JP2013045684A - 金属空気電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極と負極とがセパレータを介して配置されている電極体が複数積層された金属空気電池であって、積層している各電極体が少なくとも1つの貫通穴を有し、前記貫通穴の一部が重なるように互いに接する上下の電極体の相互の位置をずらして複数の前記電極体が積層されている、前記電池。
【選択図】なし
Description
この金属空気電池は、外部からの酸素を用いこれを正極活物質とする電池であり、主要な構成材として正極、電解質、負極、酸素拡散層および外装材を含むものである。
例えば、特許文献1には、容器本体と容器上蓋とに囲まれた空間に、リチウム負極と酸素正極とがセパレータを介して配置され、両極の間に非水系電解液が充填されたリチウム空気電池の多数が直列に繋いで収容され、酸素イオン伝導性の緻密な固体電解質が備えられ、1つの酸素ポンプを備えるリチウム空気電池が図5に記載されている。
従って、本発明の目的は、単位体積当たりの容量を高めるために複数の電極体を積層して各電極体へ酸素を送ることができ、単位体積当たりの容量を高くし得る金属空気電池を提供することである。
1)前記各電極体が、複数個の貫通穴を有するものである前記金属空気電池。
2)前記貫通穴が、矩形の穴形状を有するものである前記金属空気電池。
3)前記セパレータは電解質を備え、前記電解質が、ゲルポリマー又は固体であるかイオン液体を含む前記金属空気電池。
4)前記電極体が、正方形又は円形の平面を有する前記金属空気電池。
5)前記負極が、Li金属製である前記金属空気電池。
6)前記互いに接する上下の電極体の相互の位置が、前記電極体が正方形の平面を有する場合は上下の電極体の溝が直交し、前記電極体が円形の平面を有する場合はθ=360°/n(θは互いに接する上下の電極体の矩形の貫通穴がなす角度であり、nは電極体の枚数である。)である関係を満足する前記金属空気電池。
7)前記負極が、Li金属製である前記金属空気電池。
8)最外層の正極の外側に酸素拡散層、その外側に空気孔を有する固定部材が設けられている前記金属空気電池。
本発明の実施態様の金属空気電池は、図1に示すように、正極と負極とがセパレータを介して配置されている電極体が複数積層されて、積層している各電極体が少なくとも1つの貫通穴を有し、前記貫通穴の一部が重なるように互いに接する上下の電極体の相互の位置をずらして複数の前記電極体が積層されているものである。
本発明の前記の金属空気電池によれば、複数の電極体が隙間なく積層されていて、互いに接する電極体の相互の位置をずらして貫通穴の一部が重なるように積層されているため、空気の流れに乱れを発生させ、空気の流れを積層方向から平面方向に変えることができる。このため、複数の電極体を隙間なく積層しても各電極体へ空気を送ることができ、単位体積当たりの容量を高くすることができる。
このため、公知の金属空気電池においては、隙間の作用により酸素の供給は促進されるが、隙間の空間だけ単位体積当たりの容量および出力ロスが大きく、電池性能(容量)が低いものとなる。
本発明の実施態様の金属空気電池に用いられる電極体の貫通穴の形状、数および貫通穴幅に関して、図4〜図9には特定の形状(平面が矩形)、穴数および穴幅が示されているが、これに限定されず、金属空気電池に求められる電池特性(出力、容量)に合致させて任意の形状(例えば、平面が楕円形、多数の円形のもの)、穴数および穴幅が選択され得る。
そして、前記電極体は、任意の平面を有し得るが、例えば図3〜図4および図6に示すように、正方形の平面を有し得る。
また、前記電極体は、図5、図7に示すように、円形の平面を有し得る。
また、前記のセパレータは、貫通穴周辺部が融着されて液体不透過性であり得る。
1)電解質がゲルポリマー又は固体であるかあるいはイオン液体である場合:
正極、負極およびセパレータを用意する工程、
正極と負極との間に電解質を充填する工程、
正極、負極およびセパレータを積層して電極体を作製する工程、
複数の電極体に、積層方向に貫通する少なくとも1つの貫通穴を形成する工程、および
前記貫通穴の少なくとも一部が重なるように互いに接する上下の位置をずらして複数の電極体を積層する工程
によって製造し得る。
上記の製造方法によれば、本発明の金属空気電池は、公知の複数の電極体間に隙間を設けた構造の金属空気電池に比べて、前記優れた性能に加えて生産性が大きく向上し得る。
積層方向に貫通する少なくとも1つの貫通穴が形成され穴周辺部が融着されて液体不透過性であるセパレータを用意する工程、
前記セパレータに形成された貫通穴と対応する位置に同一の数および形状を有する貫通穴が形成された正極および負極を用意する工程、
正極と負極との間に電解質を充填する工程、
前記貫通穴を有する正極、前記貫通穴を有する負極および前記セパレータを積層して上下に貫通する少なくとも1つの貫通穴を有する電極体を形成する工程、および
複数の電極体を、前記貫通穴の少なくとも一部が重なるように互いに接する上下の電極体の相互の位置をずらして積層する工程
によって製造し得る。
前記の1)および2)の製造方法において、貫通穴は切断機、例えばカッターを用いて形成し得る。
前記正極は、通常、触媒およびバインダーの少なくとも一方、好適には両成分を含有し得る。
前記の導電材料としては、カーボン材料が挙げられる。カーボン材料は、多孔質材料であってもよくそうでなくともよいが、好適には1mL/g以上の高い細孔容積を有するものであり得る。前記のカーボン材料として、ケッチェンブラック、例えばKB(KetjenEC-600JD)、アセチレンブラック、活性炭などが挙げられる。
正極層におけるカーボン材料の割合は10〜99質量%の範囲であり得る。
また、前記の正極におけるバインダーとしては、PTFE、PVdF、SBRなどのそれ自体周知の材料を挙げることができる。正極層におけるバインダーの割合は1〜40質量%の範囲であり得る。
前記のスラリーを調製する際の溶媒としては、沸点が200℃以下の有機化合物、例えばアセトン、NMPなどを用い得る。
また、前記のスラリーを塗工する際には、ドクターブレード法、インクジェット法などを用い得る。
前記負極材料種としては、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Zn、Feなど、エネルギー密度の高い電池が得られることから好適にはLiが挙げられる。
そして、Liの場合、Li金属やLi炭素質物、Li酸化物、Li硫化物、Li窒化物などが挙げられる。
本発明における前記負極は、集電体、例えばSUS、Niなどの任意の金属箔を用いてそれ自体周知の技術によって調製し得る。
前記のセパレータとしては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、PP/PE/PP製の1層〜3層構造の多孔膜、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布が挙げられる。
前記の電解質は、負極層および正極層の間で金属イオンの伝導を行うためのものである。この電解質としては、負極金属種に応じたイオン伝導性を示す材料であれば、液体、ゲル、ポリマー、無機固体を問わず任意の材料であり得る。特に、電解質が液体の場合は、有機溶媒とリチウム塩とを加えたものであり得る。
また、前記有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。前記有機溶媒として、特に酸素ラジカル耐性の高いものが好適である。
また、前記固体電解質としては、例えばリチウム二次電池の固体電解質材料として用いられ得る材料の粉末であれば限定されず、例えばLi2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3、Li2O−B2O3−ZnOなどの固体酸化物系非晶質電解質粉末、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、liI−li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li3PS4、Li2S−P2S5などの固体硫化物系非晶質電解質粉末、あるいはLiI、LiI−Al2O3、Li3N、Li3N−LiI−LiOH、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、Li1+x+yAxTi2−xSiyP3−yO12(A=Al又はGa、0≦x≦0.4、0<y≦0.6)、[(B1/2Li1/2)1−zCz]TiO3(B=La、Pr、Nd、Sm、C=Sr又はBa、0≦x≦0.5)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3PO(4−3/2w)Nw(w<1)、Li3.6Si0.6P0.4O4などの結晶質酸化物粉末や酸窒化物粉末など、好適には固体硫化物電解質粉末が挙げられる。
前記のリチウム塩としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4およびLiAsF6等の無機リチウム塩;およびLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiC(CF3SO2)3等が挙げられる。
また、前記イオン液体としては、カチオンとアニオンとを組み合わせたイオン分子のみから成る物質であり、且つ、常温(15℃〜25℃)において液体である物質が挙げられる。
前記酸素拡散層は、外部から酸素孔を通じて取り込まれた酸素を正極に拡散させる機能を有するもので、例えば酸素透過膜から構成され得る。
前記酸素透過膜として、空孔率が5%以上60%以下にするのが好ましい。空孔率が5%より小さい場合、酸素分子が拡散することができる細孔空間が不十分となり、酸素の透過速度が著しく低下してしまう。空孔率が60%より大きい場合、膜の強度が著しく低下してしまう。より最適な空孔率の範囲は、8%以上50%以下であり得る。
前記本発明の実施態様の金属空気電池によれば、複数の電極体を積層しても各電極体に貫通穴を通じて酸素を送ることができ、単位体積当たりの電池性能(例えば、容量)を高くし得る金属空気電池を得ることができる。
また、本発明の金属空気電池において、導入される酸素は乾燥された空気中の酸素であってもよいが好適には純酸素であり得る。
以下の実施例は単に説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。
下記の材料を用い、下記の工程で、金属空気電池の作製を行った。
1−1−1 正極の形成
カーボン材料としてKB(KetjenEC−600JD)10質量%、PTFE90質量%、エタノール適量を混合し、得られた混合物をツィンローラーでプレスして膜を形成、切断し、120℃で乾燥して正極(空気正極)を形成した。
1−1−2 電極体の用意
正極と下記の負極、電解質含有セパレータを組み合わせて、電極体を形成した。
電解質:PP13TFSA−0.32mol/kg−LiTFSA(関東化学社)
セパレータ:ポリプロピレン不織布
負極:Li金属箔(本庄金属製)
カッターを用いて、電極体に、図4又は図5に示す平行な7本(平面が正方形の場合)又は9本(平面が円形の場合)の貫通穴を形成した。
貫通穴の形状は下記の通りであった。
平面が正方形の場合
穴の幅:0.3mm、穴の深さ:0.3mm
平面が円形の場合
穴の幅:0.3mm、穴の深さ:0.3mm
図8に示すように電極体を穴方向に対して直交させて積層するか、又は図9に示すように、電極体を穴方向に対して角度を60°ずらしながら図1に示す積層体に積層した。
この積層体に、最外層の正極の外側に酸素拡散層、その外側に空気孔を有する固定部材が設けることによって、金属空気電池を作製し得る。
Claims (8)
- 正極と負極とがセパレータを介して配置されている電極体が複数積層された金属空気電池であって、積層している各電極体が少なくとも1つの貫通穴を有し、前記貫通穴の一部が重なるように互いに接する上下の電極体の相互の位置をずらして複数の前記電極体が積層されている、前記電池。
- 前記各電極体が、複数個の貫通穴を有するものである請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記貫通穴が、矩形の穴形状を有するものである請求項1又は2に記載の金属空気電池。
- 前記セパレータは電解質を備え、前記電解質が、ゲルポリマー又は固体であるかあるいはイオン液体を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属空気電池。
- 前記電極体が、正方形又は円形の平面を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属空気電池。
- 前記互いに接する上下の電極体の相互の位置が、前記電極体が正方形の平面を有する場合は上下の電極体の貫通穴が直交し、前記電極体が円形の平面を有する場合はθ=360°/n(θは互いに接する上下の電極体の矩形の貫通穴がなす角度であり、nは電極体の枚数である。)である関係を満足する請求項3〜5のいずれか1項に記載の金属空気電池。
- 前記負極が、Li金属製である請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属空気電池。
- 最外層の正極の外側に酸素拡散層、その外側に空気孔を有する固定部材が設けられている請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属空気電池。
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JP2009230981A (ja) * | 2008-03-21 | 2009-10-08 | Toyota Central R&D Labs Inc | 非水系金属空気電池 |
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