JP2013152894A - 金属空気電池用空気極 - Google Patents

Abstract

【課題】金属空気電池において、使用される空気極は、片面を外部へ露出して配置されることで、絶えず電池内の圧力を受けるので、該空気極の強度を向上させること。
【解決手段】腐食と導電材とバインダーの混合物を集電体に塗布充填して成る金属空気電池用空気極において、空気極の空気と接する面、即ち露出する片面にポロテトラフルオロエチレンからなるシートなどの絶縁性多孔シートを介して網状支持体を一体に配することで、空気極の強度を向上させた。しかも、絶縁性多孔シートを介しているので、配置した網状支持体が電池の電解液に触れることがないので、腐食の心配もなく材料の選択の自由が増し、自由に材料選定ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極に空気極、負極にリチウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛などの金属極を用いる金属空気電池用の空気極に関するものである。

正極に空気極、負極にリチウムやマグネシウムなどを用いた金属空気電池における空気極は、触媒と導電材料をバインダーと共に混合し、これを集電体に塗布充填して得られている（特許文献１）。

特開２０１１−９６４９２号公報

これら得られた空気極は、金属からなる負極を離間して対峙させ、その間に要すればセパレータを配し、空気極と負極の離間した空間内やセパレータ内に電解液を注液して金属空気電池が構成されているものである。

空気極は、空気中の酸素を活物質として使用するものであり、電池を構成する際には、例えば、電槽側面の開口部にその片面を露出して取り付けられて使用される為、他面からの電解液による圧力を常時受けると共に、電解液として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの水溶液などを用いた場合は、放電時に発生する水素による圧力も受けることとなる。従って、長期の使用に耐えうるものとするには、用いる集電体の厚みを厚くするなどして強度を確保する必要があるが、一方では、高率放電の要求に答えるために、空気との接触面を広くすることが必要となり、強度の確保の問題と相俟って、電池における空気極の体積の占める割合は大きくなってしまう問題があり、容積効率の点からも改良が望まれている。

これらの課題を解決する為に、本発明は、空気極の空気と接する面に絶縁性多孔シートを介して網状支持体を配置したものである。

このことによって、配置した網状支持体により空気極の強度が確保でき、集電体を厚くする必要もなく、電解液の圧力なども考慮することなく、自由に電池の形状を設計することができる。しかも、絶縁性多孔シートを介して配置している為に、電解液との接触もなく、腐食の問題も無視し得て、自由に網状支持体の材料を選択することが出来る。また、空気極の露出する片面に対する外部から衝撃にも抗することができる。

本発明によれば、空気極の強度や耐衝撃性を集電体にのみ頼ることなく、その表面に絶縁性多孔シートを介して網状支持体を配置することにより達成し得るので、耐食性などの材料特性を考慮することなく、自由に材料選定ができその工業的価値大なるものである。

さらに、空気極の強度や耐衝撃性を集電体にのみ頼ることなく、網状支持体を配置することにより達成し得るので、強度の確保ができ、電解液の圧力などを考慮することなく、電池の形状を設計することができる。

本発明空気極の分解斜視図

図１は、本発明空気極の一実施態様を示す分解斜視図である。１は空気極本体で、導電材料としてケッチェンブラック粉末を用い、これに触媒として白金を担持させ、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性分散液を使用し、これら導電剤とＰＴＦＥ分散液と水を２．５：１．０４：２０の質量割合で攪拌機に入れ、攪拌混合し、更に途中でＰＴＦＥ分散液を追加するなどして所定の粘度の導電材料スラリーを調合し、これを厚さ１．１ｍｍの発泡ニッケルからなる集電体１１に塗布充填し、１００℃で乾燥し、２７０℃で焼成したものである。なお、集電体の周囲は予めコイニングされ、その一部にタブ部１２が形成されている。

なお、導電材料としては、上記ケッチェンブラックの他に、活性炭やカーボンナノチューブなどの炭素材料、銅やアルミニウムなどの金属材料、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料を使用することができる。

また、バインダーとしては、ＰＴＦＥの他に、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂や、スチレンーブタジエンゴムなどのゴム類、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース等を使用することができる。

また、触媒としては、酸素の還元・酸化反応を効率よく行うための触媒として用いるが、上記白金の他に、コバルトや二酸化マンガンなどの金属や酸化物などを使用することができる。

更に、集電体は、上記発泡ニッケルなどの発泡金属やメッシュ状金属などの金属多孔体や、カーボン繊維を用いたカーボンペーパーを使用することができる。

２は絶縁性多孔シートで、ＰＴＦＥからなる多孔性のシートを用いた。このシートを上記乾燥、焼成した空気極本体１の一方の面に圧着した。このシートの大きさは、集電体１１の周囲のコイニングした部分を除く充填塗布面と同じかそれより少し大きめのものである。また、圧着する絶縁性多孔シート２は２枚用い、重ねて同時に圧着した。
この時の空気極本体の大きさは縦１００ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。

前記絶縁性多孔シートは、酸素を透過させ、水分の透過を抑制する撥水性かつ、孔径５〜４０μｍの多孔質膜を使用することができ、ＰＴＦＥの他に、例えば、クロロプレン、シリコーン樹脂、ポリトリメチルシリルプロピン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、クロロプレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、シリコンポリカーボネート共重合体、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルなどを使用することができる。

３は網状支持体で、ステンレスのエキスパンドメタルである。この網状支持体３は、鉄を主原料としてクロムやニッケルを混ぜた合金であり、幅０．６ｍｍのストランドで、縦１．７ｍｍ、横２．２ｍｍの網目を持つ目の細かいものである。この網状支持体３は、圧着した絶縁性多孔シートの上面に配置し、空気極本体１の周囲と共にその周囲を結着材で結着し、空気極本体１と一体にして、本発明空気極を得た。

前記網状支持体としては、ステンレスのエキスパンドメタルの他に、例えば、金属や合金から成る金網や、ポリテトラフルオロエチレンなどの比較的厚手の合成樹脂から成るパンチングシートなどを使用することができる。

その後合成樹脂製枠体４の開口部４１に網状支持体３を配置した面が露出するように空気極１を結着材で取り付け固定した。この際、開口部を持つ２枚の合成樹脂性枠体で空気極を挟み込む様にして取り付けても良い。

枠体４に取り付けられた空気極は、図示しないが、マグネシウム板が貼り付けて取り付けられた該枠体４と同寸法の合成樹脂製枠体と所定寸法離間にて対峙し、上面部を除く周側部を合成樹脂板で塞ぎ、上面に蓋が施され、蓋に設けられた開口部から電解液として塩化ナトリウム水溶液が注入され、該開口部にガス抜き用の弁を備える注液栓が施されて空気金属電池とするものである。

このように、空気と接する面に絶縁性多孔シートを介して網状支持体を配置したので、網状支持体の材質を腐食などの心配をすることなく選択し得、設計を容易にすると共に、性能向上に為に空気極の厚さを薄くしても機械的強度が保たれ、電解液により加圧や水素ガスによる圧力にも耐え、空気極の変形や、該変形により電解液の漏れなども無く、長時間使用し得る空気極を提供することが出来る。

更に、同一厚みの空気極を横長に用いる以外にも、縦長で用いたり、広さを広くしてその面積を増やしたり自由に空気極形状を設計出来る。

１ 空気極本体
２ 絶縁性多孔シート
３ 網状支持体
４ 枠体

Claims (1)

1. 触媒と導電材とバインダーの混合物を集電体に塗布充填して成る金属空気電池用空気極において、空気極の空気と接する面に絶縁性多孔シートを介して網状支持体を配置したことを特徴とする金属空気電池用空気極。
   
   
   

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