JP2013098176A - リチウム空気電池用電解質及びこれを含むリチウム空気電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極と、リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、酸素を正極活物質とする正極と、を含み、前記正極とリチウムイオン伝導性固体電解質膜との間に、リチウムイオン伝導性高分子及びリチウム塩を含む電解質を含むリチウム空気電池に関する発明である。リチウムイオン伝導性高分子としては、親水性マトリックス高分子を使用できる。
【選択図】図1
Description
[化学式1]
[化学式1]
<反応式1>
4Li+O2⇔2Li2O Eo=2.91V
2Li+O2⇔Li2O2 Eo=3.10V
リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)7gを、テトラグリム20mL及び4gの酸化ポリエチレン(PEO:Polyethylene oxide、粘度平均分子量約600,000、Aldrich社製)と混合して第1電解質を用意した。
7gのLiTFSIを20mLのテトラグリムと混合して、1M LiTFSIのテトラグリム溶液を製造して第1電解質を用意した。
0.5gのLiTFSIを50mLのアセトニトリルに溶解し、これに酸化ポリエチレン(PEO)(重量平均分子量約600,000、Aldrich社製)1.4gを添加して12時間攪拌した。次いで、PTFE皿に前記溶液を加えた後、窒素ガス下で20℃で24時間乾燥し、120℃で24時間真空乾燥して第1電解質を得た。
7gのLiTFSIをプロピレンカーボネート(PC)20mlに溶解して、1M LiTFSIのPC溶液を第2電解質として用意した。
前記正極用電解質である第1電解質として、比較製造例1の1M LiTFSIのテトラグリム溶液を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法によって行ってリチウム空気電池を製造した。
前記第1電解質として比較製造例2の固体電解質を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法によって行ってリチウム空気電池を製造した。
製造例1及び比較製造例1によって製造された第1電解質で経時的な重量変化を観察し、電解質の蒸発速度を評価した。
25℃、1atmで実施例1、比較例1及び2で製造されたリチウム空気電池において、0.2mA/cm2の定電流で2.2V(vs.Li)まで放電を行い、その結果を図4に示した。
21 第1電解質
22 第1集電体
23 正極
24 第2集電体
25 負極
26 リチウムイオン伝導性固体電解質膜
Claims (25)
- リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極と、
リチウムイオン伝導性固体電解質膜と、
酸素を正極活物質とする正極と、を含み、
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は、リチウムイオン伝導性高分子、下記化学式1で表示される化合物及びリチウム塩を含む電解質を含むリチウム空気電池:
[化学式1]
R2ないしR5は、互いに独立して水素原子、ニトロ基、アミノ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、シアノ基、カルボキシル基、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC2−C20アルケニル基、置換または非置換のC2−C20アルキニル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC2−C20アルコキシカルボニル基、置換または非置換のC6−C30のアリール基、置換または非置換のC3−C20の炭素環基、置換または非置換のC2−C20のヘテロアリール基、置換または非置換のC2−C20のアルキルカルボニル基、置換または非置換のC7−C30のアリールカルボニル基、または置換または非置換のC4−C30のヘテロアリールカルボニル基を表し、
nは、1ないし20である。 - 前記リチウムイオン伝導性高分子は、
親水性マトリックス高分子である請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 前記親水性マトリックス高分子は、
酸化アルキレン系高分子、親水性アクリル系高分子及び親水性メタクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上である請求項2に記載のリチウム空気電池。 - 前記化学式1で、R1及びR6は、それぞれ水素原子またはC1−C10アルキル基であり、
R2ないしR5は、それぞれ水素原子またはC1−C10アルキル基であり、
nは、1ないし8である請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 前記化学式1の化合物は、
テトラグリム{CH3O−(CH2CH2O)4−CH3}である請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 前記リチウムイオン伝導性高分子は、酸化アルキレン系高分子である請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記リチウムイオン伝導性高分子の含有量は、前記化学式1の化合物100重量部を基準として1ないし90重量部である請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記電解質は、非プロトン性溶媒及び水からなる群から選択された一つ以上をさらに含む請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記リチウム塩の含有量は、
前記化学式1の化合物とリチウムイオン伝導性高分子との総重量100重量部を基準として0.1ないし70重量部である請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 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たものである請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記電解質の一部または全部は、
前記正極に含浸された請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 前記リチウムイオン伝導性固体電解質膜は、
無機物質及び高分子固体電解質成分からなる群から選択された一つ以上を含む請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 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であるか、またはガラス・セラミック固体電解質と高分子固体電解質との積層構造体である請求項1に記載のリチウム空気電池。 - 前記負極とリチウムイオン伝導性固体電解質膜との間に第2電解質をさらに含むことの請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記第2電解質は、
液体電解質、無機固体電解質膜、高分子固体電解質膜またはその組み合せ物である請求項14に記載のリチウム空気電池。 - 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セパレータをさらに備える請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記正極は、多孔性炭素系物質を含む請求項1に記載のリチウム空気電池。
- 前記電解質は、リチウムイオン伝導性高分子、前記化学式1の化合物及びリチウム塩を40ないし80℃で混合して得られたものである請求項1に記載のリチウム空気電池。
- リチウムイオン伝導性高分子、下記化学式1の化合物及びリチウム塩を含むリチウム空気電池用電解質:
[化学式1]
R2ないしR5は、互いに独立して水素原子、ニトロ基、アミノ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、シアノ基、カルボキシル基、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC2−C20アルケニル基、置換または非置換のC2−C20アルキニル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC2−C20アルコキシカルボニル基、置換または非置換のC6−C30のアリール基、置換または非置換のC3−C20の炭素環基、置換または非置換のC3−C20のヘテロアリール基、置換または非置換のC2−C20のアルキルカルボニル基、置換または非置換のC7−C30のアリールカルボニル基、または置換または非置換のC4−C30のヘテロアリールカルボニル基を表し、
nは、1ないし20である。 - 前記リチウムイオン伝導性高分子は、
親水性マトリックス高分子である請求項19に記載のリチウム空気電池用電解質。 - 前記親水性マトリックス高分子は、
酸化アルキレン系高分子、親水性アクリル系高分子及び親水性メタクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上である請求項20に記載のリチウム空気電池用電解質。 - 前記化学式1の化合物は、
テトラグリム{CH3O−(CH2CH2O)4−CH3}である請求項19に記載のリチウム空気電池用電解質。 - 前記リチウムイオン伝導性高分子は、酸化アルキレン系高分子である請求項19に記載のリチウム空気電池用電解質。
- 前記リチウムイオン伝導性高分子の含有量は、
前記化学式1の化合物100重量部を基準として1ないし90重量部である請求項19に記載のリチウム空気電池用電解質。 - 請求項19ないし請求項24のうちいずれか1項に記載の電解質を含むリチウム空気電池。
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