   According to an embodiment, a part or all of the aqueous electrolyte may be present in a form impregnated in the positive electrode.

一具現例によれば、前記リチウム空気電池は、前記リチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜との間に、非水系電解質をさらに含むことができる。   According to an embodiment, the lithium air battery may further include a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions and the lithium ion conductive solid electrolyte membrane.

本発明による水系電解質を使用するリチウム空気電池は、放電生成物による固体電解質の分解を抑制し、電極の耐久性を改善させることによって、高エネルギー密度を有するリチウム空気電池の寿命特性を改善させることができる。   The lithium-air battery using the aqueous electrolyte according to the present invention improves the life characteristics of a lithium-air battery having a high energy density by suppressing the decomposition of the solid electrolyte by discharge products and improving the durability of the electrode. Can do.

処理していない固体電解質膜の表面を示す写真である。It is a photograph which shows the surface of the solid electrolyte membrane which is not processed. 塩化リチウムで処理された固体電解質膜の表面を示す写真である。It is a photograph which shows the surface of the solid electrolyte membrane processed with lithium chloride. 水酸化リチウムで処理された固体電解質膜の表面を示す写真である。It is a photograph which shows the surface of the solid electrolyte membrane processed with lithium hydroxide. 一具現例によるリチウム空気電池の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the lithium air battery by one implementation example. 実験例2で測定したセルの電気特性結果を示したグラフである。6 is a graph showing a result of electrical characteristics of a cell measured in Experimental Example 2.

一様態によるリチウム空気電池は、リチウムイオンの吸蔵と放出が可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、水系電解質と、酸素を正極活物質とする正極と、を具備し、前記水系電解質は、水酸化リチウムとリチウムハライドとを含む。   A lithium-air battery according to one aspect includes a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a lithium ion conductive solid electrolyte membrane, a water-based electrolyte, and a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material, and the water-based electrolyte. Includes lithium hydroxide and lithium halide.

リチウム空気電池は、電解質として、水系電解質と非水系電解質とを使用することができ、水系電解質を使用する場合、下記反応式のような反応メカニズムを示している。   Lithium-air batteries can use an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte as the electrolyte. When an aqueous electrolyte is used, a reaction mechanism represented by the following reaction formula is shown.

(反応式1)
4Li+O+2HO→4LiOH E=3.45V
(Reaction Formula 1)
4Li + O 2 + 2H 2 O → 4LiOH E o = 3.45V

すなわち、負極から生成されたリチウムが、正極の酸素と出合って酸化される過程で、水系電解質から供給された水が反応に参与し、リチウム水酸化物が生成される。   That is, in the process in which lithium generated from the negative electrode encounters and oxidizes with oxygen of the positive electrode, water supplied from the aqueous electrolyte participates in the reaction to generate lithium hydroxide.

このように生成された水酸化リチウムは、水系電解質内で、溶解された状態で存在し、放電深度が増大するほど、水系電解質内で、その濃度がだんだんと上昇する。   The lithium hydroxide thus produced exists in a dissolved state in the aqueous electrolyte, and the concentration gradually increases in the aqueous electrolyte as the depth of discharge increases.

生成された水酸化リチウムで解離されたヒドロキシル基は、下記化学式1に示されているように、前記負極を保護するために使われているリチウムイオン伝導性固体電解質膜内に含まれた金属イオンと反応し、前記電解質膜の構造を損傷させる。   The hydroxyl group dissociated by the generated lithium hydroxide is a metal ion contained in the lithium ion conductive solid electrolyte membrane used to protect the negative electrode as shown in the following chemical formula 1. And the structure of the electrolyte membrane is damaged.

前記化学式で、Mは、固体電解質膜に含まれた金属イオンを示す。   In the above chemical formula, M represents a metal ion contained in the solid electrolyte membrane.

すなわち、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、水系電解質内に含まれた水が、負極に含まれたリチウムと直接に反応できないように保護する保護膜の役割を行うように、負極の表面上に形成されるが、かような保護膜が、前記電池の反応生成物である水酸化リチウムによってその界面構造が変化し、成分が変化することによって、前記固体電解質膜の抵抗が増大し、その結果、伝導度の低下を誘発して電池性能の低下をもたらす。   That is, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane serves as a protective film that protects water contained in the aqueous electrolyte so that it cannot directly react with lithium contained in the negative electrode. In such a protective film, the interface structure is changed by lithium hydroxide, which is a reaction product of the battery, and the resistance of the solid electrolyte film is increased by changing the components. As a result, a decrease in conductivity is induced, resulting in a decrease in battery performance.

しかしながら、前記水系電解質内に、リチウムハライド(lithium halide)を溶解させれば、LiOHの解離度が低下して溶液のpHが低減する。   However, if lithium halide is dissolved in the aqueous electrolyte, the degree of dissociation of LiOH decreases and the pH of the solution decreases.

図1は、リチウムイオン伝導性固体電解質膜の一種であるリチウム−アルミニウム−チタン−リン酸塩(LATP)の表面を示し、図2は、前記固体電解質を、1MのLiCl溶液中に3週間放置した後の表面状態を示し、図3は、前記固体電解質を、1MのLiOH溶液中に3週間放置した後の表面状態を示す。LiOH溶液中に放置したLATP固体電解質は、LiOHのヒドロキシル基が固体電解質の金属イオンと反応し、その表面上に多量の副産物を発生させているが、LiCl中に放置したLATP固体電解質は、かような副産物をほとんど発生させていないことが分かる。   FIG. 1 shows the surface of lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP) which is a kind of lithium ion conductive solid electrolyte membrane, and FIG. 2 shows that the solid electrolyte is left in a 1M LiCl solution for 3 weeks. FIG. 3 shows the surface state after the solid electrolyte was left in a 1M LiOH solution for 3 weeks. In the LATP solid electrolyte left in the LiOH solution, the hydroxyl group of LiOH reacts with the metal ions of the solid electrolyte to generate a large amount of by-products on the surface. However, the LATP solid electrolyte left in LiCl It can be seen that almost no by-products are generated.

従って、水系電解質内にリチウムハライドを含めることによって、リチウムイオン伝導性固体電解質膜の分解を抑制できるということが分かる。このように、前記水系電解質内に含まれるリチウムハライドとして、フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)及びヨウ化リチウム(LiI)を例示することができ、それらは、単独でまたは二種以上混合して使用することができる。   Therefore, it can be seen that the decomposition of the lithium ion conductive solid electrolyte membrane can be suppressed by including lithium halide in the aqueous electrolyte. Thus, lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI) can be exemplified as the lithium halide contained in the aqueous electrolyte. These can be used alone or in admixture of two or more.

それらリチウムハライドは、水系電解質内に溶解された状態で存在するので、高濃度、例えば、飽和濃度の含有量まで存在しうる。前記飽和濃度の例としては、フッ化リチウムの場合、18℃で、水100mlに0.27gが溶解され、塩化リチウムの場合、20℃で、水100mlに83.2gが溶解され、臭化リチウムの場合、20℃で、水100mlに166.7gが溶解され、ヨウ化リチウムの場合、20℃で、水100mlに433gが溶解されうる。   Since these lithium halides are present in a dissolved state in the aqueous electrolyte, they can be present in a high concentration, for example, a saturated concentration. As an example of the saturated concentration, 0.27 g is dissolved in 100 ml of water at 18 ° C. in the case of lithium fluoride, and 83.2 g is dissolved in 100 ml of water at 20 ° C. in the case of lithium chloride. In this case, 166.7 g can be dissolved in 100 ml of water at 20 ° C., and 433 g can be dissolved in 100 ml of water at 20 ° C. in the case of lithium iodide.

前記リチウムハライドは、例えば、前記飽和濃度の約0.1%ないし約100%、または約10%ないし約100%の含有量で存在しうる。例えば、塩化リチウムが、飽和濃度の50%の含有量で存在する場合は、20℃で、水100mlに41.6gが溶解された状態を意味し、飽和濃度の100%の含有量で存在する場合、20℃で、水100mlに83.2gが溶解された状態を意味する。   The lithium halide may be present, for example, at a content of about 0.1% to about 100%, or about 10% to about 100% of the saturation concentration. For example, when lithium chloride is present at a content of 50% of the saturation concentration, it means that 41.6 g is dissolved in 100 ml of water at 20 ° C., and exists at a content of 100% of the saturation concentration. In this case, it means that 83.2 g is dissolved in 100 ml of water at 20 ° C.

前記リチウムハライドの例である塩化リチウムは、前記水系電解質内に水100重量部当たり、約1重量部ないし約83重量部の含有量で存在し、フッ化リチウムは、水100重量部当たり、約0.01ないし約0.27重量部の含有量で存在し、臭化リチウムは、水100重量部当たり、約1ないし約166重量部の含有量で存在し、ヨウ化リチウムは、水100重量部当たり、約1ないし433重量部の含有量で存在しうる。   Lithium chloride, which is an example of the lithium halide, is present in the aqueous electrolyte at a content of about 1 to about 83 parts by weight per 100 parts by weight of water, and lithium fluoride is about about 100 parts by weight of water. Present in a content of 0.01 to about 0.27 parts by weight, lithium bromide is present in a content of about 1 to about 166 parts by weight per 100 parts by weight of water, and lithium iodide is present in 100 parts by weight of water. It can be present in a content of about 1 to 433 parts by weight per part.

前記リチウムハライドによって保護されるリチウムイオン伝導性固体電解質膜は、金属イオンを含有し、負極と正極との間に位置する。また、リチウムイオンだけを通過させるので、負極に含まれたリチウムを水から保護する保護膜の役割を行う。かようなリチウムイオン伝導性固体電解質膜としては、リチウムイオン伝導性ガラス、リチウムイオン伝導性結晶(セラミックまたはガラス−セラミック)、またはそれらの混合物を含有する無機物質を例示することができる。化学的安定性を考慮するとき、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、酸化物を例に挙げることができる。   The lithium ion conductive solid electrolyte membrane protected by the lithium halide contains metal ions and is located between the negative electrode and the positive electrode. In addition, since only lithium ions are allowed to pass through, it functions as a protective film that protects lithium contained in the negative electrode from water. Examples of such a lithium ion conductive solid electrolyte membrane include an inorganic substance containing lithium ion conductive glass, lithium ion conductive crystal (ceramic or glass-ceramic), or a mixture thereof. In consideration of chemical stability, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane can be exemplified by an oxide.

前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が、リチウムイオン伝導性結晶を多量に含む場合、高イオン伝導度が得られるので、例えば、リチウムイオン伝導性結晶を固体電解質膜全体重量に対して、例えば、50重量%以上、55重量%以上、または55重量%以上の量で含むことができる。   When the lithium ion conductive solid electrolyte membrane contains a large amount of lithium ion conductive crystal, high ion conductivity can be obtained. For example, the lithium ion conductive crystal is, for example, 50% of the total weight of the solid electrolyte membrane. It can be included in an amount of not less than wt%, not less than 55 wt%, or not less than 55 wt%.

前記リチウムイオン伝導性結晶としては、LiN、LISICON類、La0.55Li0.35TiOのようなリチウムイオン伝導性を有するペロブスカイト(perovskite)構造を有する結晶、NASICON型構造を有するLiTi12、またはそれら結晶を析出させるガラス−セラミックを使用することができる。 Examples of the lithium ion conductive crystal include Li 3 N, LISICON, crystal having a perovskite structure having lithium ion conductivity such as La 0.55 Li 0.35 TiO 3 , and LiTi having a NASICON type structure. 2 P 3 O 12 , or a glass-ceramic from which the crystals are deposited can be used.

前記リチウムイオン伝導性結晶としては、例えば、Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge)2−xSi3−y12(ただし、O≦x≦1、O≦y≦1であり、例えば、0≦x≦0.4、0<y≦0.6であり、または0.1≦x≦0.3、0.1<y≦0.4である)を挙げることができる。前記結晶が、イオン伝導を阻害する結晶粒界を含まない結晶である場合には、伝導性に関して有利となる。例えば、ガラス−セラミックは、イオン伝導を妨害する気孔や結晶粒界をほとんど有していないために、イオン伝導性が高く、併せて優秀な化学的安定性を有することができる。 Examples of the lithium ion conductive crystal include Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (where O ≦ x ≦ 1, O ≦ y ≦ 1). For example, 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6, or 0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.1 <y ≦ 0.4). . In the case where the crystal does not include a grain boundary that inhibits ionic conduction, it is advantageous in terms of conductivity. For example, glass-ceramic has few pores and grain boundaries that hinder ionic conduction, and therefore has high ionic conductivity and can have excellent chemical stability.

前記リチウムイオン伝導性ガラス−セラミックを例示すれば、リチウム−アルミニウム−ゲルマニウム−リン酸塩(LAGP)、リチウム−アルミニウム−チタン−リン酸塩(LATP)、リチウム−アルミニウム−チタン−シリコン−リン酸塩(LATSP)などを例に挙げることができる。   Examples of the lithium ion conductive glass-ceramic include lithium-aluminum-germanium-phosphate (LAGP), lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), lithium-aluminum-titanium-silicon-phosphate. An example is (LATSP).

例えば、マザーガラスが、LiO−Al−TiO−SiO−P系組成を有し、前記マザーガラスを熱処理して結晶化させる場合、このときの主結晶相は、Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12(0≦x≦1、O≦y≦1)になり、このとき、x及びyとしては、例えば、0≦x≦0.4、0<y≦0.6、または0.1≦x≦0.3、0.1<y≦0.4である。 For example, when the mother glass has a Li 2 O—Al 2 O 3 —TiO 2 —SiO 2 —P 2 O 5 -based composition and the mother glass is crystallized by heat treatment, the main crystal phase at this time is , Li 1 + x + y Al x Ti becomes 2-x Si y P 3- y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, O ≦ y ≦ 1), as this time, x and y are, for example, 0 ≦ x ≦ 0. 4, 0 <y ≦ 0.6, or 0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.1 <y ≦ 0.4.

ここで、イオン伝導を妨害する孔や結晶粒界とは、リチウムイオン伝導性結晶を含む無機物質全体の伝導度を、前記無機物質中のリチウムイオン伝導性結晶それ自体の伝導度の1/10以下の値に低下させる孔や結晶粒界などのイオン伝導性阻害物質を指す。   Here, pores and grain boundaries that interfere with ion conduction refer to the conductivity of the entire inorganic substance including lithium ion conductive crystals, which is 1/10 of the conductivity of the lithium ion conductive crystal itself in the inorganic substance. It refers to ion conductivity inhibitors such as pores and grain boundaries that are reduced to the following values.

また、前記ガラス−セラミックとは、ガラスを熱処理することにより、ガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、非晶質固体と結晶とからなる材料を指し、併せて、全てのガラス相から結晶相に相転移させた材料、例えば、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%である材料を含むことができる。そして、100%結晶化させた材料でも、ガラス−セラミックの場合には、結晶粒子間や結晶中に、孔がほぼ存在しない。   The glass-ceramic is a material obtained by precipitating a crystalline phase in a glass phase by heat-treating the glass, and refers to a material composed of an amorphous solid and a crystal. A material that has undergone a phase transition from a glass phase to a crystalline phase, for example, a material in which the amount of crystals (crystallinity) in the material is 100% by mass can be included. Even in a 100% crystallized material, in the case of glass-ceramic, there are almost no pores between crystal grains or in crystals.

前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、前記ガラス−セラミックを多量に含むことによって、高いイオン伝導率を得ることができるために、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜中に、80重量%以上のリチウムイオン伝導性ガラス−セラミックを含むことができ、さらに高いイオン伝導率を得るためには、前記リチウムイオン伝導性ガラス−セラミックを、85重量%以上または90重量%以上の量で含むことができる。   Since the lithium ion conductive solid electrolyte membrane can obtain high ionic conductivity by containing a large amount of the glass-ceramic, 80% by weight or more of lithium in the lithium ion conductive solid electrolyte membrane. An ion conductive glass-ceramic can be included, and in order to obtain higher ion conductivity, the lithium ion conductive glass-ceramic can be included in an amount of 85 wt% or more or 90 wt% or more.

前記ガラス−セラミックに含まれたLiO成分は、Liイオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性を得るのに有用な成分である。良好なイオン伝導率をさらに容易に得るためには、前記LiO成分の含有量は12%以上、13%以上または14%であるものを例示することができる。一方、LiO成分の含有量があまり多い場合には、ガラスの熱的安定性が悪化しやすく、ガラス−セラミックの伝導率も容易に低下するために、前記LiO成分の含有量の上限は、18%、17%または16%の値を有することができる。 The Li 2 O component contained in the glass-ceramic is a component useful for providing a Li + ion carrier and obtaining lithium ion conductivity. In order to obtain good ionic conductivity more easily, the content of the Li 2 O component may be 12% or more, 13% or more, or 14%. On the other hand, when the Li 2 O content component is too large, it tends to deteriorate the thermal stability of the glass, glass - in order to decrease the ceramic conductivity also easily, the content of the Li 2 O component The upper limit can have a value of 18%, 17% or 16%.

前記ガラス−セラミックに含まれたAl成分は、マザーガラスの熱的安定性を向上させると同時に、Al3+イオンが前記結晶相に固溶され、リチウムイオン伝導率の向上にも効果がある。さらに容易にこの効果を得るためには、前記Al成分の含有量の下限が、5%、5.5%または6%であることを例示することができる。しかし、前記Al成分の含有量が10%を超える場合には、むしろガラスの熱的安定性が悪化しやすく、前記ガラス−セラミックの伝導率も低下しやすいために、前記Al成分の含有量の上限は、10%、9.5%または9%であることを例示することができる。 The Al 2 O 3 component contained in the glass-ceramic improves the thermal stability of the mother glass, and at the same time, Al 3+ ions are dissolved in the crystalline phase, which is effective in improving lithium ion conductivity. is there. In order to obtain this effect more easily, it can be exemplified that the lower limit of the content of the Al 2 O 3 component is 5%, 5.5% or 6%. However, when the amount of the Al 2 O 3 component exceeds 10%, rather tends to deteriorate the thermal stability of the glass, the glass - to be easily lowered ceramic conductivity, the Al 2 O It can be exemplified that the upper limit of the content of the three components is 10%, 9.5% or 9%.

前記ガラス−セラミックに含まれたTiO成分は、ガラス形成に寄与し、前記結晶相の構成成分でもあり、ガラス及び前記結晶において有用な成分である。ガラス化させるために、そして前記結晶相が主相としてガラスから析出され、高イオン伝導率をさらに容易に得るためには、前記TiO成分の含有量の下限が、35%、36%または37%であることを例示することができる。一方、前記TiO成分の含有量があまりにも多い場合には、前記ガラスの熱的安定性が悪化しやすく、前記ガラス−セラミックの伝導率も容易に低下するために、前記TiO成分の含有量の上限は、45%、43%または42%であることを例示することができる。 The TiO 2 component contained in the glass-ceramic contributes to glass formation, is also a constituent component of the crystal phase, and is a useful component in the glass and the crystal. In order to vitrify and for the crystal phase to be precipitated from the glass as the main phase and to obtain high ionic conductivity more easily, the lower limit of the content of the TiO 2 component is 35%, 36% or 37 % Can be exemplified. On the other hand, if the content of the TiO 2 component is too large, the thermal stability is liable to deteriorate the glass, the glass - in order to decrease conductivity of the ceramic is also easily contained in the TiO 2 component It can be exemplified that the upper limit of the amount is 45%, 43% or 42%.

前記ガラス−セラミックに含まれたSiO成分は、マザーガラスの溶融性及び熱的安定性を向上させることができると同時に、Si4+イオンが前記結晶相に固溶され、リチウムイオン伝導率の向上にも寄与する。この効果をさらに十分に得るためには、前記SiO成分の含有量の下限が、1%、2%または3%であるものを使用することができる。しかし、前記SiO成分の含有量があまりにも多い場合には、むしろ伝導率が低下しやすいので、前記SiO成分の含有量の上限は、10%、8%または7%であることを例示することができる。 The SiO 2 component contained in the glass-ceramic can improve the meltability and thermal stability of the mother glass, and at the same time, Si 4+ ions are dissolved in the crystalline phase to improve lithium ion conductivity. Also contributes. In order to obtain this effect more fully, the lower limit of the content of the SiO 2 component can be 1%, 2% or 3%. However, when the content of the SiO 2 component is too large, the conductivity tends to decrease rather, so the upper limit of the content of the SiO 2 component is 10%, 8% or 7%. can do.

前記ガラス−セラミックに含まれたP成分は、ガラスの形成に有用な成分であり、併せて、前記結晶相の構成成分でもある。前記P成分の含有量は、30%未満である場合には、ガラス化させ難いので、前記P成分の含有量の下限は、30%、32%または33%であることを例示することができる。一方、前記P成分の含有量が40%を超える場合には、前記結晶相異ガラスから析出され難く、所望の特性を得難くなるために、前記P成分の含有量の上限は、40%、39%または38%であることを例示することができる。 The P 2 O 5 component contained in the glass-ceramic is a component useful for the formation of glass and is also a constituent component of the crystal phase. When the content of the P 2 O 5 component is less than 30%, it is difficult to vitrify, so the lower limit of the content of the P 2 O 5 component is 30%, 32%, or 33%. Can be illustrated. On the other hand, if the content of the P 2 O 5 component exceeds 40%, hardly precipitated from the crystal phase different glasses, in order to become difficult to obtain the desired properties, the content of the P 2 O 5 component It can be exemplified that the upper limit is 40%, 39% or 38%.

前記組成の場合、溶融ガラスをキャストし、容易にガラスを得ることができ、このガラスを熱処理して得られた前記結晶相を有するガラス−セラミックは、1×10−3S・cm−1の高いリチウムイオン伝導性を有する。 In the case of the above composition, a molten glass can be cast to easily obtain a glass, and the glass-ceramic having the crystal phase obtained by heat-treating this glass is 1 × 10 −3 S · cm −1 . High lithium ion conductivity.

また、前記組成以外にも、類似した結晶構造を有するガラス−セラミックを使用する場合であるならば、Al成分をGa成分に、TiO成分をGeO成分に、その一部または全部を置換することもできる。併せて、前記ガラス−セラミックの製造時、その融点を低下させたり、またはガラスの安定性を向上させるために、イオン伝導性を大きく悪化させない範囲で、他の原料を微量添加することもできる。 In addition to the above composition, if a glass-ceramic having a similar crystal structure is used, an Al 2 O 3 component is used as a Ga 2 O 3 component and a TiO 2 component is used as a GeO 2 component. Part or all may be replaced. In addition, when the glass-ceramic is produced, in order to lower the melting point or improve the stability of the glass, other raw materials can be added in a range that does not greatly deteriorate the ion conductivity.

前記のようなリチウムイオン伝導性固体電解質膜は、ガラス−セラミック成分以外に、高分子固体電解質成分をさらに含むことができる。かような高分子固体電解質は、リチウム塩がドーピングされた酸化ポリエチレンであり、前記リチウム塩としては、LiN(SOCFCF、LiBF、LiPF、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiN(SOCF、LiN(SO、LiC(SOCF、LiN(SOCF、LiCSO、LiAlClなどを例示することができる。 The lithium ion conductive solid electrolyte membrane as described above may further include a polymer solid electrolyte component in addition to the glass-ceramic component. Such a polymer solid electrolyte is polyethylene oxide doped with a lithium salt. Examples of the lithium salt include LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO. 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 and LiAlCl 4 can be exemplified.

前記高分子固体電解質は、前記ガラス−セラミックと積層構造体を形成することができ、前記成分を含む第1高分子固体電解質と、第2高分子固体電解質との間に、前記ガラス−セラミックが介在することができる。   The polymer solid electrolyte can form a laminated structure with the glass-ceramic, and the glass-ceramic is between the first polymer solid electrolyte containing the component and the second polymer solid electrolyte. Can intervene.

前述のようなリチウムイオン伝導性固体電解質膜は、リチウムイオンを吸蔵/放出することができる負極の一表面上に形成され、負極が水系電解質と反応できないように保護し、リチウムイオンだけを通過させる。   The lithium ion conductive solid electrolyte membrane as described above is formed on one surface of the negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, protects the negative electrode from reacting with the aqueous electrolyte, and allows only lithium ions to pass. .

前記リチウムイオンを吸蔵/放出することができる負極としては、リチウム金属、リチウム金属に基づく合金、またはリチウム挿入化合物(lithium intercalating compound)などを使用することができる。前記リチウム金属に基づく合金としては、例えば、アルミニウム、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウム、チタン、バナジウムなどと、リチウムとの合金を挙げることができる。   As the negative electrode capable of inserting / extracting lithium ions, lithium metal, an alloy based on lithium metal, a lithium intercalating compound, or the like can be used. Examples of the alloy based on the lithium metal include an alloy of lithium, aluminum, tin, magnesium, indium, calcium, titanium, vanadium, and the like.

一具現例によるリチウム空気電池は、前述のようなリチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜との間に、非水系電解質をさらに含むことができ、かような非水系電解質は、前記リチウム空気電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動することができる媒質の役割を行うことができる。   A lithium air battery according to an embodiment may further include a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of inserting / extracting lithium ions as described above and the lithium ion conductive solid electrolyte membrane. The non-aqueous electrolyte can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the lithium air battery can move.

また、前記非水系電解質として、水を含まない有機溶媒を使用でき、かような非水系有機溶媒としては、カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、有機硫黄(organosulfur)系溶媒、有機リン(organophosphorous)系溶媒、または非プロトン性溶媒を使用することができる。前記カーボネート系溶媒としては、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)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ブチレンカーボネート(BC)などが使われ、前記エステル系溶媒としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸ジメチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、デカノライド(decanolide)、バレロラクトン、メバロノラクトン(mevalonolactone)、カプロラクトン(caprolactone)などが使われうる。前記エーテル系溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどが使われ、前記ケトン系溶媒としては、ジクロロヘキサノンなどが使われうる。また、前記有機硫黄系溶媒及び有機リン系溶媒としては、塩化メタンスルホニル(methanesulfonyl chloride)やp−トリクロロ−n−ジクロロホスホリルモノホスファゼンなどが使われ、前記非プロトン性溶媒としては、R−CN(Rは、C−C20直鎖状、分枝状または環状構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含むことができる)などのニトリル類;ジメチルホルムアミドなどのアミド類;1,3−ジオキソランなどのジオキソラン類;スルホラン類などが使われうる。 In addition, as the non-aqueous electrolyte, an organic solvent not containing water can be used. Examples of the non-aqueous organic solvent include carbonate-based solvents, ester-based solvents, ether-based solvents, ketone-based solvents, and organic sulfur-based organic solvents. Solvents, organophosphorous solvents, or aprotic solvents can be used. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), and methyl ethyl carbonate. (MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), butylene carbonate (BC), etc. are used. Examples of the ester solvents include methyl acetate, ethyl acetate, and n-propyl acetate. , Dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone ), Such as caprolactone (caprolactone) can be used. Examples of the ether solvent include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, and tetrahydrofuran. Examples of the ketone solvent include dichlorohexanone. Examples of the organic sulfur-based solvent and the organic phosphorus-based solvent include methanesulfonyl chloride and p-trichloro-n-dichlorophosphoryl monophosphazene, and the aprotic solvent includes R-CN ( R is, C 2 -C 20 linear, a hydrocarbon group branched or cyclic structure, a double bond, an aromatic ring or can contain an ether bond) nitriles such as; amides such as dimethylformamide Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; sulfolanes and the like can be used.

前記非水系有機溶媒は、単独でまたは一つ以上を混合して使用することができ、一つ以上を混合して使用する場合の混合比率は、目的とする電池性能によって適切に調節することができ、これは、当分野の当業者には周知である。   The non-aqueous organic solvents can be used alone or in combination of one or more, and the mixing ratio when using one or more can be appropriately adjusted according to the intended battery performance. This is possible and well known to those skilled in the art.

前記非水系有機溶媒は、リチウム塩を含むことができ、前記リチウム塩は、有機溶媒に溶解され、電池内で、リチウムイオンの供給源として作用することができ、例えば、負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜との間のリチウムイオンの移動を促進する役割を行うことができる。前記リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiN(SO、Li(CFSON、LiCSO、LiClO、LiAlO、LiAlCl、LiN(C2x+1SO)(C2y+1SO)(ここで、x及びyは自然数である)、LiF、LiBr、LiCl、LiI及びLiB(C(リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB))からなる群から選択される一つまたは二つ以上を使用することができる。前記リチウム塩の濃度は、0.1ないし2.0Mの範囲内で使用することができる。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれれば、電解質が適切な伝導度及び粘度を有するので、優秀な電解質性能を示すことができ、リチウムイオンが効果的に移動することができる。 The non-aqueous organic solvent may include a lithium salt, and the lithium salt may be dissolved in the organic solvent and serve as a lithium ion supply source in the battery. The role which accelerates | stimulates the movement of a lithium ion between conductive solid electrolyte membranes can be performed. Examples of the lithium salt, LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, Li (CF 3 SO 2) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3, LiClO 4, LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiF, LiBr, LiCl, LiI and LiB (C 2 O 4 ) 1 (two or more selected from the group consisting of 2 (lithium bisoxalate borate (LiBOB)) can be used. The concentration of the lithium salt can be used within a range of 0.1 to 2.0M. If the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, so that excellent electrolyte performance can be exhibited, and lithium ions can be effectively transferred.

前記非水系有機溶媒は、リチウム塩以外にも、他の金属塩をさらに含むことができ、例えば、AlCl、MgCl、NaCl、KCl、NaBr、KBr、CaClなどがある。 In addition to the lithium salt, the non-aqueous organic solvent may further include other metal salts, such as AlCl 3 , MgCl 2 , NaCl, KCl, NaBr, KBr, and CaCl 2 .

一方、酸素を正極活物質とする正極としては、多孔性及び導電性を有するものであるならば、制限なしに使用することができ、例えば、多孔性を有する炭素系材料を使用することができる。かような炭素系材料としては、カーボンブラック類、グラファイト類、グラフェン類、活性炭類、炭素ファイバ類などを使用することができる。   On the other hand, the positive electrode using oxygen as the positive electrode active material can be used without limitation as long as it has porosity and conductivity, for example, a porous carbon-based material can be used. . As such a carbon-based material, carbon blacks, graphites, graphenes, activated carbons, carbon fibers and the like can be used.

前記正極には、酸素還元のための触媒が添加され、かような触媒としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウムのような貴金属系触媒;マンガン酸化物、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物のような酸化物系触媒;コバルトフタロシアニンのような有機金属系触媒を使用することができる。   A catalyst for oxygen reduction is added to the positive electrode, and such catalysts include noble metal catalysts such as platinum, gold, silver, palladium, ruthenium, rhodium, osmium; manganese oxide, iron oxide, Oxide catalysts such as cobalt oxide and nickel oxide; organometallic catalysts such as cobalt phthalocyanine can be used.

また、前記正極と負極との間には、セパレータを配することも可能である。かようなセパレータとしては、リチウム空気電池の使用範囲に耐えることができる組成であるならば、限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレン素材の不織布やポリフェニレンスルフィド素材の不織布などの高分子不織布;ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の多孔性フィルムを例示することができ、それらを二種以上併用することも可能である。   A separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode. Such a separator is not limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of a lithium-air battery. For example, a polymer nonwoven fabric such as a nonwoven fabric of polypropylene material or a nonwoven fabric of polyphenylene sulfide material; polyethylene Examples thereof include porous films of olefin resins such as polypropylene and polypropylene, and two or more of them can be used in combination.

一表面上に前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が形成された負極と、酸素を活物質とする正極との間には、水系電解質が存在するが、かような水系電解質は、水を主溶媒とし、ここにリチウムハライドが含まれる。また、リチウム空気電池の反応メカニズムに従って、前記水系電解質内で溶解した水酸化リチウムの濃度が変化しうる。   An aqueous electrolyte exists between a negative electrode having the lithium ion conductive solid electrolyte membrane formed on one surface and a positive electrode using oxygen as an active material. Such an aqueous electrolyte uses water as a main solvent. And lithium halide is included here. Further, the concentration of lithium hydroxide dissolved in the aqueous electrolyte may change according to the reaction mechanism of the lithium air battery.

かような水系電解質は、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜と正極との間に介在すると記載するが、固体ではない液体の特性上、前記水系電解質の一部または全部が正極構造物に含浸された形態で存在することも可能であり、併せてセパレータが存在する場合、前記セパレータに含浸された形態でも存在しうることは言うまでもない。   Although such an aqueous electrolyte is described as being interposed between the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and the positive electrode, a part or all of the aqueous electrolyte is impregnated in the positive electrode structure due to the characteristics of a non-solid liquid. Needless to say, when a separator is also present, it can also exist in a form impregnated in the separator.

本明細書で使われる用語である「空気(air)」は、大気空気に制限されるものではなく、酸素を含むガスの組み合わせ、または純粋酸素ガスを含むことができる。このような用語「空気」についての広い定義があらゆる用途、例えば、空気電池、空気正極などに適用されうる。   The term “air” as used herein is not limited to atmospheric air, but may include a combination of gases containing oxygen or pure oxygen gas. Such a broad definition of the term “air” can be applied to any application, such as an air battery, an air cathode, etc.

前記リチウム空気電池は、リチウム一次電池、リチウム二次電池にいずれも使用可能である。また、その形状は、特別に限定されるものではなく、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒形、扁平型、ホーン(horn)型などを例示することができる。また、電気自動車などに利用する大型電池にも適用することができる。   The lithium air battery can be used for both a lithium primary battery and a lithium secondary battery. Further, the shape is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a horn type, and the like. Further, it can be applied to a large battery used for an electric vehicle or the like.

前記リチウム空気電池の一例を、図4に模式的に図示する。このリチウム空気電池10は、第1集電体12に形成される酸素を活物質とする正極13、第2集電体14に隣接するリチウムの吸蔵/放出が可能な負極15と、前記正極と負極の間に水系電解質18が介在されおり、前記負極15の一表面には、リチウムイオン伝導性固体電解質膜16が形成されている。前記固体電解質膜16と正極13との間には、セパレータ(図示せず)が配されうる。   An example of the lithium-air battery is schematically shown in FIG. The lithium-air battery 10 includes a positive electrode 13 using oxygen as an active material formed in a first current collector 12, a negative electrode 15 adjacent to a second current collector 14 and capable of inserting and extracting lithium, and the positive electrode An aqueous electrolyte 18 is interposed between the negative electrodes, and a lithium ion conductive solid electrolyte membrane 16 is formed on one surface of the negative electrode 15. A separator (not shown) may be disposed between the solid electrolyte membrane 16 and the positive electrode 13.

以下では、実施例を挙げて、本発明についてさらに詳細に説明するが、それらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

比較例1
水20mLに水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Comparative Example 1
Lithium hydroxide 5M was added to 20 mL of water, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例1
水20mLに塩化リチウム1Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 1
After adding 1 M lithium chloride to 20 mL of water, 5 M lithium hydroxide was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例2
水20mLに塩化リチウム3Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 2
Lithium chloride 3M was added to 20 mL of water, lithium hydroxide 5M was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例3
水20mLに塩化リチウム5Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 3
Lithium chloride 5M was added to 20 mL of water, lithium hydroxide 5M was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例4
水20mLに塩化リチウム8Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 4
Lithium chloride 8M was added to 20 mL of water, lithium hydroxide 5M was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例5
水20mLに塩化リチウム10Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 5
After adding lithium chloride 10M to 20 mL of water, lithium hydroxide 5M was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例6
水20mLに塩化リチウム15Mを加えた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 6
After adding lithium chloride 15M to 20 mL of water, lithium hydroxide 5M was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実施例7
水20mLに塩化リチウムを飽和させた後、水酸化リチウム5Mを加え、pH meterで溶液のpHを測定した。
Example 7
After saturating lithium chloride in 20 mL of water, 5M lithium hydroxide was added, and the pH of the solution was measured with a pH meter.

実験例1
前記比較例1及び実施例1ないし7のpH測定結果を下記表1に記載した。
Experimental example 1
The pH measurement results of Comparative Example 1 and Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below.

前記表1から分かるように、実施例1ないし7で、LiClの濃度を上昇させるによって、pHが低くなることを確認することができる。かような結果を介して、LiClの添加によって、5Mの水酸化ナトリウム溶液の解離度が低くなったということが分かる。   As can be seen from Table 1, in Examples 1 to 7, it can be confirmed that the pH is lowered by increasing the concentration of LiCl. From this result, it can be seen that the dissociation degree of the 5M sodium hydroxide solution was lowered by the addition of LiCl.

製造例1:リチウムイオン伝導性高分子電解質膜
試薬は、試薬等級のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Aldrich社製)、酸化ポリエチレン(PEO)(分子量〜600,000、Aldrich社製)及びアセトニトリル(ACN)(Aldrich社製)を使用した。0.5gのLiTFSIを、50mLアセトニトリルに溶解させ、ここにPEO 1.4gを添加して12時間撹拌した。その後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)・プレートに、前記溶液を加えた後、窒素ガス下で40℃で24時間乾燥させ、150℃で24時間真空乾燥させてリチウムイオン伝導性高分子電解質膜を得た後、これを1.5cmx1.5cmサイズに切断した。
Production Example 1: Lithium ion conductive polymer electrolyte membrane reagent is reagent grade lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Aldrich), polyethylene oxide (PEO) (molecular weight ~ 600,000, Aldrich) and acetonitrile (ACN) (Aldrich) was used. 0.5 g of LiTFSI was dissolved in 50 mL of acetonitrile, and 1.4 g of PEO was added thereto, followed by stirring for 12 hours. Thereafter, the solution is added to a polytetrafluoroethylene (PTFE) plate, and then dried under nitrogen gas at 40 ° C. for 24 hours, and then vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours to form a lithium ion conductive polymer electrolyte membrane. After being obtained, it was cut into a size of 1.5 cm × 1.5 cm.

製造例2:保護されたリチウム負極
5cmx5cmサイズのアルミニウムフィルム(ポリプロピレンでコーティングされたアルミニウムフィルム、200μm)の中央に、1cmx1cmのサイズを有する孔を形成し、接着剤を利用して、1.4cmx1.4cmのLATP(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)フィルム(厚み150μm、Ohara Corporation製)で前記孔を塞ぎ、一部分がLATPからなるアルミニウムフィルムを製造した。5cmx5cmサイズの新しいアルミニウムフィルム、銅集電体(厚み20μm)、リチウムホイル(1.4cmx1.4cm、厚み100μm)、前記製造例1で製造したリチウムイオン伝導性高分子電解質膜、前記製造したアルミニウムフィルムを積層し、真空加熱接着してアルミニウム・ポーチ型の保護されたリチウム負極を得た。
Production Example 2: Protected lithium negative electrode 5 cm × 5 cm size aluminum film (polypropylene-coated aluminum film, 200 μm), a hole having a size of 1 cm × 1 cm was formed in the center and 1.4 cm × 1. The hole was closed with a 4 cm LATP (Li1.4Al0.4Ti1.6 (PO4) 3) film (thickness 150 μm, manufactured by Ohara Corporation) to produce an aluminum film partially composed of LATP. 5 cm × 5 cm new aluminum film, copper current collector (thickness 20 μm), lithium foil (1.4 cm × 1.4 cm, thickness 100 μm), lithium ion conductive polymer electrolyte membrane produced in Production Example 1, and the produced aluminum film Were laminated by vacuum heating to obtain an aluminum pouch-type protected lithium negative electrode.

実施例8
水20mLに水酸化リチウム及び塩化リチウムをいずれも飽和させた。前記飽和溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で3週間放置した。
Example 8
Both lithium hydroxide and lithium chloride were saturated in 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution and allowed to stand at 50 ° C. for 3 weeks.

実施例9
水20mLに水酸化リチウム0.01Mを加え、塩化リチウムを飽和させた。前記飽和溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で3週間放置した。
Example 9
Lithium chloride was saturated by adding 0.01 M lithium hydroxide to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution and allowed to stand at 50 ° C. for 3 weeks.

実施例10
水20mLに水酸化リチウム0.001Mを加え、塩化リチウムを飽和させた。前記飽和溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で3週間放置した。
Example 10
Lithium chloride was saturated by adding 0.001 M of lithium hydroxide to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the saturated solution and allowed to stand at 50 ° C. for 3 weeks.

比較例2
水20mLに水酸化リチウム0.01Mを加えた。前記溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で3週間放置した。
Comparative Example 2
Lithium hydroxide 0.01M was added to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution and left at 50 ° C. for 3 weeks.

比較例3
水20mLに水酸化リチウム0.001Mを加えた。前記溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で3週間放置した。
Comparative Example 3
Lithium hydroxide 0.001M was added to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution and left at 50 ° C. for 3 weeks.

比較例4
水20mLに水酸化リチウム1Mを加えた。前記溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で1週間放置した。
Comparative Example 4
Lithium hydroxide 1M was added to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution and allowed to stand at 50 ° C. for 1 week.

比較例5
水20mLに水酸化リチウム1Mを加えた。前記溶液に、1cmx1cmサイズのLATP固体電解質膜を浸漬し、50℃で6ヵ月間放置した。
Comparative Example 5
Lithium hydroxide 1M was added to 20 mL of water. A 1 cm × 1 cm size LATP solid electrolyte membrane was immersed in the solution and left at 50 ° C. for 6 months.

実験例2
前記実施例8ないし10及び比較例2ないし5の結果物であるLATPフィルムを清浄水で洗浄して乾燥させた後、両面に100nm厚の金をスパッタリング法でコーティングする。次に、銅ホイルを集電体として使用するアルミニウム・ポーチ型対称セル(aluminum pouch type symmetrical cell)を製造し、25℃でその伝導度を測定し、その結果を下記表2に記載する。
Experimental example 2
The LATP films, which are the results of Examples 8 to 10 and Comparative Examples 2 to 5, were washed with clean water and dried, and then 100 nm thick gold was coated on both sides by a sputtering method. Next, an aluminum pouch type symmetrical cell using copper foil as a current collector was manufactured, and its conductivity was measured at 25 ° C. The results are shown in Table 2 below.

前記表2の記載から分かるように、水酸化リチウムだけが存在する比較例2ないし5では、水酸化リチウムと固体電解質膜との反応によって、固体電解質の伝導度が低下したが、水酸化リチウムと共に、塩化リチウムが添加された実施例8ないし10では、伝導度がほとんど低下していないことが分かる。   As can be seen from the description in Table 2, in Comparative Examples 2 to 5 in which only lithium hydroxide is present, the conductivity of the solid electrolyte is decreased due to the reaction between lithium hydroxide and the solid electrolyte membrane. In Examples 8 to 10 to which lithium chloride was added, it can be seen that the conductivity was hardly lowered.

実験例3
負極として前記製造例2で得られた保護されたリチウム負極、水系電解質として1MのLiCl、正極として白金ブラック(Pt−Black)を使用し、60℃の温度、0.1,0.2,0.3,0.4及び0.5mA/cmの電流密度でのリチウム電池に対する経時的な電位差を測定して図5に図示した。図5に図示されているように、多様な電流密度で、十分な電位差が得られるということが分かる。
Experimental example 3
Using the protected lithium negative electrode obtained in Production Example 2 as the negative electrode, 1M LiCl as the aqueous electrolyte, and platinum black (Pt-Black) as the positive electrode, a temperature of 60 ° C., 0.1, 0.2, 0 The potential difference over time for lithium batteries at current densities of .3, 0.4 and 0.5 mA / cm 2 was measured and illustrated in FIG. As shown in FIG. 5, it can be seen that a sufficient potential difference can be obtained at various current densities.

10 リチウム空気電池
12 第1集電体
13 酸素を活物質とする正極
14 第2集電体
15 リチウムの吸蔵/放出が可能な負極
16 リチウムイオン伝導性固体電解質膜
18 水系電解質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Lithium air battery 12 1st electrical power collector 13 Positive electrode which makes oxygen active material 14 2nd electrical power collector 15 Negative electrode which can occlude / release lithium 16 Lithium ion conductive solid electrolyte membrane 18 Aqueous electrolyte

Claims (16)

リチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極と、
リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、
水系電解質と、
酸素を正極活物質とする正極と、を具備し、
前記水系電解質が水酸化リチウムとリチウムハライドとを含むリチウム空気電池。
A negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions;
A lithium ion conductive solid electrolyte membrane;
An aqueous electrolyte,
A positive electrode using oxygen as a positive electrode active material,
A lithium-air battery in which the aqueous electrolyte contains lithium hydroxide and lithium halide.
前記リチウムハライドが、フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)及びヨウ化リチウム(LiI)からなる群から選択された一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium halide includes one or more selected from the group consisting of lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI). 2. The lithium air battery according to 1. 前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が、前記負極と正極との間に介在され、前記負極の一表面上に形成されたことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is interposed between the negative electrode and the positive electrode and formed on one surface of the negative electrode. 前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が、金属イオンを含有するガラス−セラミック固体電解質であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the lithium ion conductive solid electrolyte membrane is a glass-ceramic solid electrolyte containing metal ions. 前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が、高分子固体電解質をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のリチウム空気電池。   The lithium air battery according to claim 4, wherein the lithium ion conductive solid electrolyte membrane further includes a polymer solid electrolyte. 前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜が、ガラス−セラミック固体電解質と高分子固体電解質との積層物を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the lithium ion conductive solid electrolyte membrane includes a laminate of a glass-ceramic solid electrolyte and a polymer solid electrolyte. 前記リチウムハライドが、前記水系電解質に対して、飽和濃度の約0.1%ないし約100%の範囲で含まれることを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the lithium halide is included in a range of about 0.1% to about 100% of a saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte. 前記リチウムハライドが、前記水系電解質に対して、飽和濃度の約10%ないし100%の範囲で含まれることを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the lithium halide is included in a range of about 10% to 100% of a saturation concentration with respect to the aqueous electrolyte. 前記水系電解質は、水100重量部に対して、塩化リチウムを約1重量部ないし約83重量部の含有量で含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the aqueous electrolyte includes lithium chloride in a content of about 1 to about 83 parts by weight with respect to 100 parts by weight of water. 前記負極が、リチウム金属、リチウム金属に基づく合金またはリチウム挿入化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the negative electrode includes lithium metal, an alloy based on lithium metal, or a lithium insertion compound. 前記正極が、多孔性炭素系物質を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the positive electrode contains a porous carbon-based material. 前記固体電解質膜と正極との間に、セパレータをさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium air battery according to claim 1, further comprising a separator between the solid electrolyte membrane and the positive electrode. 前記正極が、酸素還元触媒をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the positive electrode further includes an oxygen reduction catalyst. 前記水系電解質が、前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、前記酸素を正極活物質とする正極との間に介在されたことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein the aqueous electrolyte is interposed between the lithium ion conductive solid electrolyte membrane and a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material. 前記水系電解質の一部または全部が前記正極に含浸されたことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   The lithium-air battery according to claim 1, wherein part or all of the aqueous electrolyte is impregnated in the positive electrode. 前記リチウムイオンの吸蔵/放出が可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜との間に、非水系電解質をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム空気電池。   2. The lithium-air battery according to claim 1, further comprising a non-aqueous electrolyte between the negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions and the lithium ion conductive solid electrolyte membrane.
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