JP2013110065A - Air battery - Google Patents

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Takamasa Kino
貴允 木野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air battery in which evaporation of an electrolyte solvent through an air introduction port on an air electrode side can be suppressed at an extremely high level.SOLUTION: An air battery includes: an air electrode serving as a positive electrode; a negative electrode; an electrolyte; and a battery case housing the air electrode, the negative electrode and the electrolyte. In the air battery, an air introduction port is provided on an air electrode side of the battery case, and a liquid supply means having a function is provided, the function supplying a liquid into the air introduction port when the battery is not used, while extracting the liquid when the battery is used.

Description

本発明は、空気電池に係り、特に、空気電池の劣化を抑制する技術に関する。   The present invention relates to an air battery, and more particularly to a technique for suppressing deterioration of an air battery.

空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を利用するため、電池内に正極活物質を充填する必要が無く、その分、負極活物質を充填できるため、化学電池の中では極めて大きい容量を有し、様々な用途で利用されている。   Since an air battery uses oxygen in the air as a positive electrode active material, there is no need to fill the battery with a positive electrode active material, and the negative electrode active material can be filled accordingly. It is used for various purposes.

空気電池の負極には、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、鉄等の化学的に卑な金属（下記式においてＭと表記）が用いられ、正極（空気極）には、炭素や金属、合金等を多孔質とし、酸素還元触媒が塗布されたガス拡散電極が用いられる。空気中の酸素がこのガス拡散電極に取り込まれることにより、下記に示す放電反応が進行する。
負極：Ｍ→Ｍｎ＋＋ｎｅ−
正極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− The negative electrode of the air battery uses a chemically base metal (denoted as M in the following formula) such as zinc, aluminum, magnesium, and iron, and the positive electrode (air electrode) is porous with carbon, metal, alloy, or the like. A gas diffusion electrode coated with an oxygen reduction catalyst is used. When oxygen in the air is taken into the gas diffusion electrode, the following discharge reaction proceeds.
Negative electrode: M → M n + + ne −
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −

空気電池は、上記のような空気中の酸素を必要とする動作原理であるため、密閉構造とすることが困難であり、空気極側は、大気中に開放された構造となっている。そのため、空気電池の不使用時には、周囲の環境が高温低湿である場合に電解液または電解液溶媒が蒸発し、消耗してしまう問題があった。また、電解液にアルカリ系水溶液を使用する場合には、空気中の二酸化炭素が取り込まれて中和されてしまう問題もあった。結果として、空気電池の放置劣化を招くこととなっていた。   Since the air battery has an operating principle that requires oxygen in the air as described above, it is difficult to form a sealed structure, and the air electrode side is open to the atmosphere. Therefore, when the air battery is not used, there is a problem that the electrolyte solution or the electrolyte solution solvent is evaporated and consumed when the surrounding environment is high temperature and low humidity. In addition, when an alkaline aqueous solution is used as the electrolytic solution, there is a problem that carbon dioxide in the air is taken in and neutralized. As a result, the air battery is left to deteriorate.

このような問題に対して、電池の不使用時において、空気電池に酸素を取り入れるための空気導入口に弾性材料からなるカバーを押圧することにより、空気電池内部と外気とを遮断する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   To solve this problem, a technology is proposed to block the air battery from the outside air by pressing a cover made of an elastic material to the air inlet for taking oxygen into the air battery when the battery is not in use. (For example, refer to Patent Document 1).

特開２００６−１３４６３６号公報JP 2006-134636 A

しかしながら、上記技術においては、手動でカバーを着脱する場合はその作業が煩雑であり、自動で開閉する場合は自動開閉システムの構築が複雑となり、いずれの場合もコストが嵩むという問題がある。   However, in the above technique, when the cover is manually attached and detached, the work is complicated, and when the cover is automatically opened and closed, the construction of the automatic opening and closing system becomes complicated, and in either case, there is a problem that the cost increases.

また、カバーの開閉繰り返し回数やカバー使用時間が増大すると、カバーに用いる弾性材料は外部から繰り返し力を受けるために変形し、劣化の原因となる。そのため、長期間のカバーの使用に対して、密閉性が維持されないという問題がある。   In addition, when the number of times the cover is opened and closed repeatedly and the cover usage time increase, the elastic material used for the cover is deformed due to repeated external force, causing deterioration. Therefore, there is a problem that hermeticity is not maintained for long-term use of the cover.

さらに、単なる物理的なシール密閉では、電解液溶媒の蒸発を抑制する機構が存在せず、長時間に亘って使用した場合や高温雰囲気で使用した場合に、溶媒蒸気の流出は完全には防ぐことができない。   Furthermore, with a simple physical seal sealing, there is no mechanism to suppress evaporation of the electrolyte solvent, and when used for a long time or in a high temperature atmosphere, the outflow of solvent vapor is completely prevented. I can't.

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、空気極側の空気導入口からの電解液溶媒の蒸発を極めて高いレベルで抑制することができる空気電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide an air battery capable of suppressing the evaporation of the electrolyte solvent from the air inlet on the air electrode side at an extremely high level.

本発明の空気電池は、正極として機能する空気極と、負極と、電解液と、空気極、負極および電解液を収容する電池ケースとを備えた空気電池であって、電池ケースの空気極側には、空気導入口が設けられ、電池の不使用時には空気導入口に液体を供給し、使用時には液体を抜き出す機能を有する液体供給手段を備えたことを特徴としている。   An air battery according to the present invention is an air battery including an air electrode that functions as a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a battery case that houses the air electrode, the negative electrode, and the electrolyte, and the air electrode side of the battery case Is provided with a liquid supply means having a function of supplying a liquid to the air inlet when the battery is not used and extracting a liquid when the battery is not used.

本発明にあっては、前記液体は、空気極と負極との間に介在する電解液と同一の物質であることを好ましい態様としている。   In the present invention, the liquid is preferably the same substance as the electrolytic solution interposed between the air electrode and the negative electrode.

本発明にあっては、前記液体は、空気極と負極との間に介在する電解液の溶媒と同一の物質であることを好ましい態様としている。   In the present invention, the liquid is preferably the same substance as the solvent of the electrolytic solution interposed between the air electrode and the negative electrode.

本発明にあっては、前記空気極は、空気導入口側部分が撥溶媒性を有することを好ましい態様としている。   In the present invention, it is preferable that the air electrode has a solvent repellency at the air inlet side.

本発明によれば、空気電池の不使用時には、空気導入口に液体が供給されて閉塞されるので、酸素を電池から遮断して発電を停止させるばかりか、電解液の溶媒が外部に蒸発して減少することを抑制することができる。結果として、空気電池の不使用時の劣化を抑制することができる。また、電解液がアルカリ性の場合には、空気中の二酸化炭素を吸収することを抑制することもできる。空気電池の使用時には、空気導入口の液体が抜き出されるので、空気導入口が開放され、酸素を電池内に取り込み、放電を開始することができる。   According to the present invention, when the air battery is not used, a liquid is supplied to the air inlet and is blocked, so that not only the oxygen is shut off from the battery and power generation is stopped, but also the electrolyte solvent evaporates to the outside. Can be suppressed. As a result, deterioration when the air battery is not used can be suppressed. Moreover, when an electrolyte solution is alkaline, absorption of the carbon dioxide in air can also be suppressed. When the air battery is used, the liquid at the air inlet is extracted, so that the air inlet is opened, oxygen can be taken into the battery, and discharge can be started.

また、液体が電解液と同一または電解液溶媒と同一である態様においては、液体が空気導入口に供給されることで、電池使用中に蒸発して失われた電解液または電解液溶媒を補充することができる。   In an embodiment where the liquid is the same as the electrolytic solution or the same as the electrolytic solvent, the liquid is supplied to the air inlet to replenish the electrolytic solution or electrolytic solvent lost by evaporation during battery use. can do.

さらに、空気極の空気導入口側の部分が撥溶媒性を有する態様においては、電解液が電池内部から拡散し難くなり、電池使用中の溶媒の拡散を抑制することができる。また、空気極が直接液体と触れても、電解液の漏れを防ぎ、かつ液体が空気極の空気供給孔を目詰まりさせないという効果を奏する。   Furthermore, in the aspect in which the portion on the air inlet side of the air electrode has solvent repellency, the electrolytic solution becomes difficult to diffuse from the inside of the battery, and the diffusion of the solvent during use of the battery can be suppressed. Further, even when the air electrode directly touches the liquid, there is an effect that the electrolyte solution is prevented from leaking and the liquid does not clog the air supply hole of the air electrode.

本発明の空気電池の使用時の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state at the time of use of the air battery of this invention typically. 本発明の空気電池の不使用時の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state at the time of non-use of the air battery of this invention. 本発明の空気電池の他の実施形態における不使用時の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state at the time of non-use in other embodiment of the air battery of this invention.

空気電池の構成
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１および２は、本発明の一実施形態に係る空気電池を模式的に示した断面図である。符号１０は電池ケースであり、電池ケース１０内には、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム等の負極２０と、負極２０の種類に合わせて用いられる電解液３０と、空気中の酸素を取り込むことができるガス拡散電極である空気極（正極）２１とが収められている。電池ケース１０には、酸素を空気極２１に取り込むために開口した空気導入口１１が形成されている。 Configuration of Air Battery Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views schematically showing an air battery according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 10 denotes a battery case. In the battery case 10, a negative electrode 20 such as zinc, iron, aluminum, and magnesium, an electrolytic solution 30 that is used in accordance with the type of the negative electrode 20, and oxygen in the air can be taken in. An air electrode (positive electrode) 21 that is a gas diffusion electrode that can be formed is housed. The battery case 10 is formed with an air inlet 11 that is opened to take oxygen into the air electrode 21.

本発明においては、さらに、本発明の液体３１を空気電池に供給する液体供給手段が設けられている。液体供給手段は、液体３１を保持するタンク４０と、タンク４０内に保持された液体３１のタンク４０〜空気導入口１１間の流路を構成する配管４１と、配管４１途上に設けられ液体３１を空気導入口１１に対して供給あるいは抜き出しを行うポンプ４２とからなる。   In the present invention, liquid supply means for supplying the liquid 31 of the present invention to the air battery is further provided. The liquid supply means includes a tank 40 that holds the liquid 31, a pipe 41 that forms a flow path between the tank 40 and the air inlet 11 of the liquid 31 that is held in the tank 40, and a liquid 31 that is provided along the pipe 41. And a pump 42 for supplying or extracting the air from the air inlet 11.

空気電池の動作
図１は、空気電池の使用時の状態を示す図である。このときには、液体３１は、タンク４０内に保持され、空気導入口１１は外部に対して開放されている。空気電池は、空気導入口１１から酸素を取り込み、放電反応が進行する。この時の放電反応は、公知の空気電池における放電反応と同じであるので、説明を省略する。このとき、図に示すように、一部の溶媒は、空気導入口１１を経て外部に蒸発し、失われる。 Operation of Air Battery FIG. 1 is a diagram showing a state when the air battery is used. At this time, the liquid 31 is held in the tank 40 and the air inlet 11 is open to the outside. The air battery takes in oxygen from the air inlet 11 and the discharge reaction proceeds. Since the discharge reaction at this time is the same as the discharge reaction in a known air battery, description thereof is omitted. At this time, as shown in the figure, a part of the solvent evaporates to the outside through the air inlet 11 and is lost.

図２は、空気電池の不使用時の状態を示す図である。電池を不使用とする場合には、図１においてポンプ４２を駆動させ、液体３１を空気導入口１１に供給し、図２に示す状態とする。この状態によれば、空気導入口１１を閉塞させることにより、電池外部からの酸素の供給を遮断して電池の放電反応を停止させ、図１の使用状態で一部失われた電解液溶媒を補充することができる。また、電池内部から電解液または電解液溶媒が蒸発することを抑制することができる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state when the air battery is not used. When the battery is not used, the pump 42 in FIG. 1 is driven, and the liquid 31 is supplied to the air inlet 11 to be in the state shown in FIG. According to this state, the air inlet 11 is closed to shut off the supply of oxygen from the outside of the battery to stop the discharge reaction of the battery, and the electrolyte solvent partially lost in the use state of FIG. Can be replenished. Moreover, it can suppress that electrolyte solution or electrolyte solution solvent evaporates from the inside of a battery.

空気電池を再び使用時の状態にするには、図２においてポンプ４２を駆動させ、液体３１を空気導入口１１から抜き出し、再びタンク４０に回収する。これにより空気導入口１１が開放され、酸素が取り込まれて放電反応が進行する。   In order to return the air battery to the state of use again, the pump 42 is driven in FIG. 2, the liquid 31 is extracted from the air inlet 11, and collected again in the tank 40. As a result, the air inlet 11 is opened, oxygen is taken in, and the discharge reaction proceeds.

以上説明した本発明の空気電池によれば、電池の不使用状態が長期間に及んでも、酸素の取り込みを遮断し、電解液溶媒の蒸発を抑制し、電池特性（出力特性、放電容量、サイクル特性）の低下を抑制することができる。また、図１に示すＣＯ２の取り込みにより従来、アルカリ系電解液の場合においては中和による劣化を受けていたが、この劣化も抑制することができる。本発明によれば、電池の使用／不使用の状態に応じて液体をタンクと空気導入口の間を行き来させることで効率的かつ実用的なシステムが成立する。 According to the air battery of the present invention described above, even when the battery is not in use for a long period of time, oxygen uptake is blocked, evaporation of the electrolyte solvent is suppressed, and battery characteristics (output characteristics, discharge capacity, The deterioration of the cycle characteristics) can be suppressed. Moreover, conventionally, in the case of an alkaline electrolyte, deterioration due to neutralization has been caused by the incorporation of CO 2 shown in FIG. 1, but this deterioration can also be suppressed. According to the present invention, an efficient and practical system is established by moving liquid between the tank and the air inlet according to the use / non-use state of the battery.

空気電池の変更例
図３に、本発明の空気電池の他の実施形態を示す。図３の空気電池は、配管４１に接続された外部ケース５０に収容されている。この外部ケース５０は、剛性のあるタンクや柔軟性のある袋状の形態等、特に限定されない。 Modification Example of Air Battery FIG. 3 shows another embodiment of the air battery of the present invention. The air battery in FIG. 3 is accommodated in an outer case 50 connected to the pipe 41. The outer case 50 is not particularly limited, such as a rigid tank or a flexible bag shape.

このような実施形態によれば、空気電池の周囲全体が液体３１で満たされた上に外部ケース５０によって保持されているので、液体３１による密閉状態をより確実なものとすることができる。図１および２の空気電池においては、液体３１が外部に露出しているので、例えば振動が加わる環境で空気電池が使用された場合、液体３１が飛散して密閉状態が破られるおそれがあるが、本実施形態によれば、空気電池にどのような力が加わっても、密閉状態が破られることを防止することができる。   According to such an embodiment, since the entire periphery of the air battery is filled with the liquid 31 and held by the outer case 50, the sealed state by the liquid 31 can be made more reliable. In the air battery of FIGS. 1 and 2, since the liquid 31 is exposed to the outside, for example, when the air battery is used in an environment where vibration is applied, the liquid 31 may be scattered and the sealed state may be broken. According to this embodiment, it is possible to prevent the sealed state from being broken no matter what force is applied to the air battery.

空気電池の構成要素
空気極（正極）
従来の空気極は、通常は三相界面を形成するために電解液側にのみ撥溶媒処理をしているが、本発明においては、両面に処理を行うことが好ましい。すなわち、空気極を構成するガス拡散電極の、空気導入口側に面する部分に撥溶媒性（疎溶媒性）を持たせることが好ましい。撥溶媒性（疎溶媒性）とは、電解液が水系の場合は撥水性（疎水性）を意味し、電解液が有機系の場合は撥油性（疎油性）を意味する。電解液が水系の場合には、電解液側、空気側の両面に撥水処理（テフロン（登録商標）コーティング等）が施され、片側（電解液側）に酸素還元触媒が塗布され、十分に気体を透過し電気伝導度の高い素材（カーボンや発泡金属等）で構成される。電解液に有機溶媒を使用する場合には、撥油処理（親水性処理）とし、電極の素材や触媒の塗布に関しては電解質が水溶液の場合と同様である。 Air battery components
Air electrode (positive electrode)
Conventional air electrodes are usually subjected to solvent repellent treatment only on the electrolyte side in order to form a three-phase interface. However, in the present invention, it is preferable to perform treatment on both surfaces. That is, it is preferable to give solvent repellency (solvent repellency) to the portion of the gas diffusion electrode constituting the air electrode facing the air inlet side. Solvent repellency (solvent repellency) means water repellency (hydrophobicity) when the electrolyte is aqueous, and oil repellency (oleophobic) when the electrolyte is organic. When the electrolyte is water-based, water repellent treatment (Teflon (registered trademark) coating, etc.) is applied to both the electrolyte side and the air side, and an oxygen reduction catalyst is applied to one side (electrolyte side). It is made of a material (carbon, foam metal, etc.) that has a high electric conductivity through gas. When an organic solvent is used for the electrolytic solution, an oil repellent treatment (hydrophilic treatment) is performed, and the electrode material and the application of the catalyst are the same as in the case where the electrolyte is an aqueous solution.

このように空気極の空気導入口側の部分が撥溶媒性を有する態様においては、当該部分の濡れ性が低下することから、電解液が電池内部から撥溶媒性部分へ拡散し難くなり、電池使用中の溶媒の外部への蒸発を抑制することができる。また、液体が空気導入口に満たされ、空気極が直接液体と触れても、電解液の漏れを防ぎ、かつ液体が空気極の微細な酸素供給孔を目詰まりさせず、液体を空気導入口から除去後も、空気極上にある微細な酸素供給孔を目詰まりさせない。   Thus, in the aspect in which the portion on the air inlet side of the air electrode has solvent repellency, the wettability of the portion decreases, so that the electrolyte does not easily diffuse from the inside of the battery to the solvent repellant portion. The evaporation of the solvent in use to the outside can be suppressed. In addition, even if the liquid is filled in the air inlet and the air electrode directly touches the liquid, leakage of the electrolyte is prevented, and the liquid does not clog the fine oxygen supply holes of the air electrode. Even after being removed from, the fine oxygen supply holes on the air electrode are not clogged.

負極
酸化されやすい、水素よりもイオン化傾向の大きい卑な金属（Ｌｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｆｅ等）が使用される。 Base metals (Li, Al, Mg, Zn, Fe, etc.) that are easily oxidized by the negative electrode and have a higher ionization tendency than hydrogen are used.

電解液
イオン伝導度の高い水溶液、もしくは有機系溶媒を用いた溶液が使用される。 An aqueous solution having high ionic conductivity of the electrolyte or a solution using an organic solvent is used.

液体
本発明においては、液体３１は、電解液３０と同質のものが選択されると好ましい。例えば、亜鉛空気電池、鉄空気電池などの場合には電解液３０としてアルカリ系水溶液が使用されるので、液体３１としては、当該アルカリ系水溶液または水を選択することが好ましく、必要に応じて他の成分を添加した水が主成分である他の水溶液を選択することもできる。また、リチウム空気電池などの場合は有機系電解液が使用されるので、液体３１として、当該有機系電解液またはその電解液を構成する有機溶媒を選択することが好ましく、必要に応じて他の成分を添加した当該有機溶媒が主成分である他の溶液を選択することもできる。ここで、他の成分とは、例えば、凍結防止添加剤等、必要な機能を持たせた材料である。 Liquid In the present invention, it is preferable that the liquid 31 is the same as the electrolyte 30. For example, in the case of a zinc-air battery, an iron-air battery, or the like, an alkaline aqueous solution is used as the electrolytic solution 30. Therefore, it is preferable to select the alkaline aqueous solution or water as the liquid 31; It is also possible to select another aqueous solution containing water as a main component. In the case of a lithium-air battery or the like, an organic electrolytic solution is used. Therefore, it is preferable to select the organic electrolytic solution or an organic solvent constituting the electrolytic solution as the liquid 31, and if necessary, other organic solvent is used. It is also possible to select another solution in which the organic solvent to which the component is added is the main component. Here, the other component is a material having a necessary function such as an antifreezing additive.

本発明によれば、空気電池の不使用期間が長期に亘っても、また、使用状態と不使用状態が数多く繰り返されても、不使用時には溶媒の蒸発を確実に抑制し、電池特性の劣化を抑制することができ、極めて有望である。   According to the present invention, even when the non-use period of the air battery is long, and even if the use state and the non-use state are repeated many times, the evaporation of the solvent is surely suppressed when not in use, and the battery characteristics are deteriorated. This is extremely promising.

１０…電池ケース、
１１…空気導入口、
２０…負極、
２１…正極（空気極）、
３０…電解液、
３１…液体、
４０…タンク、
４１…配管、
４２…ポンプ、
５０…外部ケース。 10 ... Battery case,
11 ... Air inlet,
20 ... negative electrode,
21 ... Positive electrode (air electrode),
30 ... electrolyte,
31 ... Liquid,
40 ... Tank,
41 ... Piping,
42 ... pump,
50: External case.

Claims (4)

正極として機能する空気極と、負極と、電解液と、前記空気極、負極および電解液を収容する電池ケースとを備えた空気電池であって、
前記電池ケースの前記空気極側には、空気導入口が設けられ、
電池の不使用時には前記空気導入口に液体を供給し、使用時には前記液体を抜き出す機能を有する液体供給手段を備えたことを特徴とする空気電池。 An air battery comprising an air electrode that functions as a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, and a battery case that houses the air electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution,
An air inlet is provided on the air electrode side of the battery case,
An air battery comprising: a liquid supply means having a function of supplying a liquid to the air inlet when the battery is not used and extracting the liquid when the battery is used. 前記液体は、前記空気極と前記負極との間に介在する前記電解液と同一の物質であることを特徴とする請求項１に記載の空気電池。   2. The air battery according to claim 1, wherein the liquid is the same material as the electrolytic solution interposed between the air electrode and the negative electrode. 前記液体は、前記空気極と前記負極との間に介在する前記電解液の溶媒と同一の物質であることを特徴とする請求項１に記載の空気電池。   2. The air battery according to claim 1, wherein the liquid is the same substance as the solvent of the electrolytic solution interposed between the air electrode and the negative electrode. 前記空気極は、前記空気導入口側部分が撥溶媒性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the air electrode has a solvent repellency at the air inlet side portion.
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