JP2012074371A - Solid electrolyte material, and metal-air all-solid secondary battery manufactured using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte material, and a metal-air all-solid secondary battery manufactured using the solid electrolyte material.SOLUTION: An electrolyte material of the present invention is a gelatinized product of MO(OH)(in the formula, M represents an element belonging to group-4, -13 or -14 on the periodic table, and each of a and b is a value determined according to a valence of M so that the gelatinized product is electrically neutral) and contains a basic hydroxide. The electrolyte material is obtained by agitating, under conditions of the presence of a basic hydroxide, an alcoholic solution of an alkoxide of an element belonging to group-4, -13 or -14 on the periodic table to produce a gelatinized product and then subjecting the gelatinized product to heat treatment.

Description

本発明は固体電解質材料およびこれを用いた全固体二次電池に関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte material and an all-solid secondary battery using the same.

二次電池の中で、現在最もエネルギー密度(電池重量に対する放電可能な電力量)が高いと考えられているのはリチウムイオン電池であるが、リチウムイオン電池のエネルギー密度を超える二次電池の一つとして、金属−空気二次電池が注目されている。金属−空気二次電池では、正極の反応物質が空気中の酸素であり、負極が金属である。この金属−空気二次電池の最大の特徴は、正極で大気中の酸素を活用しているため正極の反応物質の重量を理論上ゼロにできる点にある。電池の重量は、正・負電極での反応物質の重さと、反応を仲介する電解質の重さが大部分を占めるため、片方の電極の反応物質をゼロにできる金属−空気二次電池は、エネルギー密度を飛躍的に向上できる可能性がある。   Among the secondary batteries, the lithium ion battery is considered to have the highest energy density (the amount of electric power that can be discharged with respect to the battery weight) at present, but the secondary battery exceeds the energy density of the lithium ion battery. For example, metal-air secondary batteries have attracted attention. In the metal-air secondary battery, the reactant of the positive electrode is oxygen in the air, and the negative electrode is metal. The greatest feature of this metal-air secondary battery is that, since oxygen in the atmosphere is utilized in the positive electrode, the weight of the reactant in the positive electrode can theoretically be reduced to zero. Since the weight of the reaction material at the positive and negative electrodes and the weight of the electrolyte that mediates the reaction occupy most of the weight of the battery, the metal-air secondary battery that can reduce the reaction material on one electrode to zero, There is a possibility that the energy density can be dramatically improved.

従来、金属−空気電池は炭素粉末などの導電材と酸素還元触媒とを組み合わせた空気極を正極とし、亜鉛、アルミニウム、鉄、水素などを負極とし、電解質としては例えばアルカリ性水溶液のような液体を備えるものであった。一般に、アルカリ性水溶液のような水溶液電解質では、アルカリ性が強いため腐食による液漏れを封止する必要があり、持ち運びの点で課題がある。また、水溶液を用いるためにエネルギー密度の向上には限界がある。例えば特許文献1には、イオン液体を用いた電池が提案されているが、制御が難しいとともに、上述の通り液体であるために液漏れ等の課題は解決されていない。これに対して、近年、有機溶媒電解液や有機高分子ゲル電解質を用いる電池もあるが、これら電解質は揮発性や可燃性であるために、未使用状態での長期保存によって電解液が枯渇したり劣化したりする可能性がある他、電池が破損した場合には可燃性成分によって爆発的な破壊を生じる危険性もある。   Conventionally, a metal-air battery has an air electrode in which a conductive material such as carbon powder and an oxygen reduction catalyst are combined as a positive electrode, zinc, aluminum, iron, hydrogen, etc. as a negative electrode, and an electrolyte such as an alkaline aqueous solution. It was something to prepare. In general, an aqueous electrolyte such as an alkaline aqueous solution has strong alkalinity, so that it is necessary to seal liquid leakage due to corrosion, and there is a problem in terms of portability. In addition, since an aqueous solution is used, there is a limit to improving the energy density. For example, Patent Document 1 proposes a battery using an ionic liquid, but it is difficult to control and, as described above, it is a liquid, and thus problems such as liquid leakage are not solved. In contrast, in recent years, there are batteries that use organic solvent electrolytes or organic polymer gel electrolytes. However, since these electrolytes are volatile and flammable, the electrolytes are depleted by long-term storage in an unused state. There is also a risk of causing explosive destruction due to combustible components when the battery is damaged.

特開2008−293678号公報JP 2008-293678 A

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属−空気全固体二次電池の固体電解質の主成分を非有機物で形成することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at forming the main component of the solid electrolyte of a metal-air all-solid-state secondary battery with a non-organic substance.

本発明は、MOa(OH)b(式中、Mは周期表第4族、13族、または14族の元素を表し、aおよびbは、Mの原子価に応じて電気的に中性となるように定められる値)のゲル化物であって、塩基性水酸化物を含むことを特徴とする電解質材料である。本発明の電解質材料は、塩基性水酸化物の存在下、周期表第4族、13族、または14族の元素のアルコキシドのアルコール溶液を攪拌してゲル化物を生成し、このゲル化物を熱処理することによって得られる。前記熱処理の温度は600〜800℃であることが好ましい。 In the present invention, MO a (OH) b (wherein M represents an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table, and a and b are electrically neutral depending on the valence of M. The electrolyte material is characterized in that it contains a basic hydroxide. The electrolyte material of the present invention produces a gelled product by stirring an alcohol solution of an alkoxide of a group 4, 13 or 14 element of the periodic table in the presence of a basic hydroxide, and heat-treating this gelled product. It is obtained by doing. The temperature of the heat treatment is preferably 600 to 800 ° C.

本発明の電解質材料において、前記M元素がZrであることが好ましく、また、前記塩基性水酸化物のモル量と前記MOa(OH)bのモル量の比(塩基性水酸化物のモル量/MOa(OH)bのモル量)xが0.2以上、5以下であることも好ましい。前記塩基性水酸化物がアルカリ金属水酸化物である場合は、前記xを4以下とし、また前記塩基性水酸化物が水酸化アンモニウム塩である場合は、前記xを1以上とすることが推奨される。本発明の電解質材料において、前記ゲル化物がケトン化合物を含有しても良い。 In the electrolyte material of the present invention, the M element is preferably Zr, and the ratio of the molar amount of the basic hydroxide to the molar amount of the MO a (OH) b (the molar amount of the basic hydroxide). It is also preferred that the amount / mole amount of MO a (OH) b ) x is 0.2 or more and 5 or less. When the basic hydroxide is an alkali metal hydroxide, x is 4 or less, and when the basic hydroxide is an ammonium hydroxide salt, x is 1 or more. Recommended. In the electrolyte material of the present invention, the gelled product may contain a ketone compound.

また本発明は、炭素を含む空気極と、金属を含む金属極と、第1の固体電解質を備えた金属−空気全固体二次電池であって、前記第1の固体電解質が上記のいずれかに記載の電解質材料である金属−空気全固体二次電池も包含する。   Further, the present invention is a metal-air all-solid secondary battery comprising an air electrode containing carbon, a metal electrode containing metal, and a first solid electrolyte, wherein the first solid electrolyte is any one of the above. The metal-air all-solid secondary battery which is the electrolyte material described in 1) is also included.

さらに本発明は、炭素を含む空気極と、金属と導体と第2の固体電解質を含む金属極と、第1の固体電解質を備えた金属−空気全固体二次電池であって、第1と第2の固体電解質が同一又は異なって、上記のいずれかに記載の電解質材料である金属−空気全固体二次電池も包含する。該金属−空気全固体二次電池では、(i)空気極、第1の固体電解質、金属極がこの順に備えられ、前記金属極は、第2の固体電解質の各粒子表面に金属が直接かつ部分的に形成されており、前記金属極は、金属が形成された第2の固体電解質、導体を、混合された状態で含むことや、(ii)前記金属は鉄であるとともに、前記導体はカーボンであり、且つカーボンに鉄が担持されていること、などが好ましい。なお、前記金属極における金属が形成された第2の固体電解質と導体の混合比は、空気極に近づくにつれて固体電解質の割合が多くなるように配置すると、金属極の電気の取出しがスムーズに行われるので好ましい。   Furthermore, the present invention is a metal-air all-solid secondary battery including an air electrode including carbon, a metal electrode including a metal, a conductor, and a second solid electrolyte, and a first solid electrolyte, A metal-air all-solid secondary battery, which is the same or different from the second solid electrolyte and is an electrolyte material as described above, is also included. In the metal-air all-solid secondary battery, (i) an air electrode, a first solid electrolyte, and a metal electrode are provided in this order, and the metal electrode has a metal directly on each particle surface of the second solid electrolyte and Partly formed, the metal electrode includes a second solid electrolyte in which a metal is formed, a conductor in a mixed state, and (ii) the metal is iron, and the conductor is Carbon is preferable, and iron is supported on the carbon. In addition, when the mixing ratio of the second solid electrolyte in which the metal is formed in the metal electrode and the conductor is arranged so that the ratio of the solid electrolyte increases as the distance from the air electrode increases, the metal electrode can smoothly take out electricity. This is preferable.

本発明の金属−空気全固体二次電池では、前記第1の固体電解質の一方側には炭素を含む空気極が設けられ、他方側には金属を含む金属極が設けられ、かつ前記炭素を含む空気極が触媒付きカーボン層を備えていることが好ましい。また、前記金属極の金属は鉄、又はマグネシウムであることが推奨される。   In the metal-air all solid state secondary battery of the present invention, an air electrode containing carbon is provided on one side of the first solid electrolyte, a metal electrode containing metal is provided on the other side, and the carbon is added. It is preferable that the air electrode to be provided has a carbon layer with catalyst. The metal of the metal electrode is recommended to be iron or magnesium.

本発明の金属−空気全固体二次電池において、前記金属極の金属が第1又は第2の固体電解質表面に直接形成されていることが好ましく、この場合、前記金属極は1nm以上、100μm未満であり、且つFe濃度が30原子%以上であることが好ましい。また前記金属極の金属を第1又は第2の固体電解質表面に直接形成する方法としては、例えばスパッタリング法が挙げられる。   In the metal-air all solid state secondary battery of the present invention, the metal of the metal electrode is preferably formed directly on the surface of the first or second solid electrolyte. In this case, the metal electrode has a thickness of 1 nm or more and less than 100 μm. It is preferable that the Fe concentration is 30 atomic% or more. An example of a method for directly forming the metal electrode metal on the surface of the first or second solid electrolyte is a sputtering method.

本発明に係る固体電解質によれば、MOa(OH)b(式中、Mは周期表第4族、13族、または14族の元素を表し、aおよびbは、Mの原子価に応じて電気的に中性となるように定められる値)のゲル化物に、塩基性水酸化物を含ませているため、室温であっても十分な伝導性(例えば10-3S/cm程度)を発揮することができる。この固体電解質は、例えば金属−空気全固体二次電池に有用であり、本発明の固体電解質を用いた金属−空気全固体二次電池は、充電−放電が可能であり、二次電池として十分に作動させることができる。 According to the solid electrolyte according to the present invention, MO a (OH) b (wherein M represents an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table, and a and b depend on the valence of M) In this case, a basic hydroxide is contained in the gelled product (value determined so as to be electrically neutral), so that sufficient conductivity is obtained even at room temperature (for example, about 10 −3 S / cm). Can be demonstrated. This solid electrolyte is useful for, for example, a metal-air all-solid secondary battery, and the metal-air all-solid secondary battery using the solid electrolyte of the present invention can be charged and discharged and is sufficient as a secondary battery. Can be operated.

図1は、後記する実施例におけるジルコニアゲルの作製手順を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a procedure for producing a zirconia gel in an example described later. 図2は、後記する実施例において、温度を20℃から80℃まで変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 2 is a graph showing the AC conductivity of zirconia gel when the temperature is changed from 20 ° C. to 80 ° C. in Examples described later. 図3は、後記する実施例において、水酸化カリウムのモル比xを変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 3 is a graph showing the AC conductivity of the zirconia gel when the molar ratio x of potassium hydroxide is changed in the examples described later. 図4は、後記する実施例において、アセチルアセトンのモル比yを変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the AC conductivity of the zirconia gel when the molar ratio y of acetylacetone is changed in the examples described later. 図5は、後記する実施例におけるジルコニアゲルの作製手順を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a procedure for producing a zirconia gel in Examples described later. 図6は、後記する実施例において、温度を20℃から80℃まで変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 6 is a graph showing the AC conductivity of the zirconia gel when the temperature is changed from 20 ° C. to 80 ° C. in the examples described later. 図7は、後記する実施例において、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比xを変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 7 is a graph showing the AC conductivity of zirconia gel when the molar ratio x of tetramethylammonium hydroxide is changed in the examples described later. 図8は、後記する実施例において、アセチルアセトンのモル比yを変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。FIG. 8 is a graph showing the AC conductivity of zirconia gel when the molar ratio y of acetylacetone is changed in the examples described later. 図9は、後記する実施例において作製した円柱状電池の構成を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic view showing a configuration of a cylindrical battery produced in Examples described later. 図10は、後記する実施例において作製した電池のセル電圧を示したグラフである。FIG. 10 is a graph showing the cell voltage of a battery manufactured in an example described later. 図11は、後記する実施例におけるジルコニアゲルの作製手順を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing a procedure for producing a zirconia gel in Examples described later. 図12は、後記する実施例におけるジルコニアゲル粉末のXRDパターンを示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing an XRD pattern of zirconia gel powder in Examples described later. 図13は、後記する実施例において、ジルコニアゲル作製時の熱処理温度と、ジルコニアゲルの交流導電率との関係を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature during the production of zirconia gel and the AC conductivity of the zirconia gel in the examples described later. 図14は、後記する実施例において、ジルコニアゲルの示差熱・熱重量同時測定を行った結果である。FIG. 14 shows the results of simultaneous differential heat / thermogravimetric measurement of zirconia gel in Examples described later. 図15は、後記する実施例における金属−空気全固体二次電池の、電流と電力密度の関係を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the relationship between current and power density of a metal-air all solid state secondary battery in Examples described later. 図16は、後記する実施例における充放電特性(時間とセル電圧の関係)を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing charge / discharge characteristics (relationship between time and cell voltage) in the examples described later. 図17は、後記する実施例において、鉄を担持したカーボンの作製手順を示した図である。FIG. 17 is a diagram showing a procedure for producing carbon carrying iron in Examples to be described later. 図18は、後記する実施例において作製した、鉄を担持したカーボンのSEM写真である。FIG. 18 is an SEM photograph of carbon carrying iron produced in the examples described later. 図19は、後記する実施例において作製した電池の、充電曲線と放電曲線を示したグラフである。FIG. 19 is a graph showing a charge curve and a discharge curve of a battery manufactured in an example described later.

本発明者らは、有機固体電解質に代わる新たな固体の電解質について検討した。その結果、MOa(OH)b(式中、Mは周期表第4族、13族、または14族の元素を表し、aおよびbは、Mの原子価に応じて電気的に中性となるように定められる値)のゲル化物に、塩基性水酸化物を含有させると、水酸化物イオンを高度に伝導でき、電解質材料として有用であることが明らかとなり、非有機(無機)固体電解質を実現するに至った。 The present inventors examined a new solid electrolyte to replace the organic solid electrolyte. As a result, MO a (OH) b (wherein M represents an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table, and a and b are electrically neutral depending on the valence of M. When a basic hydroxide is included in the gelled product), it becomes clear that hydroxide ions can be conducted to a high degree and is useful as an electrolyte material. Non-organic (inorganic) solid electrolyte It came to realize.

4族、13族、または14族元素で、MOa(OH)bのゲル化物、すなわち酸化物またはオキシ水酸化物を形成すると、塩基性水酸化物の存在下、すなわち強アルカリ性の環境下でもゲル化物を安定にできる。前記M元素はZr、Al、Siであることが好ましく、特に第4族のZrであることが好ましい。また、MOa(OH)bが酸化物である場合は、MOa(OH)bはMOaで表すことができ(すなわちb=0)、aは(Mの原子価)=(Oの原子価(通常は−2)×a)となるように定められる。またMOa(OH)bがオキシ水酸化物である場合は、aとbの値は、(Mの原子価)+(Oの原子価(通常は−2))×a+(OHの原子価(通常は−1))×b=0を満たすように定められる(但し、a>0、b>0)。金属アルコキシドを出発物質とした場合には、加水分解によってOH基が構造中に残りやすい。またaとbの割合は、熱処理条件によって制御することが可能であり、一般的には熱処理温度が高くなるほどaの値が大きくなり、OH基濃度が低く(すなわち、bの値が小さく)なりやすい。例えば、後述する実施例では110℃で5時間の熱処理を行っており、化学量論ではa=1およびb=2の場合(すなわちZrO1(OH)2)に電気的中性が満足されることを考慮すれば、aの値はおよそ1.0〜1.8であり、bの値はおよそ0.4〜2.0である。 When a group 4, 13, or 14 element forms a MO a (OH) b gel, ie, an oxide or oxyhydroxide, even in the presence of a basic hydroxide, ie, in a strongly alkaline environment The gelled product can be stabilized. The element M is preferably Zr, Al, or Si, and particularly preferably Group 4 Zr. When MO a (OH) b is an oxide, MO a (OH) b can be expressed by MO a (ie, b = 0), and a is (M valence) = (O atom Value (usually −2) × a). When MO a (OH) b is an oxyhydroxide, the values of a and b are (M valence) + (O valence (usually −2)) × a + (OH valence). (Normally −1)) × b = 0 is satisfied (however, a> 0, b> 0). When a metal alkoxide is used as a starting material, OH groups tend to remain in the structure by hydrolysis. The ratio of a and b can be controlled by the heat treatment conditions. Generally, the higher the heat treatment temperature, the larger the value of a, and the lower the OH group concentration (that is, the smaller the value of b). Cheap. For example, in the examples described later, the heat treatment is performed at 110 ° C. for 5 hours, and the electrical neutrality is satisfied when a = 1 and b = 2 in stoichiometry (that is, ZrO 1 (OH) 2 ). Considering this, the value of a is approximately 1.0 to 1.8, and the value of b is approximately 0.4 to 2.0.

なお、前記MOa(OH)bのゲル化物はM−O−M結合によって複数のMとOがネットワークを形成してゲル状物になっていれば良く、他の基(例えばアルコキシ基)などが結合または残留していても良い。 The gelled product of MO a (OH) b may be a gel-like product by forming a network of a plurality of Ms and Os by M-O-M bonds, and other groups (for example, alkoxy groups), etc. May be bound or remain.

前記塩基性水酸化物としては、OH-イオンを遊離し得る化合物が使用できる。この様な塩基性水酸化物を使用することで、OH-イオンが固体電解質内を移動可能となり、電解質の伝導性を高めることができる。好ましい塩基性水酸化物は、OH-イオンを完全解離する強アルカリ、例えばアルカリ金属水酸化物、水酸化アンモニウム塩である。アルカリ金属水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好ましく、特に水酸化カリウムが好ましい。また、水酸化アンモニウム塩としては、脂肪族4級アンモニウムの水酸化物が好ましく、例えばテトラC1-3アルキルアンモニウム化合物、特にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドが挙げられる。 As the basic hydroxide, a compound capable of liberating OH ions can be used. By using such a basic hydroxide, OH - ions can move in the solid electrolyte, and the conductivity of the electrolyte can be increased. Preferred basic hydroxides are strong alkalis that completely dissociate OH ions, such as alkali metal hydroxides and ammonium hydroxide salts. As the alkali metal hydroxide, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like are preferable, and potassium hydroxide is particularly preferable. The ammonium hydroxide salt is preferably an aliphatic quaternary ammonium hydroxide, such as a tetra C 1-3 alkyl ammonium compound, particularly tetramethyl ammonium hydroxide.

前記塩基性水酸化物のモル量と前記MOa(OH)bのモル量の比(塩基性水酸化物のモル量/MOa(OH)bのモル量)xが0.2以上、5以下であることが好ましく、より好ましくは0.5以上、4.5以下である。 The molar amount of the basic hydroxide and the MO a (OH) molar quantity ratio of b (molar amount of basic hydroxide / MO a (OH) molar amount of b) x is 0.2 or more, 5 Or less, more preferably 0.5 or more and 4.5 or less.

前記塩基性水酸化物がアルカリ金属水酸化物である場合、前記xを好ましくは4以下、より好ましくは3.5以下、さらに好ましくは3以下とする。アルカリ金属水酸化物では、xが4以下の時に、導電率が特に良好となる。また前記水酸化物がアンモニウム塩である場合は、前記xを1以上とすることが好ましく、より好ましくは1.5以上であり、さらに好ましくは2以上とする。アンモニウム塩では、xが1以上の時に導電率が特に良好となる。   When the basic hydroxide is an alkali metal hydroxide, x is preferably 4 or less, more preferably 3.5 or less, and even more preferably 3 or less. In the alkali metal hydroxide, the conductivity is particularly good when x is 4 or less. When the hydroxide is an ammonium salt, x is preferably 1 or more, more preferably 1.5 or more, and further preferably 2 or more. In the ammonium salt, the conductivity is particularly good when x is 1 or more.

また、ゲル化物はゾル調製の段階でアルコキシドを安定化するために添加したケトン化合物を含んでいてもよい。ケトン化合物には、モノケトン化合物、ジケトン化合物、トリケトン化合物などが含まれるが、ジケトン化合物が好ましい。ジケトン化合物としては、α−ジケトン化合物(ジアセチルなど)、β−ジケトン化合物、γ−ジケトン化合物(2,5−ヘキサジオンなど)など、特にβ−ジケトン化合物が使用できる。β−ジケトン化合物には、アセチルアセトン、2,2−ジメチルペンタン−3,5−ジオン、2−メチル−1,3−ブタンジオン、1,3−ブタンジオン、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン、3−メチル−2,4−ペンタンジオンなどの脂肪族鎖状ジケトン化合物;2−アセチルシクロペンタノン、2−アセチルシクロヘキサノンなどの含脂肪族環ジケトン化合物;1,3−ジフェニル−1,3−プロパンジオン、ベンゾイルアセトン、ジベンゾイルアセトンなどの含芳香族環ジケトン化合物が含まれる。好ましいケトン化合物は、全炭素数が3〜10(より好ましくは4〜6)のケトン化合物、特にアセチルアセトンなどの全炭素数が3〜10(より好ましくは4〜6)の脂肪族鎖状ジケトン化合物である。   Further, the gelled product may contain a ketone compound added to stabilize the alkoxide in the sol preparation stage. The ketone compound includes a monoketone compound, a diketone compound, a triketone compound, and the like, and a diketone compound is preferable. As the diketone compound, α-diketone compounds (such as diacetyl), β-diketone compounds, γ-diketone compounds (such as 2,5-hexadione) and the like, in particular, β-diketone compounds can be used. β-diketone compounds include acetylacetone, 2,2-dimethylpentane-3,5-dione, 2-methyl-1,3-butanedione, 1,3-butanedione, 2,2,6,6-tetramethyl-3. Aliphatic chain diketone compounds such as 1,5-heptanedione and 3-methyl-2,4-pentanedione; aliphatic cyclic diketone compounds such as 2-acetylcyclopentanone and 2-acetylcyclohexanone; 1,3-diphenyl Examples include aromatic ring diketone compounds such as -1,3-propanedione, benzoylacetone, and dibenzoylacetone. Preferred ketone compounds are those having 3 to 10 carbon atoms (more preferably 4 to 6), particularly aliphatic chain diketone compounds having 3 to 10 carbon atoms (more preferably 4 to 6) such as acetylacetone. It is.

ケトン化合物のモル量と前記MOa(OH)bのモル量の比(ケトン化合物のモル量/MOa(OH)bのモル量)yは、0.05以上、5以下が好ましく、より好ましくは0.10以上、4以下であり、さらに好ましくは0.10以上、3以下である。特に、塩基性水酸化物が水酸化アンモニウム塩である場合、yは0.15以上であることが推奨される。 (Molar amount / MO a (OH) molar amount of b ketone compound) y molar amount of the MO a (OH) b molar amount of the ratio of the ketone compound, 0.05 or more, preferably 5 or less, more preferably Is 0.10 or more and 4 or less, more preferably 0.10 or more and 3 or less. In particular, when the basic hydroxide is an ammonium hydroxide salt, y is recommended to be 0.15 or more.

得られたケトン化合物を含むゲルは、300℃以上の熱処理でケトン化合物が焼失するため、酸化物またはオキシ水酸化物として総称されるMOa(OH)bとなる。熱処理後のゲルは、通常、粉末の形態で得られる。 The resulting gel containing the ketone compound becomes MO a (OH) b , which is generically referred to as an oxide or oxyhydroxide, because the ketone compound is burned away by heat treatment at 300 ° C. or higher. The gel after the heat treatment is usually obtained in the form of a powder.

本発明の電解質材料は、塩基性水酸化物の存在下、周期表第4族、13族、または14族の元素のアルコキシド(以下、単にアルコキシド化合物という)のアルコール溶液を攪拌し、室温で放置または50℃程度(例えば40〜60℃)で保持してゲル化物(中間ゲル化物)を生成し、このゲル化物を熱処理することによって得ることができ、前記電解質材料の製造方法としては、例えばゾル−ゲル法を用いることができる。   The electrolyte material of the present invention stirs an alcohol solution of an alkoxide of an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table (hereinafter simply referred to as an alkoxide compound) in the presence of a basic hydroxide, and is allowed to stand at room temperature. Alternatively, it can be obtained by holding at about 50 ° C. (for example, 40 to 60 ° C.) to produce a gelled product (intermediate gelled product) and heat-treating the gelled product. -A gel method can be used.

周期表第4族、13族、または14族の元素のアルコキシドとしては、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド、ペントキシドなどの炭素数1〜10程度(好ましくは2〜7程度)のアルコキシドが使用できる。このアルコキシドを溶解するためのアルコールは、揮発性である限り特に限定されないが、メタノール、エタノールなど、特にエタノールが好適に使用される。   As an alkoxide of an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table, an alkoxide having about 1 to 10 carbon atoms (preferably about 2 to 7) such as methoxide, ethoxide, propoxide, butoxide, pentoxide can be used. . The alcohol for dissolving the alkoxide is not particularly limited as long as it is volatile, but ethanol, such as methanol and ethanol, is preferably used.

アルコール溶液中のアルコキシド化合物の濃度は、例えば5〜80質量%、好ましくは10〜60質量%、さらに好ましくは20〜50質量%である。また塩基性水酸化物の濃度は、MOa(OH)bの物質量によって、電解質材料の特性(イオン伝導性)を発揮するための添加量を適宜決定すれば良い。塩基性水酸化物とアルコキシド化合物のアルコール溶液を攪拌し、放置または保持することで、上述したように中間ゲル化物を生成できる。 The concentration of the alkoxide compound in the alcohol solution is, for example, 5 to 80% by mass, preferably 10 to 60% by mass, and more preferably 20 to 50% by mass. In addition, the concentration of the basic hydroxide may be appropriately determined depending on the amount of MO a (OH) b and the amount added for exhibiting the characteristics (ionic conductivity) of the electrolyte material. By stirring and leaving the alcohol solution of the basic hydroxide and the alkoxide compound, the intermediate gelled product can be generated as described above.

中間ゲル化物が生成する限り、放置の温度条件等は特に限定されないが、例えば40〜60℃程度で保持する場合には、生成完了までに通常5〜10日間程度を要する。   As long as the intermediate gelled product is generated, the temperature condition of the standing is not particularly limited. However, for example, when it is held at about 40 to 60 ° C., it usually takes about 5 to 10 days to complete the generation.

中間ゲル化物を熱処理することで、本発明の固体電解質材料(最終ゲル化物)を得ることができる。熱処理温度は、無機系の塩基性水酸化物を用いる場合には、600℃以下の任意の温度に設定しても良いが、600〜800℃とすることによって、得られるゲル粉末の結晶性を高めることができるとともに、室温付近でも高い導電率を確保できる。一方、有機系の塩基性化合物(例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)を用いる場合には、例えば70〜150℃程度、好ましくは100〜120℃程度とすることができる。   By heat-treating the intermediate gelled product, the solid electrolyte material (final gelled product) of the present invention can be obtained. The heat treatment temperature may be set to an arbitrary temperature of 600 ° C. or lower when an inorganic basic hydroxide is used, but by setting the heat treatment temperature to 600 to 800 ° C., the crystallinity of the obtained gel powder is increased. While being able to raise, high electrical conductivity is securable also near room temperature. On the other hand, when an organic basic compound (for example, tetramethylammonium hydroxide) is used, the temperature can be, for example, about 70 to 150 ° C, preferably about 100 to 120 ° C.

上記の固体電解質材料の用途は特に限定されず、金属−空気二次電池、ニッケル水素電池、またはニッケルカドミウム電池などに用いることができ、特に、空気極と、金属を含む金属極を備える金属−空気全固体二次電池に用いるのが好ましく、前記金属−空気全固体二次電池は、前記固体電解質(第1の固体電解質)の一方側には炭素を含む空気極が設けられ、他方側には金属を含む金属極が設けられ、かつ前記炭素を含む空気極が触媒付きカーボン層を備えていることがより好ましい。   The use of the solid electrolyte material is not particularly limited, and can be used for a metal-air secondary battery, a nickel metal hydride battery, a nickel cadmium battery, or the like, and in particular, a metal having an air electrode and a metal electrode containing a metal- Preferably, the metal-air all-solid secondary battery is provided with an air electrode containing carbon on one side of the solid electrolyte (first solid electrolyte) and on the other side. More preferably, a metal electrode including a metal is provided, and the air electrode including carbon includes a carbon layer with a catalyst.

前記金属極は、金属−空気全固体二次電池の負極として作用するものであり、用いる金属をMとすると、下記(1)式の反応が生じている。   The metal electrode functions as a negative electrode of a metal-air all-solid secondary battery. When the metal used is M, a reaction of the following formula (1) occurs.

前記金属極の金属には、亜鉛、アルミニウム、リチウム、鉄、マグネシウムなどを用いることができるが、鉄、マグネシウムが好ましい。マグネシウムはリチウムなどとは異なり豊富に存在する元素であり、電池の電圧の向上が期待できる。また、前記鉄とは、鉄合金や鉄含有物質も含む意味である。鉄は、酸化還元電位の絶対値は比較的小さいが、そのイオン化物(鉄イオン)が移動しないため、繰返し充放電しても金属極が安定するという利点を有する。金属極は、金属の他に、導体(例えばカーボン、カーボン合金、炭化物など)と本発明の固体電解質材料(第2の固体電解質)を含んでいることが好ましい(特にこれらのみからなる混合体であることが好ましい)。導体を含むことによって、金属極の金属が不動態化することによる電池のセル抵抗の上昇を軽減でき、特に前記金属が鉄、アルミニウム(特に鉄)である場合にその効果が顕著に発揮できる。また、金属極にも固体電解質(第2の固体電解質)を用いることにより、金属の酸化によって生成する電子や、水酸化物イオンからの電子の授受を効率的に行うことができる。第2の固体電解質は、第1の固体電解質と同一であっても良いし、異なっていても良い。金属極に金属、導体、固体電解質材料(第2の固体電解質)の混合体を用いる場合、金属に対する導体の割合(導体/金属)は質量比で0.1/1〜10/1程度であり、金属に対する固体電解質材料の割合(固体電解質材料/金属)は1/1〜50/1程度である。   Zinc, aluminum, lithium, iron, magnesium, etc. can be used as the metal of the metal electrode, but iron and magnesium are preferred. Magnesium is an abundant element unlike lithium and the like, and an improvement in battery voltage can be expected. Moreover, the said iron is meant to include iron alloys and iron-containing substances. Although the absolute value of the oxidation-reduction potential is relatively small, iron has an advantage that the metal electrode is stabilized even when repeatedly charged and discharged because the ionized product (iron ion) does not move. In addition to the metal, the metal electrode preferably contains a conductor (for example, carbon, carbon alloy, carbide, etc.) and the solid electrolyte material of the present invention (second solid electrolyte) (especially a mixture consisting of only these). Preferably). By including a conductor, an increase in cell resistance of the battery due to passivation of the metal of the metal electrode can be reduced, and particularly when the metal is iron or aluminum (especially iron), the effect can be exhibited remarkably. Further, by using a solid electrolyte (second solid electrolyte) for the metal electrode, it is possible to efficiently exchange electrons generated by metal oxidation or electrons from hydroxide ions. The second solid electrolyte may be the same as or different from the first solid electrolyte. When a mixture of metal, conductor, and solid electrolyte material (second solid electrolyte) is used for the metal electrode, the ratio of conductor to metal (conductor / metal) is about 0.1 / 1 to 10/1 by mass ratio. The ratio of solid electrolyte material to metal (solid electrolyte material / metal) is about 1/1 to 50/1.

金属極における金属元素の含有割合は、例えば15原子%以上であり、好ましくは20原子%以上、より好ましくは30原子%以上であり、100原子%であっても良い。   The content ratio of the metal element in the metal electrode is, for example, 15 atomic% or more, preferably 20 atomic% or more, more preferably 30 atomic% or more, and may be 100 atomic%.

金属極は、金属箔であっても良いし、例えば平均粒径が0.01〜10μm(より好ましくは平均粒径が0.1〜5μm)である金属粉と金属ウール(例えば繊維径が10〜60μm)をペレット状に成形したものから構成されていても良い。
また、金属極は例えばPVD法(例えばスパッタリング法、真空蒸着法)によって固体電解質(第1の固体電解質又は第2の固体電解質)材料表面に直接形成されることも好ましい。固体電解質を用いた電池では、界面部分の抵抗が大きく、特性を悪化させることが知られている。また、電池材料に粉末状の物質を用いた場合には、それぞれのエレメント(電極材料、電解質材料)をまぜて圧力を加えて電池を形成するが、その際はそれぞれのエレメント同士の接触が十分ではなく、特性が十分に発揮できない恐れがある。したがって、金属極を固体電解質材料表面に直接接触するように形成することで、金属極と電解質との間の抵抗を下げて特性を向上できる。なお、第1及び第2の固体電解質を含む場合、金属極の金属は第2の固体電解質に直接形成すれば良い。金属極を直接形成する方法としては、スパッタリング法が特に好ましい。これはスパッタリング法による成膜は、真空中で行われるため不純物の混入が防止できるとともに、膜形成中にイオンのエネルギーによって表面が清浄化されること、エネルギーのアシストにより界面が良好になること、密着性が向上すること、などの利点があるためである。
The metal electrode may be a metal foil, for example, metal powder having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm (more preferably an average particle diameter of 0.1 to 5 μm) and metal wool (for example, a fiber diameter of 10 ˜60 μm) may be formed into a pellet shape.
It is also preferable that the metal electrode is directly formed on the surface of the solid electrolyte (first solid electrolyte or second solid electrolyte) material by, for example, PVD method (for example, sputtering method, vacuum deposition method). It is known that a battery using a solid electrolyte has a large resistance at the interface and deteriorates the characteristics. In addition, when a powdery substance is used as the battery material, a battery is formed by applying pressure by mixing each element (electrode material, electrolyte material). In this case, contact between the elements is sufficient. However, there is a possibility that the characteristics cannot be fully exhibited. Therefore, by forming the metal electrode so as to be in direct contact with the surface of the solid electrolyte material, the resistance between the metal electrode and the electrolyte can be lowered to improve the characteristics. When the first and second solid electrolytes are included, the metal of the metal electrode may be directly formed on the second solid electrolyte. As a method of directly forming the metal electrode, a sputtering method is particularly preferable. This is because film formation by sputtering is performed in a vacuum, so that contamination of impurities can be prevented, the surface is cleaned by ion energy during film formation, and the interface is improved by energy assist, This is because there are advantages such as improved adhesion.

金属極の厚みは、例えば1nm以上であり、負極として十分に作用されるため0.1mm以上が好ましい。一方、金属極の厚みが厚くなりすぎると電解質との良好な接触が困難となり有効に負極材料が利用できない、または素子の軽量・薄肉化が難しくなるという不具合が生じるため、このような観点からは3mm以下とすることが好ましく、より好ましくは1mm以下、さらに好ましくは100μm未満である。   The thickness of the metal electrode is, for example, 1 nm or more, and is preferably 0.1 mm or more because it sufficiently acts as a negative electrode. On the other hand, if the thickness of the metal electrode becomes too thick, it is difficult to make good contact with the electrolyte and the anode material cannot be used effectively, or it becomes difficult to reduce the weight and thickness of the element. The thickness is preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less, and still more preferably less than 100 μm.

特に金属極を固体電解質材料表面に直接形成する場合、金属極の厚みは、1nm以上、100μm未満であることが好ましく(より好ましくは3nm以上、1μm以下)金属極中のFe濃度が30原子%以上であることが好ましい。金属極の厚みが1nm未満となると、固体電解質上の金属極の被覆性が極端に低下するため、電極層としての性能が十分に発揮できない。一方、金属極の厚みが100μm以上となると、金属極自体の重量が電池重量の増加を招き、単位重量当たりの充電効率が低くなるため好ましくない。なお、Feの濃度は、TEMのEDX分析の半定量分析の分析値から算出できる。   In particular, when the metal electrode is directly formed on the surface of the solid electrolyte material, the thickness of the metal electrode is preferably 1 nm or more and less than 100 μm (more preferably 3 nm or more and 1 μm or less). The Fe concentration in the metal electrode is 30 atomic%. The above is preferable. When the thickness of the metal electrode is less than 1 nm, the covering property of the metal electrode on the solid electrolyte is extremely lowered, so that the performance as the electrode layer cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, when the thickness of the metal electrode is 100 μm or more, the weight of the metal electrode itself causes an increase in the battery weight and the charging efficiency per unit weight is lowered, which is not preferable. The Fe concentration can be calculated from the analysis value of semi-quantitative analysis of EDX analysis of TEM.

金属極に、金属と導体と第2の固体電解質を含む態様において、これらの相互の位置関係及び濃度分布は特に限定されない。位置関係については、例えば金属と導体と第2の固体電解質の全てが混合された状態でも良いし、任意の順番で層状に並んでいても良い。また濃度分布については、金属、導体、第2の固体電解質のそれぞれについて金属極中で均一であっても良いし、不均一であっても良い。特に金属と第2の固体電解質については、金属が第2の固体電解質の各粒子表面に直接かつ部分的に(不連続に)形成されていることが好ましい。この場合、金属極の厚さは1nm以上が好ましい。金属極の厚さの上限は特に限定されず、固体電解質(例えば粉末)の形状がほぼ金属付着前の状態を保っていれば良く、例えば固体電解質粉末の粒径の1/10程度であり、通常は1μm以下である。金属が固体電解質の各粒子表面に部分的に形成されている態様には、金属が凝集して形成されているような場合も含み、部分的に形成されている場合の金属極の厚さとは、連続膜に換算した膜厚を意味する。金属極の厚さが薄すぎると、金属が固体電解質の凹凸部分に入って金属表面への金属、固体電解質、炭素との接触ができず、電気が流れない。一方、金属極の厚さが厚すぎると、反応に寄与しない金属の割合が増え、効率が低下する。金属の被覆率は50%以上が好ましい。金属は第2の固体電解質の各粒子表面に直接かつ部分的に形成されている場合、導体粉末(例えばカーボンを主成分とする導体粉末)と第2の固体電解質(表面に金属が形成)の混合体(特に、前記金属極における金属が形成された第2の固体電解質と導体の混合比は、空気極に近づくにつれて固体電解質の割合が多くなるようにすると、金属極の電気の取出しがスムーズに行われるので好ましい)、第1の固体電解質(金属は形成されていない)、空気極がこの順に備えられていると、空気極から導入された水酸化物イオンが、金属の不連続部分から進入して鉄と反応し、導電体に電子を効率よく受け渡すことが可能となり、利用効率の高い電池が実現できる。   In the aspect in which the metal electrode includes the metal, the conductor, and the second solid electrolyte, the mutual positional relationship and concentration distribution are not particularly limited. Regarding the positional relationship, for example, the metal, the conductor, and the second solid electrolyte may all be mixed, or may be arranged in layers in an arbitrary order. The concentration distribution may be uniform in the metal electrode or non-uniform for each of the metal, the conductor, and the second solid electrolyte. Particularly for the metal and the second solid electrolyte, it is preferable that the metal is directly and partially (discontinuously) formed on the surface of each particle of the second solid electrolyte. In this case, the thickness of the metal electrode is preferably 1 nm or more. The upper limit of the thickness of the metal electrode is not particularly limited, as long as the shape of the solid electrolyte (for example, powder) is substantially maintained in the state before metal adhesion, for example, about 1/10 of the particle diameter of the solid electrolyte powder, Usually, it is 1 μm or less. The aspect in which the metal is partially formed on the surface of each particle of the solid electrolyte includes the case where the metal is aggregated and formed. What is the thickness of the metal electrode when the metal is partially formed? It means the film thickness converted into a continuous film. If the thickness of the metal electrode is too thin, the metal enters the uneven portion of the solid electrolyte and cannot contact the metal, solid electrolyte, or carbon on the metal surface, and electricity does not flow. On the other hand, if the thickness of the metal electrode is too thick, the proportion of the metal that does not contribute to the reaction increases and the efficiency decreases. The metal coverage is preferably 50% or more. When the metal is formed directly and partially on the surface of each particle of the second solid electrolyte, the conductor powder (for example, a conductor powder mainly composed of carbon) and the second solid electrolyte (metal is formed on the surface) Mixture (especially, when the mixing ratio of the second solid electrolyte in which the metal is formed in the metal electrode and the conductor is such that the ratio of the solid electrolyte increases as it approaches the air electrode, the metal electrode can smoothly take out electricity. When the first solid electrolyte (no metal is formed) and the air electrode are provided in this order, hydroxide ions introduced from the air electrode are removed from the discontinuous portion of the metal. It can enter and react with iron to efficiently transfer electrons to the conductor, and a battery with high utilization efficiency can be realized.

また、金属極に、金属と導体と第2の固体電解質を含む態様において、金属を導体に担持させることも好ましく、特に鉄をカーボンに担持させることが好ましい。金属を導体に担持させることで、ナノサイズの金属を形成することができ、反応に寄与する表面積を増やすことができる。   In an embodiment in which the metal electrode includes a metal, a conductor, and a second solid electrolyte, it is preferable that the metal be supported on the conductor, and it is particularly preferable that iron be supported on carbon. By supporting the metal on the conductor, a nano-sized metal can be formed, and the surface area contributing to the reaction can be increased.

上記炭素を含む空気極は、金属−空気全固体二次電池の正極として作用するものであり、下記(2)式の反応が生じている。   The carbon-containing air electrode functions as a positive electrode of a metal-air all-solid secondary battery, and a reaction of the following formula (2) occurs.

正極として十分に機能させるため、その厚みは0.05mm以上が好ましく、より好ましくは0.1mm以上である。一方、正極(例えば、触媒付きカーボン層)の厚みが厚くなりすぎると電解質/触媒/空気の三相界面を効率良く形成することが困難となる。よって、正極の厚みは0.3mm以下とすることが好ましく、より好ましくは0.2mm以下である。炭素を含む空気極が触媒付きカーボン層を備えている場合、触媒は、酸素の還元反応を促進できるものであればよく、例えばPtやMnO2などが挙げられる。カーボン層の形態は、炭素粉末の圧粉体であっても良いし、カーボンペーパーなどを用いても良い。 In order to sufficiently function as a positive electrode, the thickness is preferably 0.05 mm or more, and more preferably 0.1 mm or more. On the other hand, if the thickness of the positive electrode (for example, the carbon layer with catalyst) becomes too thick, it becomes difficult to efficiently form the three-phase interface of electrolyte / catalyst / air. Therefore, the thickness of the positive electrode is preferably 0.3 mm or less, more preferably 0.2 mm or less. When the air electrode containing carbon includes a carbon layer with a catalyst, the catalyst may be any catalyst that can promote the oxygen reduction reaction, and examples thereof include Pt and MnO 2 . The form of the carbon layer may be a carbon powder compact, or carbon paper or the like may be used.

固体電解質層の厚みは、水酸化物イオンを伝導するという作用を十分に発揮させ、短絡を防ぐために0.1mm程度が好ましい。一方、固体電解質層の厚みが厚くなりすぎると、実抵抗(電池内部抵抗)が大きくなって、電流を取り出せなくなるという不具合が生じる。そこで固体電解質層の厚みは0.3mm以下とすることが好ましい。   The thickness of the solid electrolyte layer is preferably about 0.1 mm in order to sufficiently exhibit the action of conducting hydroxide ions and prevent a short circuit. On the other hand, if the thickness of the solid electrolyte layer becomes too thick, the actual resistance (battery internal resistance) increases, resulting in a problem that current cannot be extracted. Therefore, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 0.3 mm or less.

金属−空気全固体二次電池は、上記の固体電解質層の一方側に炭素を含む空気極、他方側に金属を含む金属極を積層し、室温〜500℃、100MPa以下、1〜100分の条件下でプレスすることによって製造することができる。また、固体電解質層と空気極、また固体電解質層と金属極は、これらの間に密着性を向上させるためのプライマー層を設けても良い。   The metal-air all solid state secondary battery is formed by laminating an air electrode containing carbon on one side of the solid electrolyte layer and a metal electrode containing metal on the other side, and having a room temperature to 500 ° C., 100 MPa or less, 1 to 100 minutes. It can be produced by pressing under conditions. In addition, the solid electrolyte layer and the air electrode, or the solid electrolyte layer and the metal electrode may be provided with a primer layer for improving adhesion.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited by the following examples, and can of course be implemented with appropriate modifications within a range that can be adapted to the above-described gist. Included in the range.

実施例1
ジルコニアゲルの作製は、図1に示す手順で行った。まず、ジルコニウムテトラn−ブトキシドのエタノール溶液(ジルコニウムテトラn−ブトキシドの濃度:約40質量%)を室温で30分間攪拌し(図1のS1)、アセチルアセトンを加えてさらに室温で30分間攪拌した(図1のS2。アセチルアセトンを加えない場合は、ジルコニウムテトラn−ブトキシドのエタノール溶液を室温で60分間攪拌した)。その後、水酸化カリウム、水、およびエタノールを加えて、下記表1に示す組成に調製した。この溶液を室温で90分攪拌し(図1のS3)、その後50℃で5〜10日間放置した(図1のS4)。さらに110℃で5時間熱処理し(図1のS5)、水酸化カリウムを含むジルコニアゲル粉末を得た。
Example 1
The zirconia gel was produced according to the procedure shown in FIG. First, an ethanol solution of zirconium tetra n-butoxide (zirconium tetra n-butoxide concentration: about 40% by mass) was stirred at room temperature for 30 minutes (S1 in FIG. 1), acetylacetone was added, and the mixture was further stirred at room temperature for 30 minutes ( S2 in Fig. 1. When acetylacetone was not added, an ethanol solution of zirconium tetra-n-butoxide was stirred at room temperature for 60 minutes). Thereafter, potassium hydroxide, water, and ethanol were added to prepare the composition shown in Table 1 below. This solution was stirred at room temperature for 90 minutes (S3 in FIG. 1), and then allowed to stand at 50 ° C. for 5 to 10 days (S4 in FIG. 1). Furthermore, it heat-processed at 110 degreeC for 5 hours (S5 of FIG. 1), and obtained the zirconia gel powder containing potassium hydroxide.

得られたジルコニアゲルのイオン導電率(交流導電率)は、電気化学測定システム(SI 1260、Solartron社)を用い、専用のソフトウェア(Z−plot)を用いて測定した。得られた粉末は、金型(島津製作所、KBr錠剤成形器)を用い、5MPa、10minの条件下、圧着させることによってペレット状(直径13mm、厚み0.4〜0.8mm)の試料とした。ペレット状試料の両面に、クイックコーター(サンユー電子(株)、QuickCoater SC−701)を用いて、3mV、5minの条件下、マスク(面積:0.385cm2)を用いて金スパッタすることで電極を形成した。銀ペイスト(日新EM(株)、シルベストP−255)でリード線である金線(ニラコ(株)、φ=0.08mm)を電極と接合させ、測定を行った。結果を図2〜4に示す。 The ionic conductivity (AC conductivity) of the obtained zirconia gel was measured using an electrochemical measurement system (SI 1260, Solartron) and dedicated software (Z-plot). The obtained powder was formed into a pellet (diameter 13 mm, thickness 0.4 to 0.8 mm) by press-bonding using a mold (Shimadzu Corporation, KBr tablet molding machine) under conditions of 5 MPa and 10 min. . Electrodes are formed on both sides of the pellet-like sample by gold sputtering using a mask (area: 0.385 cm 2 ) using a quick coater (Sanyu Electronics Co., Ltd., QuickCoater SC-701) under conditions of 3 mV and 5 min. Formed. A gold wire (Niraco Co., Ltd., φ = 0.08 mm) as a lead wire was joined to an electrode with silver paste (Nisshin EM Co., Ltd., Sylbest P-255), and measurement was performed. The results are shown in FIGS.

図2は、水酸化カリウムのモル比xを0.5、アセチルアセトンのモル比yを0とし、相対湿度:60%で、温度を20℃から80℃まで変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである(なお、縦軸は交流導電率の常用対数で表す。以下、交流導電率のグラフについて同じ)。図2によれば、室温付近でも10-3S/cm程度の高い導電率であることが分かった。 Fig. 2 shows the alternating current of zirconia gel when the molar ratio x of potassium hydroxide is 0.5, the molar ratio y of acetylacetone is 0, the relative humidity is 60%, and the temperature is changed from 20 ° C to 80 ° C. It is the graph which showed the electrical conductivity (In addition, a vertical axis | shaft is represented by the common logarithm of alternating current conductivity. Hereafter, it is the same about the graph of alternating current conductivity). According to FIG. 2, it was found that the conductivity was as high as about 10 −3 S / cm even near room temperature.

図3は、アセチルアセトンのモル比を0とし、相対湿度:60%、温度:80℃で、水酸化カリウムのモル比xを0.5、0.68、1、2、3、4、5と変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。図3より、水酸化カリウムのモル比が増加するにつれて、導電率が減少する傾向が見られた。   FIG. 3 shows that the molar ratio of acetylacetone is 0, the relative humidity is 60%, the temperature is 80 ° C., and the molar ratio x of potassium hydroxide is 0.5, 0.68, 1, 2, 3, 4, 5, It is the graph which showed the alternating current conductivity of the zirconia gel when making it change. FIG. 3 shows that the conductivity decreased as the molar ratio of potassium hydroxide increased.

図4は、相対湿度:60%、温度:80℃で、水酸化カリウムのモル比xを0.68、アセチルアセトンのモル比yを0、0.16、0.8と変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。図4によれば、アセチルアセトンの増加によって導電率が減少する傾向が見られた。   FIG. 4 shows the relative humidity: 60%, temperature: 80 ° C., the molar ratio x of potassium hydroxide is changed to 0.68, and the molar ratio y of acetylacetone is changed to 0, 0.16, 0.8. It is the graph which showed the alternating current conductivity of the zirconia gel. According to FIG. 4, there was a tendency for the conductivity to decrease with an increase in acetylacetone.

実施例2
水酸化カリウムの代わりに、水酸化テトラメチルアンモニウムを用い、各原料の組成を表2に示すようにしたこと以外は実施例1と同様にして、図5に示す手順で水酸化テトラメチルアンモニウムを含むジルコニアゲルを作製した。
Example 2
Instead of potassium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide was used, and the composition of each raw material was as shown in Table 2, and the procedure shown in FIG. A zirconia gel containing was prepared.

得られたジルコニアゲルの交流導電率は、実施例1と同様にして測定した。結果を図6〜8に示す。   The AC conductivity of the obtained zirconia gel was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIGS.

図6は、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比xを0.4、アセチルアセトンのモル比yを0とし、温度を20℃から80℃まで変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。図7は、アセチルアセトンのモル比を0とし、相対湿度:60%、温度:80℃で、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比xを0.4、0.5、1、2、3、4と変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。図6、7によれば、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比が小さい場合は導電率が小さく不十分であるのに対し、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比が増加するに従って導電率が向上していることが分かった。   FIG. 6 shows the AC conductivity of the zirconia gel when the molar ratio x of tetramethylammonium hydroxide is 0.4, the molar ratio y of acetylacetone is 0, and the temperature is changed from 20 ° C. to 80 ° C. It is a graph. FIG. 7 shows that the molar ratio of acetylacetone is 0, the relative humidity is 60%, the temperature is 80 ° C., and the molar ratio x of tetramethylammonium hydroxide is 0.4, 0.5, 1, 2, 3, 4, It is the graph which showed the alternating current conductivity of the zirconia gel when making it change. According to FIGS. 6 and 7, when the molar ratio of tetramethylammonium hydroxide is small, the conductivity is small and insufficient, whereas the electrical conductivity improves as the molar ratio of tetramethylammonium hydroxide increases. I found out.

図8は、相対湿度:60%、温度:80℃で、水酸化テトラメチルアンモニウムのモル比xを0.4、アセチルアセトンのモル比yを0、0.16、0.8と変化させたときの、ジルコニアゲルの交流導電率を示したグラフである。図8によれば、アセチルアセトンの増加によって導電率が増加する傾向が見られた。   FIG. 8 shows the relative humidity: 60%, temperature: 80 ° C., when the molar ratio x of tetramethylammonium hydroxide is changed to 0.4 and the molar ratio y of acetylacetone is changed to 0, 0.16, and 0.8. It is the graph which showed the alternating current conductivity of zirconia gel. According to FIG. 8, there was a tendency for the conductivity to increase with an increase in acetylacetone.

実施例3
実施例1で得られたジルコニアゲルのうち、水酸化カリウムのモル比xが3、アセチルアセトンのモル比yが0のジルコニアゲルを電解質として0.1g用い、金属−空気全固体二次電池を作製した。
Example 3
Of the zirconia gel obtained in Example 1, 0.1 g of zirconia gel having a potassium hydroxide molar ratio x of 3 and an acetylacetone molar ratio y of 0 was used as an electrolyte to produce a metal-air all solid secondary battery. did.

金属極は、繊維径30〜60μmのスチールウールを40MPaでプレスし、ペレット状に成形したもの、およびスポンジ状鉄0.2g(Wako製、鉄粉の平均粒径:1〜5μm)を用意した。触媒付きカーボン層としては、ケミックス社製のカーボンペーパーに触媒として、MnO2(5〜10mg/cm2)とPt(0.5mg/cm2)を担持させたものをそれぞれ用意した。スチールウール4、スポンジ状鉄3、ジルコニアゲル粉末2、触媒付きカーボンペーパー1を順に積層し、室温、40MPaで1分間プレスし、φ:13mmの円柱状電池を作製した。各層の厚みは、スチールウール:0.2mm、スポンジ状鉄:0.2mm、ジルコニアゲル:0.3mm、触媒付きカーボンペーパー:0.1mmとした。作製した円柱状電池の概略図を図9に示す。 The metal electrode was prepared by pressing steel wool having a fiber diameter of 30 to 60 μm at 40 MPa and forming it into a pellet form, and 0.2 g of sponge iron (manufactured by Wako, average particle diameter of iron powder: 1 to 5 μm). . As the carbon layer with catalyst, carbon papers manufactured by Chemix Co., Ltd. were prepared by supporting MnO 2 (5 to 10 mg / cm 2 ) and Pt (0.5 mg / cm 2 ) as catalysts. Steel wool 4, sponge iron 3, zirconia gel powder 2, and carbon paper 1 with catalyst were laminated in this order and pressed at room temperature and 40 MPa for 1 minute to produce a cylindrical battery with φ: 13 mm. The thickness of each layer was steel wool: 0.2 mm, sponge iron: 0.2 mm, zirconia gel: 0.3 mm, and carbon paper with catalyst: 0.1 mm. A schematic view of the produced cylindrical battery is shown in FIG.

触媒としてMnO2、Ptを用いたそれぞれの電池について、高性能ポテンショスタット/ガルバノスタット(Solartron、SI 1287、DC分極電圧:±14.5V(±14.5Vに対しての分解能100μV)、電流:±2A(分解能100pA)、測定分解能(装置の解析理論限界)[電流分解能:1pA、電圧分解能:1μV])および周波数応答アナライザ(Solartron、1252A、周波数範囲:10kHz〜300kHz、交流振幅:0〜3Vrms、交流振幅分解能:5mV)を用いて、セル電圧を測定した。セル電圧の測定結果を図10に示す。 For each battery using MnO 2 , Pt as catalyst, high performance potentiostat / galvanostat (Solartron, SI 1287, DC polarization voltage: ± 14.5 V (resolution of 100 μV for ± 14.5 V), current: ± 2 A (resolution 100 pA), measurement resolution (limit of analysis theory of the device) [current resolution: 1 pA, voltage resolution: 1 μV]) and frequency response analyzer (Solartron, 1252 A, frequency range: 10 kHz to 300 kHz, AC amplitude: 0 to 3 Vrms) The cell voltage was measured using AC amplitude resolution: 5 mV). The measurement result of the cell voltage is shown in FIG.

図10によれば、触媒としてMnO2、Ptのいずれを用いた場合も、充電−放電が可能であり、二次電池として作動することが分かった。 According to FIG. 10, it was found that charging and discharging are possible when either MnO 2 or Pt is used as the catalyst, and the secondary battery operates.

実施例4
ジルコニアゲルの作製は、図11に示す手順で行った。まず、ジルコニウムテトラn−ブトキシドのエタノール溶液(ジルコニウムテトラn−ブトキシドの濃度:約60重量%)を室温にて30分撹拌し(図11のS1)、その後、水酸化カリウム、水、エタノールを加えて、ジルコニウムテトラn−ブトキシド、エタノール、水、水酸化カリウムを、1:10:3:1のモル比となるように調製した。この溶液を室温で90分間撹拌し(図11のS2)、その後60℃で10日間保持した(図11のS3)。さらに、110℃、600℃、800℃のいずれかの温度で5時間熱処理し(図11のS4)、水酸化カリウムを含むジルコニアゲル粉末を得た。
Example 4
The zirconia gel was produced according to the procedure shown in FIG. First, an ethanol solution of zirconium tetra n-butoxide (zirconium tetra n-butoxide concentration: about 60 wt%) was stirred at room temperature for 30 minutes (S1 in FIG. 11), and then potassium hydroxide, water and ethanol were added. Then, zirconium tetra-n-butoxide, ethanol, water, and potassium hydroxide were prepared to have a molar ratio of 1: 10: 3: 1. This solution was stirred at room temperature for 90 minutes (S2 in FIG. 11), and then kept at 60 ° C. for 10 days (S3 in FIG. 11). Furthermore, it heat-processed for 5 hours at any temperature of 110 degreeC, 600 degreeC, and 800 degreeC (S4 of FIG. 11), and obtained the zirconia gel powder containing potassium hydroxide.

得られたゲル粉末試料をXRDによって解析した結果を図12に示す。110℃で熱処理した試料(図12中の(a))では、回折ピークが検出されずアモルファスであることが分かった。600℃で熱処理した試料(図12中(b))では、正方晶のジルコニア(ZrO2)と炭酸カリウム(K2CO3)に帰属されるピークが検出された。800℃で熱処理した試料(図12中(c))では、正方晶及び単斜晶のジルコニア(ZrO2)と、炭酸カリウム(K2CO3)に帰属されるピークが検出された。これら試料より、熱処理温度が高くなるにつれて、正方晶のジルコニア(ZrO2)に帰属されるピークがシャープになっており、結晶性が高くなったことが分かった。 The result of having analyzed the obtained gel powder sample by XRD is shown in FIG. The sample heat-treated at 110 ° C. ((a) in FIG. 12) was found to be amorphous with no diffraction peak detected. In the sample heat treated at 600 ° C. ((b) in FIG. 12), peaks attributable to tetragonal zirconia (ZrO 2 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) were detected. In the sample heat treated at 800 ° C. ((c) in FIG. 12), peaks attributed to tetragonal and monoclinic zirconia (ZrO 2 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) were detected. From these samples, it was found that the peak attributed to tetragonal zirconia (ZrO 2 ) became sharper as the heat treatment temperature increased, and the crystallinity increased.

また、得られたゲル粉末の、相対湿度:60%、温度20〜80℃での交流導電率を測定した。結果を図13に示す。600℃以上で熱処理した試料(図13中、□及び▲)では、110℃で熱処理した試料(図13中、○)に比べて、導電率が一桁程度上昇した。具体的には、600℃で熱処理した試料の20℃における交流導電率σは8.3×10-3S/cmであり、800℃で熱処理した試料の20℃における交流導電率σは9.2×10-3S/cmであった。 In addition, the AC conductivity of the obtained gel powder at a relative humidity of 60% and a temperature of 20 to 80 ° C. was measured. The results are shown in FIG. In the samples heat-treated at 600 ° C. or higher (□ and ▲ in FIG. 13), the conductivity increased by an order of magnitude compared to the samples heat-treated at 110 ° C. (◯ in FIG. 13). Specifically, the AC conductivity σ at 20 ° C. of the sample heat-treated at 600 ° C. is 8.3 × 10 −3 S / cm, and the AC conductivity σ at 20 ° C. of the sample heat-treated at 800 ° C. is 9. It was 2 × 10 −3 S / cm.

さらに、得られたゲル粉末の熱安定性を評価するため、110℃で熱処理した試料について示差熱・熱重量同時測定を行った。結果を図14に示す。800〜1100℃にかけての重量減少は、KOHとCO2の反応生成物であるカリウムの炭酸塩(K2CO3)の分解によると考えられ、800℃を超える熱処理では電解質(ジルコニアゲル)の分解が起こることが分かった。 Furthermore, in order to evaluate the thermal stability of the obtained gel powder, simultaneous differential heat / thermogravimetric measurement was performed on a sample heat-treated at 110 ° C. The results are shown in FIG. The weight loss between 800 and 1100 ° C. is considered to be due to decomposition of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), which is a reaction product of KOH and CO 2 , and decomposition of the electrolyte (zirconia gel) by heat treatment exceeding 800 ° C. It turns out that happens.

実施例5
金属極に純鉄粉、ジルコニアゲル粉末、カーボン粉末(混合割合は、質量基準で純鉄粉:ジルコニアゲル粉末:カーボン粉末=1:12:0.48)からなる混合粉末を用いたこと以外は実施例3と同様にして、また、比較のため金属極に純鉄粉のみを用いたこと以外は実施例3と同様にして、それぞれ金属−空気全固体二次電池を作製した。それぞれの電池を、実施例3と同様の高性能ポテンショスタット/ガルバノスタットを用いて測定し、電流と電力密度の関係を調べた。結果を図15に示す。金属極に前記混合粉末を用いた電池(図15中の(b))は、金属極に鉄粉のみを用いた電池(図15中の(a))に比べて高い性能を示した。金属極にカーボンを添加することによって、電子伝導パスが形成され、鉄の不動態化によるセル抵抗の上昇が軽減されたため、性能が向上したと考えられる。また、充放電試験も行った結果、金属極に前記混合粉末を用いた電池は、充放電も可能であることが分かった。
Example 5
Except for using a mixed powder composed of pure iron powder, zirconia gel powder, carbon powder (mixing ratio is pure iron powder: zirconia gel powder: carbon powder = 1: 12: 0.48) on the metal electrode. A metal-air all-solid secondary battery was produced in the same manner as in Example 3 and in the same manner as in Example 3 except that only pure iron powder was used for the metal electrode for comparison. Each battery was measured using the same high performance potentiostat / galvanostat as in Example 3, and the relationship between current and power density was examined. The results are shown in FIG. The battery using the mixed powder for the metal electrode ((b) in FIG. 15) showed higher performance than the battery using only the iron powder for the metal electrode ((a) in FIG. 15). By adding carbon to the metal electrode, an electron conduction path was formed, and the increase in cell resistance due to the passivation of iron was reduced, so the performance was considered improved. Moreover, as a result of conducting a charge / discharge test, it was found that the battery using the mixed powder for the metal electrode can also be charged / discharged.

実施例6
実施例3のジルコニアゲル粉末をプレスして得られた固体ペレットへスパッタリング法によって250nmのFe薄膜を形成した。スパッタリング装置としては、島津エミット製マグネトロンスパッタリング装置(HSM−225)を用い、RFにてパワー密度200W/φ4インチ(マグネット当たりのパワー密度)で成膜を行った。なお、プロセスガスはArを用い、ガス圧力は10mTorrとした。Fe薄膜形成後、Fe薄膜形成ジルコニアゲルと実施例3と同じ触媒付きカーボンペーパーとを積層して、室温、40MPaで1分間プレスし、φ:13mmの円柱状電池を作製した。作製した電池を、実施例3と同様にして測定したところ、開放電圧が約1.1Vであり、鉄−空気電池として理想的な開放電圧を得ることができた。
Example 6
A 250 nm Fe thin film was formed by sputtering on solid pellets obtained by pressing the zirconia gel powder of Example 3. As a sputtering apparatus, a magnetron sputtering apparatus (HSM-225) manufactured by Shimadzu Emit was used, and film formation was performed at a power density of 200 W / φ4 inches (power density per magnet) by RF. The process gas was Ar, and the gas pressure was 10 mTorr. After the Fe thin film was formed, the Fe thin film-formed zirconia gel and the same catalyst-coated carbon paper as in Example 3 were laminated and pressed at room temperature and 40 MPa for 1 minute to produce a cylindrical battery with φ: 13 mm. When the produced battery was measured in the same manner as in Example 3, the open-circuit voltage was about 1.1 V, and an ideal open-circuit voltage as an iron-air battery could be obtained.

実施例7
実施例3で用いたのと同じジルコニアゲル粉末をカプトンテープに貼り付け、ジルコニアゲル粉末の表面に、Feをスパッタリング法で成膜した。Feの膜厚は、連続膜換算で5nmである。スパッタリング装置としては、島津エミット製マグネトロンスパッタリング装置(HSM−225)を用い、RFにてパワー密度200W/φ4インチ(マグネット当たりのパワー密度)で成膜を行った。プロセスガスはArを用い、ガス圧力は10mTorrとした。その後、Feを成膜した固体電解質材料粉末を薬さじで回収した。実施例3で金属極として用いたスチールウール及びスポンジ状鉄の代わりに、カーボン粉末と前記したFe形成ジルコニアゲル粉末を用いた(空気極側から順に、Fe形成ジルコニアゲル粉末、カーボン粉末)こと以外は実施例3と同様にして円柱状電池を作製した。なお、金属極中のFe形成ジルコニアゲル粉末とカーボン量との質量比は12:1であった。
Example 7
The same zirconia gel powder used in Example 3 was attached to a Kapton tape, and Fe was formed on the surface of the zirconia gel powder by a sputtering method. The film thickness of Fe is 5 nm in terms of continuous film. As a sputtering apparatus, a magnetron sputtering apparatus (HSM-225) manufactured by Shimadzu Emit was used, and film formation was performed at a power density of 200 W / φ4 inches (power density per magnet) by RF. The process gas was Ar, and the gas pressure was 10 mTorr. Thereafter, the solid electrolyte material powder on which the Fe film was formed was collected with a spoon. Instead of steel wool and sponge iron used as the metal electrode in Example 3, carbon powder and the above-described Fe-formed zirconia gel powder were used (in order from the air electrode side, Fe-formed zirconia gel powder and carbon powder). Produced a cylindrical battery in the same manner as in Example 3. In addition, mass ratio of Fe formation zirconia gel powder in a metal electrode and the amount of carbon was 12: 1.

前記電池を、実施例3と同様にして、充電:0.5mA/cm2、放電:0.1mA/cm2の条件(3回)で充放電特性を測定し、金属極に純鉄粉、カーボン粉末、ジルコニアゲル粉末の混合体を用いた実施例5の電池(Feと電解質とカーボンの質量比は1:12:0.48である)の充放電特性と比較した。結果を図16に示す。金属極としてFeを成膜したジルコニアゲル粉末を用いた例(図16中の(A))では、金属極として前記混合体(図16中の(B))を用いた例と比べて、Feの量が質量基準で1/1000であるにも関わらず、(B)の場合と同等の充放電特性が得られていた。つまり、金属極としてFeを成膜したジルコニアゲル粉末を用いると、3回の充放電で良好な特性を示すことが確認でき、高い利用効率であることから、2次電池としての動作が可能であることが分かった。 In the same manner as in Example 3, the battery was measured for charge / discharge characteristics under the conditions of charge: 0.5 mA / cm 2 and discharge: 0.1 mA / cm 2 (three times). The charge / discharge characteristics of the battery of Example 5 (the mass ratio of Fe, electrolyte, and carbon is 1: 12: 0.48) using a mixture of carbon powder and zirconia gel powder were compared. The results are shown in FIG. In the example using the zirconia gel powder formed with Fe as the metal electrode ((A) in FIG. 16), compared with the example using the mixture ((B) in FIG. 16) as the metal electrode, Fe The charge / discharge characteristics equivalent to those in the case of (B) were obtained even though the amount of 1/1000 was 1/1000 on the mass basis. In other words, when zirconia gel powder with Fe film formed as a metal electrode is used, it can be confirmed that good characteristics are exhibited by three times of charge and discharge, and operation as a secondary battery is possible because of high utilization efficiency. I found out.

実施例8
鉄を担持したカーボン(以下、鉄担持カーボンと呼ぶ)の作製手順を図17に示す。3.5質量%の鉄アセチルアセトナートのエタノール溶液に、カーボンブラック(ライオン株式会社製、ケッチェンブラック)を含浸した。混合比は、質量比で鉄:カーボンブラック=1:1、1:4、1:8とした。空気中100℃で1日乾燥させた後、N2ガス雰囲気中400℃で2時間熱処理し、鉄を担持したカーボンを作製した。図18に、鉄担持カーボンのSEM画像(反射電子像)を示す。図18中、(a)、(b)、(c)の鉄:カーボンブラックの質量比は、それぞれ1:8、1:4、1:1である。(a)、(b)、(c)ではぞれぞれ、(a)30〜50nm、(b)20〜50nm、(c)30〜50nm程度の鉄のナノ粒子が観察された。
Example 8
FIG. 17 shows a procedure for producing iron-supported carbon (hereinafter referred to as iron-supported carbon). Carbon black (Ketjen Black, manufactured by Lion Corporation) was impregnated with an ethanol solution of 3.5% by mass of iron acetylacetonate. The mixing ratio was iron: carbon black = 1: 1, 1: 4, 1: 8 by mass ratio. After drying in air at 100 ° C. for 1 day, heat treatment was performed at 400 ° C. for 2 hours in an N 2 gas atmosphere to produce carbon carrying iron. FIG. 18 shows an SEM image (reflection electron image) of iron-supporting carbon. In FIG. 18, the mass ratios of iron: carbon black of (a), (b), and (c) are 1: 8, 1: 4, and 1: 1, respectively. In (a), (b), and (c), iron nanoparticles of (a) 30 to 50 nm, (b) 20 to 50 nm, and (c) about 30 to 50 nm were observed, respectively.

鉄:カーボンブラックの質量比を1:8として作製した前記鉄担持カーボン(金属極)、実施例3と同様の空気極(但し、空気極のMnO2量は1mg/cm2)及びジルコニアゲル粉末を、一軸加圧成形機で圧力40MPaの条件でプレスし、鉄−空気電池を作成した。発電試験を、温度20℃、相対湿度60%で、充電:0.5mA/cm2、放電:0.1mA/cm2の条件で行って、金属極に鉄担持カーボンを用いた電池の充放電特性を測定し(図19中(b))、金属極に純鉄粉、カーボン粉末、ジルコニアゲル粉末の混合体を用いた実施例5の電池(Feと電解質とカーボンの質量比は1:12:0.48であり、鉄粉の粒子サイズは1〜5μm程度)の充放電特性(図19中(a))と比較した。 The iron-supported carbon (metal electrode) prepared with an iron: carbon black mass ratio of 1: 8, the same air electrode as in Example 3 (however, the amount of MnO 2 in the air electrode is 1 mg / cm 2 ), and zirconia gel powder Was pressed with a uniaxial pressure molding machine under the condition of a pressure of 40 MPa to prepare an iron-air battery. A power generation test was performed at a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 60% under the conditions of charging: 0.5 mA / cm 2 and discharging: 0.1 mA / cm 2 , and charging / discharging of a battery using iron-supported carbon for the metal electrode. The characteristics were measured ((b) in FIG. 19), and the battery of Example 5 using a mixture of pure iron powder, carbon powder, and zirconia gel powder as the metal electrode (the mass ratio of Fe, electrolyte, and carbon was 1:12). : 0.48, and the particle size of the iron powder was compared with the charge / discharge characteristics ((a) in FIG. 19).

金属極に鉄担持カーボンを用いた(b)は、金属極に鉄粉を用いた(a)に比べて高い放電容量を示すことがわかった。   It was found that (b) using iron-supporting carbon for the metal electrode showed a higher discharge capacity than (a) using iron powder for the metal electrode.

実施例9
実施例3のジルコニアゲル粉末をプレスして得られた固体ペレットに、真空蒸着法を用いて250nmのマグネシウム薄膜を形成した。装置はシンクロン社製抵抗加熱型蒸着装置(BMC−800T)を用いた。なお、プロセスガスはArを用い、ガス圧力は2mTorrとした。電極形成後のサンプル作成プロセスは実施例6と同様である。作成した電池を、実施例3と同様にして測定したところ、充放電を確認することができ、さらに開放電圧が実施例6の電池と比べて大きくなった。
Example 9
A 250 nm magnesium thin film was formed on the solid pellet obtained by pressing the zirconia gel powder of Example 3 using a vacuum deposition method. As the apparatus, a resistance heating type vapor deposition apparatus (BMC-800T) manufactured by Shincron was used. The process gas was Ar, and the gas pressure was 2 mTorr. The sample preparation process after electrode formation is the same as in Example 6. When the created battery was measured in the same manner as in Example 3, charging / discharging could be confirmed, and the open circuit voltage was larger than that of the battery of Example 6.

1 触媒付きカーボンペーパー
2 ジルコニアゲル粉末
3 スポンジ状鉄
4 スチールウール
1 Carbon paper with catalyst 2 Zirconia gel powder 3 Sponge iron 4 Steel wool

Claims (18)

MOa(OH)b(式中、Mは周期表第4族、13族、または14族の元素を表し、aおよびbは、Mの原子価に応じて電気的に中性となるように定められる値)のゲル化物であって、塩基性水酸化物を含むことを特徴とする電解質材料。 MO a (OH) b (wherein M represents an element of Group 4, 13, or 14 of the periodic table, and a and b are electrically neutral depending on the valence of M) An electrolyte material characterized in that it is a gelled product of a defined value) and contains a basic hydroxide. 塩基性水酸化物の存在下、周期表第4族、13族、または14族の元素のアルコキシドのアルコール溶液を攪拌してゲル化物を生成し、このゲル化物を熱処理することによって得られる電解質材料。   An electrolyte material obtained by stirring an alcohol solution of an alkoxide of an element of Group 4, 13 or 14 of the periodic table in the presence of a basic hydroxide to form a gel, and heat-treating the gel . 前記周期表第4族、13族、または14族の元素がZrである請求項1または2に記載の電解質材料。   The electrolyte material according to claim 1 or 2, wherein the element of Group 4, Group 13, or Group 14 of the periodic table is Zr. 前記塩基性水酸化物のモル量と前記MOa(OH)bのモル量の比(塩基性水酸化物のモル量/MOa(OH)のモル量)xが0.2以上、5以下である請求項1または3に記載の電解質材料。 The molar amount of the basic hydroxide and the MO a (OH) molar quantity ratio of b (molar amount of basic hydroxide / MO a (OH) molar amount of b) x is 0.2 or more, 5 The electrolyte material according to claim 1 or 3, wherein: 前記塩基性水酸化物がアルカリ金属水酸化物であり、前記xが4以下である請求項4に記載の電解質材料。   The electrolyte material according to claim 4, wherein the basic hydroxide is an alkali metal hydroxide, and the x is 4 or less. 前記塩基性水酸化物が水酸化アンモニウム塩であり、前記xが1以上である請求項4に記載の電解質材料。   The electrolyte material according to claim 4, wherein the basic hydroxide is an ammonium hydroxide salt, and the x is 1 or more. 前記ゲル化物がケトン化合物を含有する請求項1〜6のいずれかに記載の電解質材料。   The electrolyte material according to any one of claims 1 to 6, wherein the gelled product contains a ketone compound. 前記熱処理の温度が600〜800℃である請求項2、3及び7のいずれかに記載の電解質材料。   The electrolyte material according to claim 2, wherein the temperature of the heat treatment is 600 to 800 ° C. 炭素を含む空気極と、金属を含む金属極と、第1の固体電解質を備えた金属−空気全固体二次電池であって、前記第1の固体電解質が請求項1〜8のいずれかに記載の電解質材料である金属−空気全固体二次電池。   A metal-air all-solid secondary battery comprising an air electrode containing carbon, a metal electrode containing metal, and a first solid electrolyte, wherein the first solid electrolyte is any one of claims 1 to 8. A metal-air all solid secondary battery which is the electrolyte material described. 炭素を含む空気極と、金属と導体と第2の固体電解質を含む金属極と、第1の固体電解質を備えた金属−空気全固体二次電池であって、
第1と第2の固体電解質が同一又は異なって、請求項1〜8のいずれかに記載の電解質材料である金属−空気全固体二次電池。
A metal-air all-solid secondary battery comprising an air electrode comprising carbon, a metal electrode comprising a metal, a conductor and a second solid electrolyte, and a first solid electrolyte,
The metal-air all-solid-state secondary battery which is the electrolyte material in any one of Claims 1-8 by which the 1st and 2nd solid electrolyte is the same or different.
前記第1の固体電解質の一方側には炭素を含む空気極が設けられ、他方側には金属を含む金属極が設けられ、かつ前記炭素を含む空気極が触媒付きカーボン層を備えている請求項9又は10に記載の金属−空気全固体二次電池。   An air electrode containing carbon is provided on one side of the first solid electrolyte, a metal electrode containing metal is provided on the other side, and the air electrode containing carbon has a carbon layer with catalyst. Item 11. The metal-air all-solid secondary battery according to Item 9 or 10. 前記金属極の金属は鉄である請求項9〜11のいずれかに記載の金属−空気全固体二次電池。   The metal-air all-solid secondary battery according to claim 9, wherein the metal of the metal electrode is iron. 前記金属極の金属が第1又は第2の固体電解質表面に直接形成されている請求項9〜12のいずれかに記載の金属−空気全固体二次電池。   The metal-air all-solid secondary battery according to any one of claims 9 to 12, wherein the metal of the metal electrode is directly formed on the surface of the first or second solid electrolyte. 前記金属極は1nm以上、100μm未満であり、且つFe濃度が30原子%以上である請求項13に記載の金属−空気全固体二次電池。   The metal-air all-solid-state secondary battery according to claim 13, wherein the metal electrode has a thickness of 1 nm or more and less than 100 µm and an Fe concentration of 30 atomic% or more. 前記金属極の金属がスパッタリング法によって第1又は第2の固体電解質表面に直接形成されている請求項13又は14に記載の金属−空気全固体二次電池。   The metal-air all-solid secondary battery according to claim 13 or 14, wherein the metal of the metal electrode is directly formed on the surface of the first or second solid electrolyte by a sputtering method. 空気極、第1の固体電解質、金属極がこの順に備えられた金属−空気全固体二次電池であって、
前記金属極は、第2の固体電解質の各粒子表面に金属が直接かつ部分的に形成されており、
前記金属極は、金属が形成された第2の固体電解質、導体を、混合された状態で含む請求項10〜15のいずれかに記載の金属−空気全固体二次電池。
A metal-air all-solid secondary battery in which an air electrode, a first solid electrolyte, and a metal electrode are provided in this order,
In the metal electrode, a metal is directly and partially formed on each particle surface of the second solid electrolyte,
The metal-air all-solid-state secondary battery according to any one of claims 10 to 15, wherein the metal electrode includes a second solid electrolyte in which a metal is formed and a conductor in a mixed state.
前記金属極において、前記金属は鉄であるとともに、前記導体はカーボンであり、且つカーボンに鉄が担持されている請求項10〜12のいずれかに記載の金属−空気全固体二次電池。   13. The metal-air all-solid secondary battery according to claim 10, wherein in the metal electrode, the metal is iron, the conductor is carbon, and iron is supported on the carbon. 前記金属極の金属はマグネシウムである請求項9、10及び13のいずれかに記載の金属−空気全固体二次電池。   The metal-air all-solid secondary battery according to claim 9, wherein the metal of the metal electrode is magnesium.
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