JP2013125736A - Metal air battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal air battery from which recovery of the solid of a product material in an electrolyte can be easily performed at low cost.SOLUTION: In a metal air battery, an air electrode and a negative electrode are separated by an electrolyte separator having permeability to metal ions of a negative electrode active material, an aqueous electrolyte 2 is filled on the air electrode side of the electrolyte separator, and a nonaqueous electrolyte 5 is filled on the negative electrode side of the electrolyte separator. The metal air battery includes a heating means for making the temperature of the center axis side of a space, where a liquid corresponding to the aqueous electrolyte among an electrolyte on an outer side electrode and an electrolyte on an inner side electrode is filled, to be higher than that of the outer side.

Description

本発明は、リチウム空気電池などの金属空気電池に関する。   The present invention relates to a metal-air battery such as a lithium-air battery.

近年携帯用電子機器の小型化は急速に進んでおり、その電源も高エネルギー密度化が要求されている。正極活物質に空気中の酸素を用いる空気電池は、現在、広く使用されているリチウム二次電池と比較して高容量で、次世代電源として有望である。空気電池としては、例えば、リチウム空気電池、マグネシウム空気電池、亜鉛空気電池等の金属空気電池が知られている。   In recent years, miniaturization of portable electronic devices has been progressing rapidly, and the power source is also required to have a high energy density. An air battery using oxygen in the air as a positive electrode active material has a higher capacity than a lithium secondary battery that is currently widely used, and is promising as a next-generation power source. As an air battery, metal air batteries, such as a lithium air battery, a magnesium air battery, and a zinc air battery, are known, for example.

金属空気電池には、電極反応によって生成する固体(以下、生成物固体と称する)が空気極に蓄積し、空気極が目詰まりを起こして電解液と空気との接触が遮断され、充放電に支障をきたすという問題が生じていた。
生成物固体の析出の問題を解決する技術として、金属空気電池の電解液として水性電解液を用いることが提案されている。水性電解液を用いる金属空気電池の場合、生成物固体として金属の水酸化物が生成し、生成物固体が水溶性を有するため、水性電解液中に生成物固体を溶解させることができ、生成物固体の析出を抑制できる。
しかしながら水性電解液を用いる金属空気電池には、水性電解液中の塩の飽和溶解度を超えた場合に生成物固体が析出し、電池が失活するという問題がある。
このような電池の失活の解消を図るための技術として、例えば、特許文献1では、リチウム空気電池において、水性電解液が空気極に浸漬していない部分の温度を、空気極に浸漬している部分の温度よりも低くする温度調節手段を備えることで、水性電解液内に積極的に温度勾配を形成し、対流を発生させてイオン伝導性を向上させると共に、局所的に生成物濃度を上昇させ、望ましくない場所での生成物固体である水酸化リチウム(LiOH)の析出を抑制し、電池の失活を防止する技術が開示されている。
従来、望ましくない場所での生成物固体の析出を抑制するシステムの提案はされているが、生成物固体の析出を抑制することで、電池の寿命を延ばすことはできても、生成物固体の析出を完全に阻止することは困難である。そのため、生成物固体の析出自体を阻止するだけではなく、析出したものを除去して回収し、再利用するなどのメンテナンスの方法も重要である。
In metal-air batteries, solids generated by electrode reactions (hereinafter referred to as product solids) accumulate in the air electrode, causing the air electrode to become clogged, blocking the contact between the electrolyte and air, and charging and discharging. There was a problem of causing trouble.
As a technique for solving the problem of precipitation of product solids, it has been proposed to use an aqueous electrolyte as the electrolyte of a metal-air battery. In the case of a metal-air battery using an aqueous electrolyte, a metal hydroxide is generated as a product solid, and the product solid is water-soluble, so that the product solid can be dissolved in the aqueous electrolyte. Precipitation of physical solids can be suppressed.
However, the metal-air battery using the aqueous electrolyte has a problem that the product solid is deposited when the saturation solubility of the salt in the aqueous electrolyte is exceeded, and the battery is deactivated.
As a technique for eliminating such battery deactivation, for example, in Patent Document 1, in a lithium-air battery, the temperature of the portion where the aqueous electrolyte is not immersed in the air electrode is immersed in the air electrode. By providing a temperature control means that lowers the temperature of the portion where the water is present, a temperature gradient is positively formed in the aqueous electrolyte solution, convection is generated to improve ion conductivity, and the product concentration is locally increased. A technique for preventing the battery from being deactivated by suppressing the precipitation of lithium hydroxide (LiOH), which is a product solid in an undesired place, is disclosed.
Conventionally, a system for suppressing the precipitation of product solids in an undesired place has been proposed, but although the life of the battery can be extended by suppressing the precipitation of product solids, It is difficult to completely prevent precipitation. Therefore, not only the precipitation of the product solid itself is prevented, but also a maintenance method such as removing and recovering the deposited material and reusing it is important.

特開2011−096456号公報JP 2011-096456 A

特許文献1に開示されているような従来の金属空気電池では、温度調節手段を備えつけて水性電解液に積極的に温度勾配を形成させることで、温度差により鉛直対流を起こすことができるが、鉛直対流では乱流が生じやすく、電解液中に平均粒子径の小さな生成物固体が高分散に生成する。そのため、生成物固体の回収が困難であり、回収する際に高額設備を用いての回収工程が必要になり、回収コストが高くなるという問題がある。
本発明は、上記実情を鑑み成し遂げられたものであり、生成物固体の回収が容易で、低コストで回収できる金属空気電池を提供することを目的とする。
In the conventional metal-air battery as disclosed in Patent Document 1, the temperature adjustment means is provided to positively form a temperature gradient in the aqueous electrolyte, thereby causing vertical convection due to the temperature difference. In vertical convection, turbulent flow is likely to occur, and a product solid having a small average particle size is generated in the electrolyte in a highly dispersed manner. Therefore, it is difficult to recover the product solid, and a recovery process using expensive equipment is required for recovery, which raises a problem that the recovery cost increases.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal-air battery in which product solids can be easily recovered and can be recovered at low cost.

本発明においては、空気極と負極の間を、負極活物質の金属イオンに対し透過性を有する電解液セパレータで仕切り、当該電解液セパレータの空気極側に水性電解液を充填し、当該電解液セパレータの負極側に非水性電解液を充填した金属空気電池であって、
中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部に前記空気極及び前記負極から選ばれる外側極を配置した外装部の内部に、
前記外装部よりも径が小さい中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部が前記電解液セパレータにより形成された内装部を、当該外装部の中心軸と当該内装部の中心軸を平行にして収容し、
前記内装部の内部に、前記外側極の対極である内側極を収容し、
前記外側極の電解液を前記外装部の側面と前記内装部の側面により仕切られた空間に充填し、
前記内側極の電解液を前記内装部の内部に充填し、
前記外側極の電解液及び前記内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の、中心軸側を外側よりも高温にする加熱手段を備えた、
ことを特徴とする金属空気電池を提供する。
本発明においては、前記内側極を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。
本発明においては、前記外装部の内部に前記内装部が同軸配置されていることが好ましい。
本発明においては、前記外装部及び前記内装部は、多角柱又は円柱の形状を有していることが好ましい。
本発明においては、前記外側極を冷却する冷却手段を備えることが好ましい。
本発明においては、前記電解液セパレータは、非水性電解液に面する固体電解質膜と水性電解液に面する陽イオン交換膜を含む多層膜であることが好ましい。
本発明においては、前記内側極を前記外側極よりも高温とし、その温度差を40℃以上とすることができるものであることが好ましい。
本発明においては、前記水性電解液と接触する充電専用電極を備えることが好ましい。
本発明においては、前記水性電解液から生成する固体を回収する回収手段を備えることが好ましい。
本発明の金属空気電池は、リチウム空気電池であることが好ましい。
In the present invention, the air electrode and the negative electrode are partitioned by an electrolyte separator that is permeable to metal ions of the negative electrode active material, and the aqueous electrolyte is filled on the air electrode side of the electrolyte separator. A metal-air battery in which the negative electrode side of the separator is filled with a non-aqueous electrolyte,
Inside the exterior part having a hollow columnar shape and arranging the outer electrode selected from the air electrode and the negative electrode on at least a part of the side surface,
An interior part having a hollow columnar shape whose diameter is smaller than that of the exterior part and at least a part of the side surface of which is formed by the electrolytic separator is made parallel to the central axis of the exterior part and the central axis of the interior part. Housed,
An inner pole that is a counter electrode of the outer pole is accommodated in the interior portion,
Filling the space partitioned by the side surface of the exterior portion and the side surface of the interior portion with the electrolyte solution of the outer electrode,
Filling the interior part with the electrolyte solution of the inner electrode,
Among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode, the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte solution, provided with a heating means that makes the central axis side higher temperature than the outside,
A metal-air battery is provided.
In this invention, it is preferable to provide the heating means which heats the said inner side pole.
In this invention, it is preferable that the said interior part is coaxially arrange | positioned inside the said exterior part.
In this invention, it is preferable that the said exterior part and the said interior part have the shape of a polygonal column or a cylinder.
In this invention, it is preferable to provide a cooling means for cooling the outer electrode.
In the present invention, the electrolyte separator is preferably a multilayer film including a solid electrolyte membrane facing the non-aqueous electrolyte and a cation exchange membrane facing the aqueous electrolyte.
In the present invention, it is preferable that the inner electrode has a higher temperature than the outer electrode, and the temperature difference can be 40 ° C. or more.
In this invention, it is preferable to provide the electrode only for charge which contacts the said aqueous electrolyte solution.
In this invention, it is preferable to provide the collection | recovery means which collect | recovers the solids produced | generated from the said aqueous electrolyte solution.
The metal air battery of the present invention is preferably a lithium air battery.

本発明によれば、平均粒子径の大きな生成物固体を電池下部に沈殿させることにより、回収が容易で、低コストで回収できる金属空気電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal air battery which can be collect | recovered easily and can be collect | recovered at low cost can be provided by precipitating the product solid with a large average particle diameter to the battery lower part.

本発明の金属空気電池を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the metal air battery of this invention. 本発明の金属空気電池を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the metal air battery of this invention. 本発明の金属空気電池の水平対流発生時の状態を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the state at the time of the horizontal convection generation | occurrence | production of the metal air battery of this invention. 比較例1で使用した金属空気電池を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the metal air battery used by the comparative example 1. FIG. 実施例1で電池下部回収したLiOH粒子量の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the amount of LiOH particles collected in the battery lower part in Example 1. FIG. 実施例1と比較例1で回収したLiOH粒子径を比較したグラフである。2 is a graph comparing LiOH particle diameters recovered in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1で電池上部回収したLiOH粒子の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of LiOH particles collected in the upper part of the battery in Example 1. FIG. 実施例1で電池下部回収したLiOH粒子の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of LiOH particles collected at the bottom of the battery in Example 1. FIG. 比較例1で回収したLiOH粒子の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of LiOH particles recovered in Comparative Example 1.

本発明は、空気極と負極の間を、負極活物質の金属イオンに対し透過性を有する電解液セパレータで仕切り、当該電解液セパレータの空気極側に水性電解液を充填し、当該電解液セパレータの負極側に非水性電解液を充填した金属空気電池であって、
中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部に前記空気極及び前記負極から選ばれる外側極を配置した外装部の内部に、
前記外装部よりも径が小さい中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部が前記電解液セパレータにより形成された内装部を、当該外装部の中心軸と当該内装部の中心軸を平行にして収容し、
前記内装部の内部に、前記外側極の対極である内側極を収容し、
前記外側極の電解液を前記外装部の側面と前記内装部の側面により仕切られた空間に充填し、
前記内側極の電解液を前記内装部の内部に充填し、
前記外側極の電解液及び前記内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の、中心軸側を外側よりも高温にする加熱手段を備えた、
ことを特徴とする金属空気電池を提供する。
なお、本発明において「中心軸側」とは、空間内において外装部及び内装部の中心軸が存在する位置又は中心軸が存在する位置に最も近い位置を意味し、「外側」とは中心軸から最も遠い位置(最外縁)を意味する。
以下、本発明の構成及び実施態様について詳しく説明する。なお本発明は、図面及び実施例などにより詳しく説明されるが、本発明はこれら図面及び実施例に限定されない。
The present invention partitions an air electrode and a negative electrode with an electrolyte separator that is permeable to metal ions of the negative electrode active material, and fills the air electrode side of the electrolyte separator with an aqueous electrolyte, A metal-air battery in which a negative electrode side is filled with a non-aqueous electrolyte,
Inside the exterior part having a hollow columnar shape and arranging the outer electrode selected from the air electrode and the negative electrode on at least a part of the side surface,
An interior part having a hollow columnar shape whose diameter is smaller than that of the exterior part and at least a part of the side surface of which is formed by the electrolytic separator is made parallel to the central axis of the exterior part and the central axis of the interior part. Housed,
An inner pole that is a counter electrode of the outer pole is accommodated in the interior portion,
Filling the space partitioned by the side surface of the exterior portion and the side surface of the interior portion with the electrolyte solution of the outer electrode,
Filling the interior part with the electrolyte solution of the inner electrode,
Among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode, the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte solution, provided with a heating means that makes the central axis side higher temperature than the outside,
A metal-air battery is provided.
In the present invention, the “center axis side” means a position where the center axis of the exterior part and the interior part exists in the space or a position closest to the position where the center axis exists, and “outside” means the center axis. Means the farthest position (outermost edge).
Hereinafter, the configuration and embodiments of the present invention will be described in detail. Although the present invention will be described in detail with reference to the drawings and examples, the present invention is not limited to these drawings and examples.

図1は、本発明の金属空気電池の一例(符号101)を示す概略図である。図1に示される金属空気電池101は、中空四角柱形状を有する外装部1の内部に、外装部1よりも径が小さい中空四角柱形状を有する内装部3が、外装部1の側面と内装部3の側面が平行になるように同軸配置された構成を有する。
図1に示される金属空気電池101は、外側極に空気極、内側極に負極を用いており、符号101Aは、金属空気電池101の外装部1の内部構造を示す図である。外装部1は、側面の少なくとも一部に空気極(図示せず)が設けられており、内装部3を収容する。外装部1の側面と内装部3の側面により仕切られた空間に水性電解液2が充填されている。さらに、水性電解液2と接触し、空気極(図示せず)と接触しない位置に充電専用電極4を備える。
符号101Bは、金属空気電池101の内装部3の内部構成を示すための、内装部3の上面拡大図である。内装部3は、側面の少なくとも一部が非水性電解液5に面する固体電解質膜6と水性電解液2に面する陽イオン交換膜7からなる電解液セパレータにより形成され、内装部3の内部に非水性電解液5が充填されている。また、内装部3の内部には、負極8を中心軸に平行な方向に延伸させた形状にして収容し、負極8を加熱するシースヒーター9が負極8に沿って配線されている。
電池底部の水性電解液2が位置する部位の少なくとも一部に、生成物固体を回収するための排液管10が備えられている。
なお、図1の場合において、外側極の電解液及び内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間は、外装部1の側面と内装部3の側面により仕切られた空間に該当し、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側は、内装部3の側面の位置に該当し、水性電解液に該当する液を充填した空間の外側は、外装部1の側面の位置に該当する。
FIG. 1 is a schematic view showing an example (reference numeral 101) of the metal-air battery of the present invention. A metal-air battery 101 shown in FIG. 1 includes an interior portion 3 having a hollow quadrangular prism shape whose diameter is smaller than that of the exterior portion 1 inside the exterior portion 1 having a hollow quadrangular prism shape. It has the structure arrange | positioned coaxially so that the side surface of the part 3 may become parallel.
A metal-air battery 101 shown in FIG. 1 uses an air electrode as an outer electrode and a negative electrode as an inner electrode, and reference numeral 101A denotes an internal structure of the exterior part 1 of the metal-air battery 101. The exterior part 1 is provided with an air electrode (not shown) on at least a part of its side surface and accommodates the interior part 3. A space divided by the side surface of the exterior part 1 and the side surface of the interior part 3 is filled with the aqueous electrolyte 2. Furthermore, the electrode 4 only for charge is provided in the position which contacts the aqueous electrolyte 2, and does not contact an air electrode (not shown).
Reference numeral 101 </ b> B is an enlarged top view of the interior portion 3 for showing the internal configuration of the interior portion 3 of the metal-air battery 101. The interior portion 3 is formed by an electrolyte separator including a solid electrolyte membrane 6 facing at least a part of the side surface of the nonaqueous electrolyte solution 5 and a cation exchange membrane 7 facing the aqueous electrolyte solution 2. Is filled with a non-aqueous electrolyte solution 5. In addition, a sheath heater 9 that houses the negative electrode 8 in a shape that extends in a direction parallel to the central axis and that heats the negative electrode 8 is wired along the negative electrode 8 inside the interior portion 3.
A drainage pipe 10 for recovering the product solid is provided in at least a part of a portion where the aqueous electrolyte 2 is located at the bottom of the battery.
In the case of FIG. 1, the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolytic solution among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode is partitioned by the side surface of the exterior portion 1 and the side surface of the interior portion 3. The central axis side of the space corresponding to the space and filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte corresponds to the position of the side surface of the interior part 3, and the outside of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte is the exterior part. Corresponds to the position of 1 side.

図2は、中空円柱形状を有する外装部1の内部に、外装部1よりも径が小さい中空円柱形状を有する内装部3が、外装部1の側面と内装部3の側面が平行になるように同軸配置された構成を有する金属空気電池の一例(符号102)を示す概略図である。
図2に示される金属空気電池102は、外側極に負極、内側極に空気極を用いており、符号102Aは、金属空気電池102の外装部1の内部構造を示す図であり、外装部1は、側面の少なくとも一部に負極(図示せず)が設けられており、内装部3を収容する。外装部1の側面と内装部3の側面により仕切られた空間に非水性電解液5が充填されている。
符号102Bは、金属空気電池102の内装部3の内部構成を示すための、内装部3の上面拡大図であり、内装部3は、側面の少なくとも一部が非水性電解液5に面する固体電解質膜6と水性電解液2に面する陽イオン交換膜7からなる電解液セパレータにより形成され、空気極11を収容する。なお、空気極11は中空円柱状に加工されており、内装部3の側面と空気極11の側面が平行になるように同軸配置されている。また、内装部3の内部であって内装部3の側面と空気極11の側面により仕切られた空間に水性電解液2が充填されている。さらに、水性電解液2と接触し、空気極11と接触しない位置に充電専用電極4を備える。
金属空気電池102の外部には、空気極11に高温空気を送るための送風機12が設けられ、送風の方向を矢印13で示している。なお、空気極11に高温空気を送るための空気孔14が、空気極11に位置合わせして空気極11の中心軸に平行な方向に金属空気電池102を貫通させて設けられている。
電池底部の水性電解液2が位置する部位の少なくとも一部に、生成物固体を回収するための排液管10が備えられている。
なお、図2の場合において、外側極の電解液及び内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間は、内装部3の側面と空気極11の側面により仕切られた空間に該当し、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側は、空気極11の側面の位置に該当し、水性電解液に該当する液を充填した空間の外側は、内装部3の側面の位置に該当する。
FIG. 2 shows that the interior part 3 having a hollow cylindrical shape whose diameter is smaller than that of the exterior part 1 is arranged inside the exterior part 1 having a hollow cylindrical shape so that the side surface of the exterior part 1 and the side surface of the interior part 3 are parallel to each other. It is the schematic which shows an example (code | symbol 102) of the metal air battery which has the structure arrange | positioned coaxially.
The metal-air battery 102 shown in FIG. 2 uses a negative electrode for the outer electrode and an air electrode for the inner electrode, and reference numeral 102A is a diagram showing the internal structure of the exterior part 1 of the metal-air battery 102. Is provided with a negative electrode (not shown) on at least a part of its side surface and accommodates the interior portion 3. A non-aqueous electrolyte solution 5 is filled in a space partitioned by the side surface of the exterior portion 1 and the side surface of the interior portion 3.
Reference numeral 102 </ b> B is an enlarged top view of the interior part 3 for showing the internal configuration of the interior part 3 of the metal-air battery 102, and the interior part 3 is a solid whose at least part of the side faces the non-aqueous electrolyte 5. It is formed by an electrolyte separator composed of an electrolyte membrane 6 and a cation exchange membrane 7 facing the aqueous electrolyte solution 2 and accommodates an air electrode 11. The air electrode 11 is processed into a hollow cylindrical shape, and is coaxially arranged so that the side surface of the interior portion 3 and the side surface of the air electrode 11 are parallel to each other. In addition, a space that is inside the interior part 3 and is partitioned by the side surface of the interior part 3 and the side surface of the air electrode 11 is filled with the aqueous electrolyte 2. Furthermore, the electrode 4 only for charge is provided in the position which contacts the aqueous electrolyte 2 and does not contact the air electrode 11.
A blower 12 for sending high-temperature air to the air electrode 11 is provided outside the metal-air battery 102, and the direction of blowing is indicated by an arrow 13. An air hole 14 for sending high-temperature air to the air electrode 11 is provided so as to penetrate the metal air battery 102 in a direction parallel to the central axis of the air electrode 11 in alignment with the air electrode 11.
A drainage pipe 10 for recovering the product solid is provided in at least a part of a portion where the aqueous electrolyte 2 is located at the bottom of the battery.
In the case of FIG. 2, the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode is partitioned by the side surface of the interior part 3 and the side surface of the air electrode 11. The central axis side of the space corresponding to the space and filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte corresponds to the position of the side surface of the air electrode 11, and the outside of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte is the interior portion. This corresponds to the position of the side surface 3.

図3は、本発明の金属空気電池の水平対流発生時の状態の一例(符号103)を示す概略図である。図3に示される金属空気電池103は、外側極に空気極、内側極に負極を用いており、シースヒーターにより負極を加熱することによって、内装部3の内部に充填された非水性電解液が熱媒体となり、内装部3全体が加熱され、内装部3の側面と外装部1の側面との間に積極的に温度勾配を形成させ、水平方向の温度差が与えられることにより、水性電解液2の水平対流15が外装部1の側面と内装部3の側面に仕切られた空間内に発生する。水平対流15によって電極反応で生成した平均粒子径の小さな生成物固体16を電池上部18に分散させ、平均粒子径の大きな生成物固体17を電池下部19に沈殿させることができる。電池下部19に沈殿した平均粒子径の大きな生成物固体17は電池底部に備える排液管10から回収することができる。
ここで「水平対流」とは、流体に水平方向の温度差が与えられた場合に生ずる流体の運動であり、本発明においては、外装部の中心軸と内装部の中心軸が平行になるように外装部の内部に内装部を収容し、外側極の電解液及び内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側を軸方向に沿って均一に加熱し、当該空間の中心軸側と外側との間に、中心軸側が外側よりも高温となるような水平方向の温度差を与えた場合に生ずる、水性電解液の対流のことをいう。
すなわち、水性電解液が充填された空間内で、中心軸側に入力された熱によって、中心軸側の側面に沿って上昇液流が発生し、電池天井部で外側へ向けて、放射方向に押し出され、外側の側面での熱放出によって冷やされながら下降し、電池底部で中心軸側方向に押し戻されるという一連の流体の運動が繰り返される。この中心軸側と外側との間を巡る一連の流体の運動が水平対流である。
なお、図2に示すような外側極に負極、内側極に空気極を用いた場合は、内装部の側面と空気極の側面により仕切られた空間内に水性電解液が充填されているため、高温空気により空気極を軸方向に沿って均一に加熱し、内装部の側面と空気極の側面との間に水平方向の温度差が与えられることにより、内装部の側面と空気極の側面により仕切られた空間内に水平対流が発生する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example (reference numeral 103) of the metal-air battery of the present invention when horizontal convection occurs. The metal-air battery 103 shown in FIG. 3 uses an air electrode for the outer electrode and a negative electrode for the inner electrode. By heating the negative electrode with a sheath heater, the non-aqueous electrolyte filled in the interior portion 3 is It becomes a heat medium, the interior part 3 as a whole is heated, a temperature gradient is positively formed between the side surface of the interior part 3 and the side surface of the exterior part 1, and a temperature difference in the horizontal direction is given. Two horizontal convections 15 are generated in a space partitioned by the side surface of the exterior portion 1 and the side surface of the interior portion 3. The product solid 16 having a small average particle diameter generated by the electrode reaction by the horizontal convection 15 can be dispersed in the battery upper part 18 and the product solid 17 having a large average particle diameter can be precipitated in the battery lower part 19. The product solid 17 having a large average particle size precipitated in the battery lower part 19 can be recovered from the drain tube 10 provided at the battery bottom.
Here, “horizontal convection” is fluid movement that occurs when a horizontal temperature difference is given to the fluid. In the present invention, the central axis of the exterior part and the central axis of the interior part are parallel to each other. The interior part is housed inside the exterior part, and the central axis side of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte solution among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode is uniformly heated along the axial direction. In addition, it refers to convection of the aqueous electrolyte that occurs when a temperature difference in the horizontal direction is applied between the center axis side and the outside of the space such that the center axis side is hotter than the outside.
That is, in the space filled with the aqueous electrolyte solution, the rising liquid flow is generated along the side surface on the central axis side due to the heat input to the central axis side, and outward in the radial direction from the battery ceiling. A series of fluid movements are repeated, being pushed out, lowered while being cooled by heat release at the outer side surface, and pushed back toward the central axis side at the battery bottom. A series of fluid movements between the central axis side and the outside is horizontal convection.
In addition, when using the negative electrode for the outer electrode as shown in FIG. 2 and the air electrode for the inner electrode, the aqueous electrolyte is filled in the space partitioned by the side surface of the interior part and the side surface of the air electrode, The air electrode is heated uniformly along the axial direction by the high-temperature air, and a horizontal temperature difference is given between the side surface of the interior part and the side surface of the air electrode, so that the side surface of the interior part and the side surface of the air electrode Horizontal convection occurs in the partitioned space.

本発明の金属空気電池は、外側極に空気極を選択した場合は、内側極に負極を選択し、外側極に負極を選択した場合は、内側極に空気極を選択することができる。本発明においては、外装部外側の方が内装部内側よりも空気を取り入れやすく、また、負極に用いる金属を水分や二酸化炭素等から保護する観点から、外側極に空気極、内側極に負極を選択することが好ましい。
なお、内側極に空気極を選択する場合の金属空気電池の構造は、空気極に空気を送ることができる構造であれば特に限定されないが、空気極を軸方向に沿って均一に加熱する観点から、図2に示すように、空気極自体を中空柱状に加工し、内装部の側面と空気極の側面が平行になるように空気極を配置し、空気極に空気を送るための空気孔を、空気極に位置合わせして空気極の中心軸に平行な方向に金属空気電池を貫通させて設けた構造が好ましい。
本発明の金属空気電池は、少なくとも外装部の内部に内装部が外装部の中心軸と内装部の中心軸が平行になるように収容されていればよいが、従来技術より平均粒子径が大きく、大きさの揃った生成物固体を回収する観点から、外装部の内部に内装部が同軸配置されていることがより好ましい。
本発明の金属空気電池の外装部および内装部の形状は、少なくとも中空柱状であればよいが、多角柱または円柱の形状を有していることが好ましく、生成物固体の形状を球形にでき、回収がより容易になることから、円柱形状であることが特に好ましい。
In the metal-air battery of the present invention, when the air electrode is selected as the outer electrode, the negative electrode is selected as the inner electrode, and when the negative electrode is selected as the outer electrode, the air electrode can be selected as the inner electrode. In the present invention, the outside of the exterior part is easier to take in air than the inside of the interior part, and from the viewpoint of protecting the metal used for the negative electrode from moisture, carbon dioxide, etc., the air electrode on the outer electrode and the negative electrode on the inner electrode It is preferable to select.
The structure of the metal-air battery when the air electrode is selected as the inner electrode is not particularly limited as long as air can be sent to the air electrode, but the viewpoint of uniformly heating the air electrode along the axial direction is not limited. 2, the air electrode itself is processed into a hollow column shape, the air electrode is arranged so that the side surface of the interior part and the side surface of the air electrode are parallel, and the air hole for sending air to the air electrode A structure in which the metal-air battery is passed through in a direction parallel to the central axis of the air electrode while being aligned with the air electrode is preferable.
In the metal-air battery of the present invention, it is sufficient that the interior part is accommodated at least inside the exterior part so that the central axis of the exterior part and the central axis of the interior part are parallel to each other. From the viewpoint of recovering the product solids having the same size, it is more preferable that the interior portion is coaxially arranged inside the exterior portion.
The shape of the exterior part and interior part of the metal-air battery of the present invention may be at least a hollow columnar shape, but preferably has a polygonal columnar or cylindrical shape, and the shape of the product solid can be spherical, A cylindrical shape is particularly preferable because recovery becomes easier.

本発明の金属空気電池は、外側極の電解液及び内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側を外側よりも高温とし、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側と外側との間に温度差を生じさせることができるものであればよいが、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側と外側との間の温度差は、生成物固体の回収量の観点から40℃以上であることが好ましい。
また、温度差をつけるのは、放電中の時が好ましい。
The metal-air battery of the present invention corresponds to the aqueous electrolyte solution by setting the central axis side of the space filled with the solution corresponding to the aqueous electrolyte solution out of the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode to a temperature higher than the outside. Any device capable of causing a temperature difference between the central axis side and the outside of the space filled with the liquid may be used, but between the central axis side and the outside of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte solution. The temperature difference is preferably 40 ° C. or more from the viewpoint of the amount of product solid recovered.
The temperature difference is preferably during discharging.

本発明者は、水平対流を発生させることによって、生成物固体の高分散化を抑制し、従来の生成物固体より平均粒子径が大きく、大きさの揃った生成物固体を電池下部に沈殿させて集めることができることを見出した。本発明により生成物固体の回収が容易になり、生成物固体を低コストで回収することができる。
ここで「低コストで回収」とは、生成物固体を再利用するための、回収時に必要な濃縮機や固体化装置等の高額設備を用いての回収工程が不要になる又は装置構成を簡素化できることであり、特に好ましくは造粒→乾燥→分級の工程が不要とすることができることをいう。本発明においては、電池下部に平均粒子径の大きな生成物固体を沈殿させて集めることで沈殿が容易となり、理想的には造粒工程が不要になり、大きさの揃った生成物固体が得られることから分級工程も不要になるため、高額設備を用いなくても回収が可能になり、回収コストを低減することができる。
なお、平均粒子径は回収のし易さの観点から、1μm以上であることが好ましい。
また、本発明における「粒子径」とは、電子顕微鏡下で粒子の長径と短径を測定したときの、測定した長径と短径の平均値を意味し、「平均粒子径」とは、粒子群から任意に選んだ各粒子の粒子径の平均値を意味する。
The present inventor suppresses the high dispersion of the product solid by generating horizontal convection, and precipitates the product solid having a larger average particle diameter and a larger size than the conventional product solid at the bottom of the battery. And found that it can be collected. According to the present invention, the recovery of the product solid is facilitated, and the product solid can be recovered at a low cost.
Here, “recovery at a low cost” means that a recovery process using expensive equipment such as a concentrator and a solidifying device, which is necessary at the time of recovery, is not required for reusing product solids, or the device configuration is simplified. Particularly preferably, the step of granulation → drying → classification can be made unnecessary. In the present invention, by precipitating and collecting product solids having a large average particle size at the bottom of the battery, precipitation is facilitated, ideally no granulation step is required, and product solids with uniform sizes are obtained. As a result, the classification step is not necessary, so that collection is possible without using expensive equipment, and the collection cost can be reduced.
In addition, it is preferable that an average particle diameter is 1 micrometer or more from a viewpoint of the ease of collection | recovery.
Further, the “particle diameter” in the present invention means the average value of the measured major axis and minor axis when the major axis and minor axis of the particle are measured under an electron microscope, and the “average particle diameter” It means the average value of the particle diameter of each particle arbitrarily selected from the group.

以下本発明の金属空気電池の材料について説明する。   Hereinafter, the material of the metal-air battery of the present invention will be described.

(空気極)
空気極は、少なくとも導電性材料を含む空気極層を有するものであり、通常、これに加えて空気極集電体、及び当該空気極集電体に接続された空気極リードを有するものである。空気極層では、供給された酸素(活物質)と金属イオンが反応し、金属酸化物や金属水酸化物が生成する。
(Air electrode)
The air electrode has an air electrode layer containing at least a conductive material, and usually has an air electrode current collector and an air electrode lead connected to the air electrode current collector. . In the air electrode layer, the supplied oxygen (active material) and metal ions react to generate metal oxide or metal hydroxide.

前記導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば導電性炭素材料等を挙げることができる。導電性炭素材料としては特に限定されないが、金属酸化物や金属水酸化物が生成する反応場の面積や空間の観点から、高比表面積を有する炭素材料が好ましい。
具体的には、導電性炭素材料は10m/g以上、特に100m/g以上、さらに600m/g以上の比表面積を有することが好ましい。ここで、導電性材料の比表面積は、例えばBET法によって測定することができる。導電性材料の添加量は空気極層中に10重量%〜99重量%の範囲であることが好ましい。
高比表面積を有する導電性炭素材料としては、具体的にはグラファイト、ケッチェンブラック((登録商標)、KB)、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。
The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a conductive carbon material. Although it does not specifically limit as a conductive carbon material, From the viewpoint of the area and space of the reaction field which a metal oxide and a metal hydroxide produce | generate, the carbon material which has a high specific surface area is preferable.
Specifically, the conductive carbon material preferably has a specific surface area of 10 m 2 / g or more, particularly 100 m 2 / g or more, and more preferably 600 m 2 / g or more. Here, the specific surface area of the conductive material can be measured by, for example, the BET method. The addition amount of the conductive material is preferably in the range of 10% by weight to 99% by weight in the air electrode layer.
Specific examples of the conductive carbon material having a high specific surface area include graphite, ketjen black (registered trademark, KB), acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber.

また、前記導電性材料は、触媒を担持したものであっても良い。
前記触媒としては、例えば、コバルトフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、スズフタロシアニンオキサイド、チタンフタロシアニン、ジリチウムフタロシアニン等のフタロシアニン系化合物;コバルトナフトシアニン等のナフトシアニン系化合物;鉄ポルフィリン等のポリフィリン系化合物;MnO、La0.8Sr0.2CoO、CeO、Co、NiO、V、Fe、ZnO、CuO、LiMnO、LiMnO、LiMn、LiTi12、LiTiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiVO、LiFeO、LiFeO、LiCrO、LiCoO、LiCuO、LiZnO、LiMoO、LiNbO、LiTaO、LiWO、LiZrO、NaMnO、CaMnO、CaFeO、MgTiO、KMnO等の金属酸化物;Au、Pt、Ag等の貴金属;これらの複合物等が挙げられる。空気極層において、空気極触媒の含有量は、例えば、1重量%〜90重量%の範囲であることが好ましい。
The conductive material may carry a catalyst.
Examples of the catalyst include cobalt phthalocyanine, manganese phthalocyanine, nickel phthalocyanine, tin phthalocyanine oxide, titanium phthalocyanine, and dilithium phthalocyanine; naphthocyanine compounds such as cobalt naphthocyanine; and porphyrin compounds such as iron porphyrin; MnO 2, La 0.8 Sr 0.2 CoO 3, CeO 2, Co 3 O 4, NiO, V 2 O 5, Fe 2 O 3, ZnO, CuO, LiMnO 2, Li 2 MnO 3, LiMn 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12, Li 2 TiO 3, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiNiO 2, LiVO 3, Li 5 FeO 4, LiFeO 2, LiCrO 2, LiCoO 2, LiCuO 2 , L ZnO 2, Li 2 MoO 4, LiNbO 3, LiTaO 3, Li 2 WO 4, Li 2 ZrO 3, NaMnO 2, CaMnO 3, CaFeO 3, MgTiO 3, KMnO metal oxides such as 2; Au, Pt, Ag, etc. Noble metals; composites of these, and the like. In the air electrode layer, the content of the air electrode catalyst is preferably in the range of 1% by weight to 90% by weight, for example.

前記空気極層は、導電性材料を固定化する結着剤を含有することが好ましい。前記結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)等を挙げることができる。前記空気極層に含まれる結着剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば、1〜40重量%であることが好ましく、特に10〜30重量%であることが好ましい。結着材含有量が、10重量%以上であることによって、空気極層の成形が容易になる。一方、結着材含有量が、30重量%以下であることによって、空気極の反応場を減少させることなく、所望の反応を効率よく進行させることができる。   The air electrode layer preferably contains a binder that fixes the conductive material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene-butadiene rubber (SBR). Although it does not specifically limit as content of the binder contained in the said air electrode layer, For example, it is preferable that it is 1 to 40 weight%, and it is especially preferable that it is 10 to 30 weight%. When the binder content is 10% by weight or more, the air electrode layer can be easily formed. On the other hand, when the binder content is 30% by weight or less, a desired reaction can be efficiently advanced without reducing the reaction field of the air electrode.

空気極層の調製方法はスラリー法等が挙げられる。空気極層をスラリー法で調製する場合は、溶媒には沸点200℃以下の溶媒、例えば、アセトン、エタノール、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。スラリーの塗布方法は、ドクターブレード法、インクジェット法等が挙げられる。スラリーを集電体又はキャリアフィルムに塗布した後、乾燥させ、圧延、切断することで、空気極層を成形することができる。集電体として、多孔性金属を用いる場合にはスラリーを塗布することによって、空気極層の一部を集電体に浸透させることができる。また、スラリーを粘土状に調整した電極組成物を乾燥、圧延してフィルム状としたものを集電体に圧着する方法でもよい。空気極層の厚さは、空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2〜500μmの範囲内、特に5〜300μmの範囲内であることが好ましい。   Examples of the method for preparing the air electrode layer include a slurry method. When the air electrode layer is prepared by a slurry method, examples of the solvent include solvents having a boiling point of 200 ° C. or lower, such as acetone, ethanol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the like. Examples of the slurry application method include a doctor blade method and an ink jet method. After applying the slurry to the current collector or carrier film, the air electrode layer can be formed by drying, rolling and cutting. When a porous metal is used as the current collector, a part of the air electrode layer can be infiltrated into the current collector by applying a slurry. Moreover, the method of crimping | bonding to the collector the thing which dried and rolled the electrode composition which adjusted the slurry to the clay form to the film form may be sufficient. The thickness of the air electrode layer varies depending on the use of the air battery, but is preferably in the range of 2 to 500 μm, particularly in the range of 5 to 300 μm.

前記空気極集電体としては、リチウム空気電池の動作範囲(2〜4.5V(vsリチウム))で安定して存在でき、所望の電子伝導性を有していれば、多孔質構造を有するものであっても、或いは緻密構造を有するものであってもよいが、空気(酸素)の拡散性の観点から、多孔質構造を有するものが好ましい。多孔質構造としては、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、構成繊維がランダムに配列された不織布構造、独立孔や連結孔を有する三次元網目構造等が挙げられる。多孔質構造を有する集電体の気孔率は特に限定されないが、例えば、20〜99%の範囲であることが好ましい。   The air electrode current collector has a porous structure as long as it can exist stably in the operating range of lithium-air battery (2 to 4.5 V (vs lithium)) and has a desired electronic conductivity. However, from the viewpoint of diffusibility of air (oxygen), those having a porous structure are preferable. Examples of the porous structure include a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which constituent fibers are randomly arranged, and a three-dimensional network structure having independent holes and connecting holes. The porosity of the current collector having a porous structure is not particularly limited, but is preferably in the range of 20 to 99%, for example.

前記空気極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅等の金属材料、カーボンファイバー、カーボンペーパー等のカーボン材料、窒化チタン等の高電子伝導性セラミックス材料等が挙げられる。カーボン材料を用いた集電体は、耐腐食性が高く、空気極における放電反応により強アルカリ性の金属酸化物が生成した場合に、集電体が溶出するのを抑制し、これに起因する電池特性の低下を抑えることができるというメリットを有している。好ましい具体的な空気極集電体としては、カーボンペーパー、金属メッシュが挙げられる。空気極集電体の厚さは、セルの拘束時に集電体自体が湾曲しない厚みであれば特に限定されないが、例えば、10〜1000μm、特に20〜400μmであることが好ましい。また、本発明においては、後述する保護ケースが空気極集電体としての機能を兼ね備えていてもよい。   Examples of the material of the air electrode current collector include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and copper, carbon materials such as carbon fiber and carbon paper, and high electron conductive ceramic materials such as titanium nitride. Is mentioned. A current collector using a carbon material has high corrosion resistance, and when a strong alkaline metal oxide is generated by a discharge reaction at the air electrode, the current collector is prevented from eluting, and the battery resulting therefrom It has the merit that deterioration of characteristics can be suppressed. Preferred specific air electrode current collectors include carbon paper and metal mesh. The thickness of the air electrode current collector is not particularly limited as long as the current collector itself is not curved when the cell is constrained, but is preferably 10 to 1000 μm, particularly preferably 20 to 400 μm, for example. Moreover, in this invention, the protective case mentioned later may have the function as an air electrode electrical power collector.

(負極)
負極は、少なくとも負極活物質を含有する負極層を有するものであり、通常、これに加えて負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを有するものである。負極層では、空気極での反応に対応して金属イオンの吸蔵・放出が行われる。
(Negative electrode)
The negative electrode has a negative electrode layer containing at least a negative electrode active material. In general, the negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode lead connected to the negative electrode current collector. In the negative electrode layer, metal ions are occluded / released in response to the reaction at the air electrode.

前記負極活物質としては、金属イオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではない。前記金属イオンとしては、空気極と負極との間を移動し、起電力を生じさせるものであれば特に限定されるものではないが、具体的にはリチウムイオン、ナトリウムイオン、アルミニウムイオン、マグネシウムイオン、セシウムイオン等を挙げることができ、中でもリチウムイオンが好ましい。   The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release metal ions. The metal ion is not particularly limited as long as it moves between the air electrode and the negative electrode to generate an electromotive force. Specifically, lithium ion, sodium ion, aluminum ion, magnesium ion , Cesium ions, etc., among which lithium ions are preferred.

負極活物質としては、具体的には、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属;マグネシウム、カルシウム等の第2族元素;アルミニウム等の第13族元素;亜鉛、鉄等の遷移金属;銀等の貴金属;又は、これらの金属を含有する合金材料や化合物を例示することができる。
リチウム空気電池の負極活物質としては、リチウム元素を有するものであれば特に限定されるものではなく、一般的なリチウムイオン電池に用いられる負極活物質と同様のものを用いることができる。具体的には、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物等を挙げることができ、中でも高容量化の観点から金属リチウムがより好ましい。
Specific examples of the negative electrode active material include alkali metals such as lithium, sodium, and potassium; group 2 elements such as magnesium and calcium; group 13 elements such as aluminum; transition metals such as zinc and iron; Examples include noble metals; or alloy materials and compounds containing these metals.
The negative electrode active material of the lithium-air battery is not particularly limited as long as it has a lithium element, and the same negative electrode active material used in a general lithium ion battery can be used. Specifically, lithium metal, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, metal nitride, and the like can be given. Among them, metal lithium is more preferable from the viewpoint of increasing the capacity.

本発明において、前記負極層は、少なくとも負極活物質を含有していれば良いが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着剤を含有していても良い。結着剤の種類、使用量等については、上述した空気極に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。   In the present invention, the negative electrode layer may contain at least a negative electrode active material, but may contain a binder for immobilizing the negative electrode active material, if necessary. About the kind of binder, usage-amount, etc., since it is the same as that of the content described in the air electrode mentioned above, description here is abbreviate | omitted.

前記負極集電体の材料としては、リチウム空気電池の動作範囲(2〜4.5V(vsリチウム))で安定して存在でき、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。前記負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ状等を挙げることができる。負極集電体の厚さは、セルの拘束時に集電体自体が湾曲しない厚みであれば特に限定されないが、例えば、10〜1000μm、特に20〜400μmであることが好ましい。また、後述する保護ケースが負極集電体としての機能を兼ね備えていてもよい。   The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can stably exist in the operating range (2 to 4.5 V (vs lithium)) of a lithium-air battery and has conductivity. For example, copper, stainless steel, nickel, etc. can be mentioned. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh shape. The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as the current collector itself is not curved when the cell is constrained, and is preferably 10 to 1000 μm, particularly preferably 20 to 400 μm, for example. Further, a protective case described later may also have a function as a negative electrode current collector.

(電解液)
本発明における電解液は、外側極側にある外装部の側面と内装部の側面により仕切られた空間と、内側極側にある内装部の内部に、それぞれ充填して用いることができる。
本発明においては、空気極側に水性電解液を、負極側に非水性電解液を、それぞれ用いることができる。
水性電解液は、支持電解質塩及び水を含有する。支持電解質塩は、水に対して溶解性を有し、所望のイオン伝導性を発現するものであれば特に限定されない。通常、伝導させたい金属イオンを含む水酸化物又は金属塩を用いることができる。例えば、リチウム空気電池の場合、例えば、水酸化リチウム(LiOH)又はLiCl、LiNO、LiSO、CHCOOLi等のリチウム塩またはこれらの混合物を用いることができる。
(Electrolyte)
The electrolytic solution in the present invention can be used by filling the space partitioned by the side surface of the exterior part on the outer electrode side and the side surface of the interior part, and the interior of the interior part on the inner electrode side.
In the present invention, an aqueous electrolyte can be used on the air electrode side, and a non-aqueous electrolyte can be used on the negative electrode side.
The aqueous electrolytic solution contains a supporting electrolyte salt and water. The supporting electrolyte salt is not particularly limited as long as it has solubility in water and expresses desired ionic conductivity. Usually, a hydroxide or a metal salt containing a metal ion to be conducted can be used. For example, in the case of a lithium-air battery, for example, lithium hydroxide (LiOH) or a lithium salt such as LiCl, LiNO 3 , Li 2 SO 4 , CH 3 COOLi, or a mixture thereof can be used.

非水性電解液としては、イオン液体ベース電解液、有機電解液等を用いることができる。
イオン液体ベース電解液は、イオン性液体及び支持電解質塩を含有する。
イオン性液体としては、例えば、N,N,N−トリエチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 TMPA−TFSA)、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 PP13−TFSA)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 P13−TFSA)、N−メチル−N−ブチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 P14−TFSA)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 DEME−TFSA)等の脂肪族4級アンモニウム塩や、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(略称 EMIBF)、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 EMITFSA)、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムブロマイド(略称 AEImBr)、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート(略称 AEImBF)、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 AEImTFSA)、1,3−ジアリルイミダゾリウムブロマイド(略称 AAImBr)、1,3−ジアリルイミダゾリウムテトラフルオロボラート(略称 AAImBF)、1,3−ジアリルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(略称 AAImTFSA)等のアルキルイミダゾリウム4級塩等が挙げられる。
As the non-aqueous electrolytic solution, an ionic liquid-based electrolytic solution, an organic electrolytic solution, or the like can be used.
The ionic liquid base electrolyte contains an ionic liquid and a supporting electrolyte salt.
Examples of the ionic liquid include N, N, N-triethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation TMPA-TFSA), N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl). Amide (abbreviation PP13-TFSA), N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation P13-TFSA), N-methyl-N-butylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide ( Abbreviation P14-TFSA), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation DEME-TFSA) and the like, and 1- Methyl-3-ethylimida Tetrafluoroborate (abbreviation EMIBF 4), 1-methyl-3-ethyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation EMITFSA), 1- allyl-3-ethyl imidazolium bromide (abbreviated AEImBr), 1- allyl - 3-ethylimidazolium tetrafluoroborate (abbreviation AEImBF 4 ), 1-allyl-3-ethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation AEImTFSA), 1,3-diallylimidazolium bromide (abbreviation AAImBr), 1 , 3-diallyl tetrafluoroborate (abbreviation AAImBF 4), 1,3- diallyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviation AAImTFSA) Arukiruimi such Zoriumu quaternary salts.

有機電解液は、非水溶媒及び支持電解質塩を含有する。
非水溶媒としては、特に限定されず、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート、イソプロピオメチルカーボネート、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸メチル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、アセトニトリル(AcN)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジエトキシエタン、ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)等が挙げられる。
The organic electrolytic solution contains a nonaqueous solvent and a supporting electrolyte salt.
The non-aqueous solvent is not particularly limited. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate. , Isopropiomethyl carbonate, ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone, ethyl acetate, methyl acetate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, acetonitrile (AcN), dimethyl sulfoxide (DMSO) , Diethoxyethane, dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), etc. .

支持電解質塩は、イオン性液体または非水溶媒に対して溶解性を有し、所望の金属イオン伝導性を発現するものであればよい。通常、伝導させたい金属イオンを含む金属塩を用いることができる。例えば、リチウム空気電池の場合、支持電解質塩として水酸化リチウム(LiOH)又はリチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCl、LiNO、LiSO等の無機リチウム塩が挙げられる。また、CHCOLi、リチウムビスオキサレートボレート(略称 LiBOB)、LiN(CFSO(略称 LiTFSA)、LiN(CSO(略称 LiBETA)等の有機リチウム塩を用いることもできる。
イオン液体ベース電解液または有機電解液において、イオン性液体または非水溶媒に対する支持電解質塩の含有量は、特に限定されないが、イオン液体ベース電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.1〜3mol/Lの範囲内である。
The supporting electrolyte salt only needs to be soluble in an ionic liquid or a non-aqueous solvent and express desired metal ion conductivity. Usually, a metal salt containing a metal ion to be conducted can be used. For example, in the case of a lithium air battery, lithium hydroxide (LiOH) or a lithium salt can be used as the supporting electrolyte salt. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCl, LiNO 3 , and Li 2 SO 4 . In addition, an organic lithium salt such as CH 3 CO 2 Li, lithium bisoxalate borate (abbreviation LiBOB), LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (abbreviation LiTFSA), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (abbreviation LiBETA) Can also be used.
In the ionic liquid-based electrolytic solution or the organic electrolytic solution, the content of the supporting electrolyte salt with respect to the ionic liquid or the nonaqueous solvent is not particularly limited, but the concentration of the lithium salt in the ionic liquid-based electrolytic solution is, for example, 0.1 to 3 mol. Within the range of / L.

(内装部)
内装部は、通常、側面の少なくとも一部が電解液セパレータにより形成される。
前記内装部の前記電解液セパレータ以外の部分としては、空気極と負極とを分離し、電解液を貯蔵する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;アクリル樹脂等の樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布;およびリチウムポリマー電池に使用されているポリマー材料等を挙げることができる。
前記電解液セパレータは、非水性電解液に面する固体電解質膜と水性電解液に面する陽イオン交換膜からなる多層膜である。なお、陽イオン交換膜は、水性電解液から固体電解質膜を保護するために設けられるものである。
前記固体電解質膜としては、耐アルカリ性を有するものであることが好ましいが、特に限定されず、例えば、無機固体電解質、ポリマー電解質、ゲル状電解質等が挙げられる。尚、無機固体電解質としては、ガラス、結晶、ガラスセラミックスのいずれでもよい。
具体的な無機固体電解質は、伝導金属イオンに応じて適宜選択すればよい。例えば、リチウム空気電池の場合、NASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物等を挙げることができる。
NASICON型酸化物としては、例えば、一般式Li1+XAlGe2−X(PO(0≦x≦1)、Li1+yAlTi2−y(PO(0≦y≦1)で表されるもの等が挙げられ、(株)オハラ製のLATPを用いてもよい。
また、LISICON型酸化物としては、(株)オハラ製のLISICON等が挙げられる。
(Interior part)
As for an interior part, at least one part of a side surface is normally formed of an electrolyte separator.
The part other than the electrolyte separator of the interior part is not particularly limited as long as it has a function of separating the air electrode and the negative electrode and storing the electrolyte, but for example, polyethylene, polypropylene, etc. Examples thereof include porous membranes; non-woven fabrics such as acrylic resins, non-woven fabrics such as glass fiber non-woven fabrics; and polymer materials used in lithium polymer batteries.
The electrolyte separator is a multilayer film composed of a solid electrolyte membrane facing a non-aqueous electrolyte and a cation exchange membrane facing an aqueous electrolyte. The cation exchange membrane is provided to protect the solid electrolyte membrane from the aqueous electrolyte.
The solid electrolyte membrane is preferably one having alkali resistance, but is not particularly limited, and examples thereof include inorganic solid electrolytes, polymer electrolytes, and gel electrolytes. The inorganic solid electrolyte may be glass, crystal, or glass ceramic.
What is necessary is just to select a specific inorganic solid electrolyte suitably according to a conductive metal ion. For example, in the case of a lithium air battery, a NASICON type oxide, a perovskite type oxide, a LISICON type oxide, a garnet type oxide, etc. can be mentioned.
As the NASICON type oxide, for example, the general formula Li 1 + X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 1), Li 1 + y Al y Ti 2-y (PO 4 ) 3 (0 ≦ y ≦ 1) and the like, and LATP manufactured by OHARA INC. May be used.
Examples of the LISICON-type oxide include LISICON manufactured by OHARA INC.

前記陽イオン交換膜としては、電解液を貯蔵する機能を有し、負極活物質の金属イオンに対し透過性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、陽イオン交換樹脂、陽イオン交換繊維からなる不織布等を挙げることができる。
前記陽イオン交換樹脂としては、例えば、三菱化学(株)製Diaion(登録商標)SK104等が挙げられる。
前記陽イオン交換繊維からなる不織布としては、(株)ニチビ製IEF−SC等が挙げられる。
The cation exchange membrane is not particularly limited as long as it has a function of storing an electrolytic solution and is permeable to metal ions of the negative electrode active material. For example, a cation exchange resin, Nonwoven fabrics made of cation exchange fibers can be mentioned.
Examples of the cation exchange resin include Diaion (registered trademark) SK104 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation.
Examples of the non-woven fabric made of the cation exchange fiber include Nichibi IEF-SC.

(外装部)
外装部は、通常、側面の少なくとも一部に外側極が設けられている。
外装部の外側極以外の部分としては、電解液を貯蔵する機能を有するものであれば特に限定されず、内装部の電解液セパレータ以外の部分として用いられるものと同様のものを挙げることができる。
(Exterior part)
The exterior part is usually provided with an outer pole on at least a part of the side surface.
The part other than the outer electrode of the exterior part is not particularly limited as long as it has a function of storing an electrolyte solution, and the same part as that used as a part other than the electrolyte separator of the interior part can be exemplified. .

(保護ケース)
本発明の金属空気電池は、必要であれば、外側極を保護する保護ケースを有していても良い。外側極に負極を選択する場合は、負極に用いる金属を空気中の水、二酸化炭素等から保護する観点から、保護ケースを有していることが好ましい。なお、保護ケースを有しない場合は、液漏れ等の防止のため、外装部をゴム及びテフロン(登録商標)テープ等で封止してもよい。
保護ケースの形状は、外側極を保護することができる形状であれば特に限定されない。
保護ケースとしては、水、二酸化炭素等を遮断できるものであれば特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂等の樹脂ケース等を挙げる事ができる。
(Protective case)
If necessary, the metal-air battery of the present invention may have a protective case for protecting the outer electrode. When the negative electrode is selected as the outer electrode, it is preferable to have a protective case from the viewpoint of protecting the metal used for the negative electrode from water in the air, carbon dioxide, and the like. If the protective case is not provided, the exterior portion may be sealed with rubber, Teflon (registered trademark) tape or the like in order to prevent liquid leakage.
The shape of the protective case is not particularly limited as long as it can protect the outer electrode.
The protective case is not particularly limited as long as it can block water, carbon dioxide and the like, and examples thereof include a resin case such as an acrylic resin.

(加熱手段)
内側極を加熱する手段としては、外側極の電解液及び内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側を外側よりも高温にすることができる加熱手段であれば特に限定されないが、安定な水平対流を起こす観点から、水性電解液に該当する液を充填した空間の中心軸側を軸方向に沿って均一に加熱することができる加熱手段であることが好ましい。
内側極に負極を選択する場合は、負極を加熱することができる加熱手段であれば特に限定されないが、負極を軸方向に沿って均一に加熱することができる加熱手段であることが好ましく、例えば、シースヒーター、プラグヒーター等を挙げる事ができる。
内側極に空気極を選択する場合は、空気極を加熱することができる加熱手段であれば特に限定されないが、空気極を軸方向に沿って均一に加熱することができる加熱手段であることが好ましく、例えば、高温空気を送風する送風機、空気調和用熱交換器等を挙げる事ができる。
また、本発明の金属空気電池は、必要であれば、水性電解液に該当する液を充填した空間の外側を冷却する冷却手段を備えていてもよい。
冷却手段は、水性電解液に該当する液を充填した空間の外側を冷却することができる冷却手段であれば特に限定されないが、安定な水平対流を起こす観点から、水性電解液に該当する液を充填した空間の外側を軸方向に沿って均一に冷却することができる冷却手段であることが好ましい。
なお、外側極を冷却する場合は、外側極を冷却することができる冷却手段であれば特に限定されないが、外側極を軸方向に沿って均一に冷却することができる冷却手段であることが好ましい。
冷却手段としては、例えば、冷却ジャケット、冷風を送風する送風機、ペルチェ冷却ユニット等を挙げる事ができる。
(Heating means)
As a means for heating the inner pole, a heating means capable of making the central axis side of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte out of the outer pole electrolyte and the inner pole electrolyte higher than the outside. If it is not particularly limited, from the viewpoint of causing stable horizontal convection, it is a heating means capable of uniformly heating the central axis side of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte along the axial direction. Is preferred.
When the negative electrode is selected as the inner electrode, it is not particularly limited as long as it is a heating unit that can heat the negative electrode, but is preferably a heating unit that can uniformly heat the negative electrode along the axial direction. , Sheath heater, plug heater and the like.
When the air electrode is selected as the inner electrode, it is not particularly limited as long as it is a heating means that can heat the air electrode, but it may be a heating means that can uniformly heat the air electrode along the axial direction. Preferably, for example, a blower that blows high-temperature air, a heat exchanger for air conditioning, and the like can be given.
Moreover, the metal-air battery of this invention may be provided with the cooling means which cools the outer side of the space filled with the liquid applicable to aqueous electrolyte solution, if necessary.
The cooling means is not particularly limited as long as it is a cooling means capable of cooling the outside of the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte, but from the viewpoint of causing stable horizontal convection, the liquid corresponding to the aqueous electrolyte is It is preferable that the cooling means can uniformly cool the outside of the filled space along the axial direction.
In addition, when cooling an outer pole, if it is a cooling means which can cool an outer pole, it will not specifically limit, However, It is preferable that it is a cooling means which can cool an outer pole uniformly along an axial direction. .
Examples of the cooling means include a cooling jacket, a blower that blows cold air, and a Peltier cooling unit.

(充電専用電極)
本発明における充電専用電極は、空気極に用いられる炭素の酸化を避けるために、充電時に空気極のかわりに使用するものである。
充電専用電極は、空気極の酸化を防止する観点から、水性電解液と接触する位置であって、空気極と接触しない位置に設けることが好ましい。
充電専用電極としては、導電性を有するものであれば特に限定されないが、例えばチタン、銀、鉄、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。
(Charge-only electrode)
The charge-only electrode in the present invention is used in place of the air electrode during charging in order to avoid oxidation of carbon used in the air electrode.
From the viewpoint of preventing oxidation of the air electrode, the charge-dedicated electrode is preferably provided at a position in contact with the aqueous electrolyte and not in contact with the air electrode.
Although it will not specifically limit as long as it has electroconductivity as an electrode for charge, For example, titanium, silver, iron, nickel, aluminum etc. are mentioned.

(回収手段)
回収手段としては、水性電解液から生成した生成物固体を回収できる手段であれば特に限定されないが、例えば、必要に応じて開閉可能な排液管を電池底部に設ける手段、強制循環濃縮手段等を挙げる事ができる。
(Recovery means)
The recovery means is not particularly limited as long as it is a means capable of recovering the product solid produced from the aqueous electrolyte solution. For example, a means for providing a drainage pipe that can be opened and closed as necessary at the bottom of the battery, a forced circulation concentration means, etc. Can be mentioned.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)外側空気極内側負極型同軸配置四角柱形状空気電池
内装部(12×12×50mm)、外装部(25×25×50mm)の骨格はアクリル樹脂を、空気極集電体はNiメッシュを用いた。なお外装部はゴムおよびテフロンテープにて封止した。
負極はLi箔を長方形(50×5×0.2mm)に加工し、表面を研磨して作製した。
空気極側の水性電解液は、LiOH・HO固体(Aldrich、99%)を超純水(18.2MΩcm)で溶解させ、11mol/Lの濃度に調製した。
負極側の非水性電解液としてイオン液体ベース電解液を使用し、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム(DEME)にLiN(CFSO(LITFSA)を添加し、0.32mol/kgに調製した。
空気極は炭素材KB(ケッチェンブラック・インターナショナル製、ECP600JD):結着剤ポリフッ化ビニリデン(PVDF)=90:10(重量比)をアセトンと混練したスラリーをカーボンペーパー(東レ(株)製、EC−TP−120T、厚さ370μm)に塗布して作製した。
空気極スラリー乾燥条件は、大気中80℃、1時間であった。目付け量は6mg/cmとなるように調製した。
空気極は外装部の四側面全体を覆うように配置した。
負極はLi箔(50×5×0.2mm、純度99.99%)をNi集電体(50メッシュ、(株)ニラコ製)に貼り付けたものを用いた。参照極にはAg/AgCl市販電極を用い、水性電解液に挿入した。
電解液セパレータとして、固体電解質にはLATP((株)オハラ製、厚さ159μm、1.0×10−4S/cm)を、陽イオン交換膜にはDiaion(登録商標)SK104(三菱化学(株)製)(50μm)を用いた。
(Example 1) Outer air electrode inner negative electrode type coaxially arranged square columnar air battery The skeleton of the interior part (12 × 12 × 50 mm 3 ) and the exterior part (25 × 25 × 50 mm 3 ) is made of acrylic resin, and the air electrode current collector The body used Ni mesh. The exterior part was sealed with rubber and Teflon tape.
The negative electrode was produced by processing Li foil into a rectangle (50 × 5 × 0.2 mm 3 ) and polishing the surface.
The aqueous electrolyte solution on the air electrode side was prepared by dissolving LiOH.H 2 O solid (Aldrich, 99%) with ultrapure water (18.2 MΩcm) to a concentration of 11 mol / L.
An ionic liquid-based electrolyte is used as the non-aqueous electrolyte on the negative electrode side, and N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium (DEME) is mixed with LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (LITFSA ) Was added to adjust to 0.32 mol / kg.
The air electrode is made of carbon paper (made by Ketjen Black International, ECP600JD): binder polyvinylidene fluoride (PVDF) = 90: 10 (weight ratio) and acetone. EC-TP-120T, thickness 370 μm).
The air electrode slurry was dried at 80 ° C. for 1 hour in the atmosphere. The basis weight was adjusted to 6 mg / cm 2 .
The air electrode was arranged so as to cover the entire four side surfaces of the exterior part.
The negative electrode used was a Li foil (50 × 5 × 0.2 mm 3 , purity 99.99%) attached to a Ni current collector (50 mesh, manufactured by Nilaco Corp.). An Ag / AgCl commercial electrode was used as a reference electrode, and was inserted into an aqueous electrolyte.
As the electrolyte separator, LATP (manufactured by OHARA INC., Thickness: 159 μm, 1.0 × 10 −4 S / cm) is used as the solid electrolyte, and Diaion (registered trademark) SK104 (Mitsubishi Chemical Corporation) is used as the cation exchange membrane. Co., Ltd.) (50 μm) was used.

(評価条件)
電気化学測定は室温(約25℃)、大気中で、VMP−3ポテンシオスタット(Biologic製)を用いて行った。
放電電流密度を0.35mA/cm、放電時間を3時間、電極面積50cmとして、放電容量52.5mAhに規定して測定した。電圧は約1.8Vだった。なお、放電容量を規定することでLiOH粒子の総析出量を制御した。
(Evaluation conditions)
The electrochemical measurement was performed using a VMP-3 potentiostat (Biologic) at room temperature (about 25 ° C.) and in the air.
The discharge current density was 0.35 mA / cm 2 , the discharge time was 3 hours, the electrode area was 50 cm 2 , and the discharge capacity was 52.5 mAh. The voltage was about 1.8V. The total precipitation amount of LiOH particles was controlled by defining the discharge capacity.

(LiOH粒子の回収)
空気極(低温部)をLIT7070−ALペルチェモジュール(センサーコントロールズ製)を用いて10℃一定に保った状態で、負極(高温部)の温度をシースヒーターで変化させ、空気極(低温部)と負極(高温部)に温度差をつけながら、空気電池の下部におけるLiOH粒子の回収量を調査した。
放電3時間後、電池下部から空気極側の水性電解液を抜き取り、濾紙(5C、東洋濾紙(株)製)により濾過して、電池下部からLiOH粒子を回収した。
空気極(低温部)と負極(高温部)の温度差に対するLiOH粒子の電池下部における回収量を図5に示す。
電池下部におけるLiOH粒子回収量は、図5に示すように、温度差40℃以上で平衡になったため、温度差50℃(空気極側水性電解液10℃/負極側イオン液体60℃)の際に電池下部から回収したLiOH粒子の平均粒子径を電子顕微鏡にて計測した。
なお、平均粒子径は、粒子を任意に100個選び、電子顕微鏡下で各粒子の長径と短径を測定することで、算出した。結果を図6に示す。
また、電池上部に浮遊しているLIOH粒子と電池下部に沈殿しているLiOH粒子の大きさを比較する為に、電池上部から回収したLiOH粒子の電子顕微鏡写真を図7に示し、電池下部から回収したLiOH粒子の電子顕微鏡写真を図8に示した。
(Recovery of LiOH particles)
With the air electrode (low temperature part) kept constant at 10 ° C. using a LIT7070-AL Peltier module (manufactured by Sensor Controls), the temperature of the negative electrode (high temperature part) was changed with a sheath heater, and the air electrode (low temperature part) The amount of LiOH particles recovered in the lower part of the air battery was investigated while making a temperature difference between the negative electrode and the negative electrode (high temperature part).
After 3 hours of discharge, the aqueous electrolyte solution on the air electrode side was withdrawn from the lower part of the battery and filtered through a filter paper (5C, manufactured by Toyo Filter Paper Co., Ltd.) to recover LiOH particles from the lower part of the battery.
FIG. 5 shows the amount of LiOH particles recovered at the lower part of the battery with respect to the temperature difference between the air electrode (low temperature part) and the negative electrode (high temperature part).
As shown in FIG. 5, the amount of LiOH particles recovered at the lower part of the battery was balanced at a temperature difference of 40 ° C. or higher, so that the temperature difference was 50 ° C. (air electrode side aqueous electrolyte 10 ° C./negative electrode side ionic liquid 60 ° C.) The average particle diameter of LiOH particles collected from the lower part of the battery was measured with an electron microscope.
The average particle diameter was calculated by arbitrarily selecting 100 particles and measuring the major axis and minor axis of each particle under an electron microscope. The results are shown in FIG.
In order to compare the size of LIOH particles floating at the top of the battery and LiOH particles precipitated at the bottom of the battery, an electron micrograph of LiOH particles collected from the top of the battery is shown in FIG. An electron micrograph of the recovered LiOH particles is shown in FIG.

(比較例1)
図4に示される、特開2011−096456号公報に開示されている電池を使用し、実施例1において空気極側で使用した水性電解液と同様のものを電解液として使用し、温度差10℃(水性電解液が空気極に浸漬していない部分(冷却部)の温度を0℃、空気極に浸漬している部分(水性電解液)の温度を10℃)にしたこと以外は実施例と同様の評価条件で、放電を行なった。放電後、水性電解液中に分散するLiOH粒子を回収した。回収したLiOH粒子の平均粒子径を測定して図6に示し、LiOH粒子の電子顕微鏡写真を図9に示した。
(Comparative Example 1)
A battery disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-096456 shown in FIG. 4 is used, and an aqueous electrolyte similar to the aqueous electrolyte used on the air electrode side in Example 1 is used as the electrolyte. Example except that the temperature of the portion where the aqueous electrolyte solution is not immersed in the air electrode (cooling portion) is 0 ° C., and the temperature of the portion where the aqueous electrolyte solution is immersed in the air electrode (aqueous electrolyte solution is 10 ° C.) Discharge was performed under the same evaluation conditions as in. After the discharge, LiOH particles dispersed in the aqueous electrolyte were recovered. The average particle diameter of the collected LiOH particles was measured and shown in FIG. 6, and an electron micrograph of the LiOH particles was shown in FIG.

(観測結果)
図6に示されるように、実施例1で回収したLiOH粒子の平均粒子径は、72μmであり、比較例1で回収したLiOH粒子の平均粒子径は、11μmであり、比較例1と比較して実施例1で回収したLiOH粒子の平均粒子径のほうが大きいことがわかる。
また、図8に示す実施例1の電池下部から回収したLiOH粒子が、図7に示す実施例1の電池上部から回収したLiOH粒子及び図9に示す比較例1で回収したLiOH粒子よりも大きいことから、実施例1の電池下部から回収したLiOH粒子が最も大きいことがわかる。
(Observation results)
As shown in FIG. 6, the average particle diameter of the LiOH particles recovered in Example 1 is 72 μm, and the average particle diameter of the LiOH particles recovered in Comparative Example 1 is 11 μm, which is compared with Comparative Example 1. It can be seen that the average particle diameter of the LiOH particles recovered in Example 1 is larger.
Also, the LiOH particles recovered from the battery lower part of Example 1 shown in FIG. 8 are larger than the LiOH particles recovered from the battery upper part of Example 1 shown in FIG. 7 and the LiOH particles recovered in Comparative Example 1 shown in FIG. This shows that the LiOH particles recovered from the battery lower part of Example 1 are the largest.

1 外装部
2 水性電解液
3 内装部
4 充電専用電極
5 非水性電解液
6 固体電解質膜
7 陽イオン交換膜
8 負極
9 シースヒーター
10 排液管
11 空気極
12 送風機
13 高温空気の方向を示す矢印
14 空気孔
15 水平対流
16 平均粒子径の小さな生成物固体
17 平均粒子径の大きな生成物固体
18 電池上部
19 電池下部
20 比較例1空気極
21 比較例1負極
22 比較例1水性電解液
23 外装体
24 セパレータ
25 ペルチェ素子
26 熱伝導体
27 熱受容体
28 絶縁体
50 導電率計
51 空気極側熱電対
52 電解液側熱電対
101 同軸配置四角柱形状金属空気電池
101A 外装部内部構造
101B 内装部内部構造
102 同軸配置円柱形状金属空気電池
102A 外装部内部構造
102B 内装部内部構造
103 水平対流発生時の同軸配置四角柱形状金属空気電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exterior part 2 Aqueous electrolyte 3 Interior part 4 Charge-only electrode 5 Non-aqueous electrolyte 6 Solid electrolyte membrane 7 Cation exchange membrane 8 Negative electrode 9 Sheath heater 10 Drain pipe 11 Air electrode 12 Blower 13 Arrow which shows the direction of high temperature air 14 Air hole 15 Horizontal convection 16 Product solid with small average particle diameter 17 Product solid with large average particle diameter 18 Upper part of battery 19 Lower part of battery 20 Comparative example 1 Air electrode 21 Comparative example 1 Negative electrode 22 Comparative example 1 Aqueous electrolyte 23 Exterior Body 24 Separator 25 Peltier element 26 Thermal conductor 27 Heat receptor 28 Insulator 50 Conductivity meter 51 Air electrode side thermocouple 52 Electrolyte side thermocouple 101 Coaxially arranged square columnar metal air battery 101A Exterior part internal structure 101B Interior part Internal structure 102 Coaxially arranged cylindrical metal-air battery 102A Exterior part internal structure 102B Interior part internal structure 103 Coaxial arrangement when horizontal convection occurs Quadrangular prism shape metal-air battery

Claims (10)

空気極と負極の間を、負極活物質の金属イオンに対し透過性を有する電解液セパレータで仕切り、当該電解液セパレータの空気極側に水性電解液を充填し、当該電解液セパレータの負極側に非水性電解液を充填した金属空気電池であって、
中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部に前記空気極及び前記負極から選ばれる外側極を配置した外装部の内部に、
前記外装部よりも径が小さい中空柱状の形状を有し、側面の少なくとも一部が前記電解液セパレータにより形成された内装部を、当該外装部の中心軸と当該内装部の中心軸を平行にして収容し、
前記内装部の内部に、前記外側極の対極である内側極を収容し、
前記外側極の電解液を前記外装部の側面と前記内装部の側面により仕切られた空間に充填し、
前記内側極の電解液を前記内装部の内部に充填し、
前記外側極の電解液及び前記内側極の電解液のうち、水性電解液に該当する液を充填した空間の、中心軸側を外側よりも高温にする加熱手段を備えた、
ことを特徴とする金属空気電池。
The air electrode is separated from the negative electrode by an electrolyte separator that is permeable to the metal ions of the negative electrode active material, the aqueous electrolyte is filled on the air electrode side of the electrolyte separator, and the negative electrode side of the electrolyte separator is A metal-air battery filled with a non-aqueous electrolyte,
Inside the exterior part having a hollow columnar shape and arranging the outer electrode selected from the air electrode and the negative electrode on at least a part of the side surface,
An interior part having a hollow columnar shape whose diameter is smaller than that of the exterior part and at least a part of the side surface of which is formed by the electrolytic separator is made parallel to the central axis of the exterior part and the central axis of the interior part. Housed,
An inner pole that is a counter electrode of the outer pole is accommodated in the interior portion,
Filling the space partitioned by the side surface of the exterior portion and the side surface of the interior portion with the electrolyte solution of the outer electrode,
Filling the interior part with the electrolyte solution of the inner electrode,
Among the electrolyte solution of the outer electrode and the electrolyte solution of the inner electrode, the space filled with the liquid corresponding to the aqueous electrolyte solution, provided with a heating means that makes the central axis side higher temperature than the outside,
A metal-air battery characterized by the above.
前記内側極を加熱する加熱手段を備える、請求項1に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 1, comprising heating means for heating the inner electrode. 前記外装部の内部に前記内装部が同軸配置されている、請求項1又は2に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to claim 1 or 2, wherein the interior part is coaxially arranged inside the exterior part. 前記外装部及び前記内装部は、多角柱又は円柱の形状を有している、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the exterior part and the interior part have a polygonal column shape or a cylindrical shape. 前記外側極を冷却する冷却手段を備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 4, further comprising a cooling unit that cools the outer electrode. 前記電解液セパレータは、非水性電解液に面する固体電解質膜と水性電解液に面する陽イオン交換膜を含む多層膜である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte separator is a multilayer film including a solid electrolyte membrane facing a non-aqueous electrolyte solution and a cation exchange membrane facing an aqueous electrolyte solution. . 前記内側極を前記外側極よりも高温とし、その温度差を40℃以上とすることができる、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の金属空気電池。   7. The metal-air battery according to claim 1, wherein the inner electrode has a higher temperature than the outer electrode, and the temperature difference can be 40 ° C. or more. 前記水性電解液と接触する充電専用電極を備える、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 7, further comprising a charging-dedicated electrode that contacts the aqueous electrolytic solution. 前記水性電解液から生成する固体を回収する回収手段を備える、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 8, further comprising recovery means for recovering a solid generated from the aqueous electrolyte. リチウム空気電池である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の金属空気電池。   The metal-air battery according to any one of claims 1 to 9, which is a lithium-air battery.
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CN116646569A (en) * 2023-07-27 2023-08-25 湖南博宁科技有限公司 High-efficiency aluminum-air battery and application method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022210489A1 (en) * 2021-03-31 2022-10-06 東レ株式会社 Secondary battery
CN116646569A (en) * 2023-07-27 2023-08-25 湖南博宁科技有限公司 High-efficiency aluminum-air battery and application method thereof
CN116646569B (en) * 2023-07-27 2023-09-29 湖南博宁科技有限公司 High-efficiency aluminum-air battery and application method thereof

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