JP2013182667A - Lithium air secondary battery and method for manufacturing lithium air secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム空気二次電池およびリチウム空気二次電池の製造方法に関し、特に、大きいエネルギー密度を有するリチウム空気二次電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a lithium air secondary battery and a method of manufacturing a lithium air secondary battery, and more particularly to a lithium air secondary battery having a large energy density and a method of manufacturing the same.
従来から、正極としての空気極と、リチウム金属を含む負極とを備えたリチウム空気二次電池がある。リチウム空気二次電池は、大きいエネルギー密度が得られるものであるため、電気自動車用の電池に用いることが検討されている。 Conventionally, there is a lithium-air secondary battery including an air electrode as a positive electrode and a negative electrode containing lithium metal. Lithium-air secondary batteries can obtain a large energy density, and are therefore being studied for use in batteries for electric vehicles.
リチウム空気二次電池の空気極としては、通常、多孔質カーボンに金属酸化物からなる触媒を担持させたものが用いられている。触媒が担持された多孔質カーボンからなる空気極を備えるリチウム空気二次電池では、放電反応に伴って生成される酸化リチウムが、多孔質カーボンの細孔に詰まって、リチウムイオンと空気との接触が妨げられることにより、放電できなくなるという問題があった。 As an air electrode of a lithium air secondary battery, a porous carbon carrying a catalyst made of a metal oxide is usually used. In a lithium-air secondary battery equipped with an air electrode made of porous carbon carrying a catalyst, the lithium oxide produced by the discharge reaction is clogged into the pores of the porous carbon, causing contact between lithium ions and air. There is a problem that it is impossible to discharge due to hindrance.
この問題を解決する技術として、例えば、特許文献1には、リチウム金属を含む負極、負極用の有機電解液、セパレータ、空気極用の水系電解液および空気極がその順に設けられたリチウム−空気電池であって、該セパレータがリチウムイオンのみを通す固体電解質を含むリチウム−空気電池が提案されている。 As a technique for solving this problem, for example, Patent Document 1 discloses a lithium-air in which a negative electrode containing lithium metal, an organic electrolyte for a negative electrode, a separator, an aqueous electrolyte for an air electrode, and an air electrode are provided in that order. A lithium-air battery has been proposed that includes a solid electrolyte through which the separator passes only lithium ions.
特許文献1に記載のリチウム−空気電池では、負極用の有機電解液と空気極用の水系電解液の間に、リチウムイオンのみを通す固体電解質を含むセパレータが備えられているので、放電反応での生成物が水溶性電解液に可溶な水酸化リチウムになる。このため、空気極を構成する多孔質カーボンの細孔が、放電反応によって生成される生成物で詰まることを防止できる。 In the lithium-air battery described in Patent Document 1, a separator containing a solid electrolyte that allows only lithium ions to pass between the organic electrolyte for the negative electrode and the aqueous electrolyte for the air electrode is provided. The product becomes lithium hydroxide soluble in the water-soluble electrolyte. For this reason, it can prevent that the pore of the porous carbon which comprises an air electrode is clogged with the product produced | generated by discharge reaction.
しかしながら、従来のリチウム空気二次電池は、電気自動車用の電池として用いるために、電池重量あたりのエネルギー密度および電池体積あたりのエネルギー密度をより一層向上させることが要求されている。
また、従来のリチウム空気二次電池では、充電時に、負極の表面にデンドライドが成長するという問題がある。具体的には、特許文献1に記載のリチウム−空気電池のように、負極と正極との間にセパレータを備えるリチウム空気二次電池では、充電時に負極の表面から成長したデンドライドが、セパレータを貫通する恐れや、セパレータを貫通してさらに成長して負極と正極とを短絡させる恐れがあった。
However, since the conventional lithium air secondary battery is used as a battery for an electric vehicle, it is required to further improve the energy density per battery weight and the energy density per battery volume.
Further, the conventional lithium-air secondary battery has a problem that dendrid grows on the surface of the negative electrode during charging. Specifically, in a lithium-air secondary battery including a separator between a negative electrode and a positive electrode, such as the lithium-air battery described in Patent Document 1, dendride grown from the surface of the negative electrode penetrates the separator during charging. There is a risk that the negative electrode and the positive electrode are short-circuited.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、負極の表面に成長するデンドライドによる問題を解決でき、大きいエネルギー密度を有するリチウム空気二次電池およびその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a lithium-air secondary battery having a large energy density and a method for manufacturing the same, which can solve the problems caused by dendrites growing on the surface of the negative electrode.
本発明者は、上記課題を解決し、リチウム空気二次電池のエネルギー密度を向上させるために、以下に示すように、鋭意検討した。
特許文献1に記載の技術において、負極用の有機電解液の役割は、リチウムイオンを拡散させるのみである。したがって、特許文献1に記載の技術において、負極とセパレータとを接して配置し、負極とセパレータとの間におけるリチウムイオンの移動によって、リチウムイオンを十分に拡散させることができれば、電池性能を低下させずに負極用の有機電解液を除去することができる。
In order to solve the above problems and improve the energy density of the lithium-air secondary battery, the present inventor has intensively studied as described below.
In the technique described in Patent Document 1, the role of the organic electrolyte for the negative electrode is only to diffuse lithium ions. Therefore, in the technique described in Patent Document 1, if the negative electrode and the separator are arranged in contact with each other and lithium ions can be sufficiently diffused by movement of the lithium ions between the negative electrode and the separator, the battery performance is lowered. Without removing the organic electrolyte for the negative electrode.
特許文献1に記載の技術において、負極用の有機電解液およびその設置スペースを除去すると、電池重量および電池体積が少なくなるので、相対的に電池重量あたりのエネルギー密度および電池体積あたりのエネルギー密度を向上させることできる。さらに、負極用の有機電解液が不要となるため、電池材料の費用を削減できる。また、負極用の有機電解液を除去するため、負極の表面にデンドライドが成長しなくなる。 In the technique described in Patent Document 1, if the organic electrolyte for the negative electrode and its installation space are removed, the battery weight and the battery volume are reduced. Therefore, the energy density per battery weight and the energy density per battery volume are relatively reduced. Can be improved. Furthermore, since the organic electrolyte solution for negative electrodes becomes unnecessary, the cost of battery materials can be reduced. Further, since the organic electrolyte for the negative electrode is removed, dendride does not grow on the surface of the negative electrode.
しかし、負極とセパレータの機能を有する固体電解質とを接して配置すると、選択する固体電解質種によっては,固体電解質が還元分解されてしまう場合があった(特許文献1にて使用の固体電解質)。固体電解質が還元分解されると、セパレータ中におけるリチウムイオンの移動が出来なくなり、電池性能が低下してしまう。
本発明者が、鋭意検討を重ねた結果、負極として金属リチウムまたはリチウム合金からなるものを用い、固体電解質としてペロブスカイト型またはガーネット型のリチウム伝導固体電解質を用いた場合には、負極と接して固体電解質を配置しても、固体電解質が還元分解される恐れのないことを見出した。
However, when the negative electrode and the solid electrolyte having a separator function are arranged in contact with each other, the solid electrolyte may be reduced and decomposed depending on the selected solid electrolyte species (the solid electrolyte used in Patent Document 1). When the solid electrolyte is reduced and decomposed, lithium ions cannot move in the separator, and the battery performance deteriorates.
As a result of intensive studies by the inventors, when a negative electrode made of metallic lithium or a lithium alloy was used, and a perovskite-type or garnet-type lithium conductive solid electrolyte was used as the solid electrolyte, a solid was in contact with the negative electrode. It has been found that even when an electrolyte is disposed, the solid electrolyte is not likely to undergo reductive decomposition.
しかし、このような負極と固体電解質とを接して配置しただけでは、負極と固体電解質との間におけるリチウムイオンの拡散が不十分であり、十分な電池性能が得られなかった。
そこで、本発明者は、負極と固体電解質との間でリチウムイオンの拡散が可能なものとするために鋭意検討を重ねた。その結果、以下の<1>〜<3>の3つの方法から選ばれるいずれか1つの方法を用いて、負極と固体電解質とを接合すればよいことを見出した。
However, merely arranging such a negative electrode and a solid electrolyte in contact with each other results in insufficient diffusion of lithium ions between the negative electrode and the solid electrolyte, and sufficient battery performance cannot be obtained.
Therefore, the present inventor has intensively studied to make it possible to diffuse lithium ions between the negative electrode and the solid electrolyte. As a result, it was found that the negative electrode and the solid electrolyte may be joined using any one method selected from the following three methods <1> to <3>.
<1>固体電解質の表面を粗面化し、粗面化された固体電解質の前記表面に負極を圧着して接合する。
<2>固体電解質の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させることにより、負極と固体電解質とを接合する。
<3>固体電解質の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させることにより、負極と固体電解質とを接合する。
<1> The surface of the solid electrolyte is roughened, and a negative electrode is pressure-bonded and bonded to the surface of the roughened solid electrolyte.
<2> The negative electrode and the solid electrolyte are joined together by laminating a molten negative electrode material on the surface of the solid electrolyte and cooling and solidifying it.
<3> The negative electrode and the solid electrolyte are joined by depositing a negative electrode material on the surface of the solid electrolyte by a chemical deposition method.
そして、本発明者は、上述した材料からなる負極と上述した材料からなる固体電解質とが、上記<1>〜<3>の3つの方法から選ばれるいずれか1つの方法により接合されているリチウム空気二次電池とすることで、負極用の有機電解液を不要とすることができることを確認し、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。 And this inventor is the lithium in which the negative electrode which consists of the material mentioned above, and the solid electrolyte which consists of the material mentioned above are joined by any one method chosen from three methods of said <1>-<3>. By making it an air secondary battery, it was confirmed that the organic electrolyte for the negative electrode can be eliminated, and the present invention was completed. That is, the present invention relates to the following.
(1) 正極としての空気極と、金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極と、前記負極の前記正極側の面に接合されたペロブスカイト型またはガーネット型のリチウム伝導固体電解質と、前記リチウム伝導固体電解質と前記正極との間に配置された水溶液系電解液と、を具備してなり、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質との間でリチウムイオンの拡散が可能なように前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とが接合されていることを特徴とするリチウム空気二次電池。 (1) An air electrode as a positive electrode, a negative electrode made of metallic lithium or a lithium alloy, a perovskite-type or garnet-type lithium conductive solid electrolyte joined to the surface of the negative electrode on the positive electrode side, and the lithium conductive solid electrolyte An aqueous electrolyte solution disposed between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte so that lithium ions can be diffused between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte. And a lithium air secondary battery characterized by being joined to each other.
(2) 前記リチウム伝導固体電解質が、(LiLa)MO3(M=Ta,Zr)の組成からなるペロブスカイト型または、Li7La3Zr2O12、Li5La3Nb2O12,Li5La3Ta2O12のうちのいずれかの組成からなるガーネット型であることを特徴とする(1)に記載のリチウム空気二次電池。
(3) 前記水溶液系電解液が、酸性またはアルカリ性であることを特徴とする(1)または(2)に記載のリチウム空気二次電池。
(4) 前記負極の前記リチウム伝導固体電解質と反対側の面に、金属リチウムまたはリチウム合金からなる金属箔が貼り付けられていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウム空気二次電池。
(2) The lithium conductive solid electrolyte is a perovskite type having a composition of (LiLa) MO 3 (M = Ta, Zr), or Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 5 The lithium-air secondary battery according to (1), which is a garnet type composed of any composition of La 3 Ta 2 O 12 .
(3) The lithium-air secondary battery according to (1) or (2), wherein the aqueous electrolyte solution is acidic or alkaline.
(4) The metal foil which consists of metallic lithium or a lithium alloy is affixed on the surface on the opposite side to the said lithium conductive solid electrolyte of the said negative electrode, It is characterized by the above-mentioned in any one of (1)-(3) Lithium air secondary battery.
(5) (1)〜(4)のいずれかに記載のリチウム空気二次電池の製造方法であって、前記リチウム伝導固体電解質の表面を粗面化し、前記粗面化された前記リチウム伝導固体電解質の前記表面に前記負極を圧着して接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。 (5) The method for producing a lithium air secondary battery according to any one of (1) to (4), wherein the lithium conductive solid electrolyte is roughened by roughening a surface of the lithium conductive solid electrolyte. A method for producing a lithium-air secondary battery, comprising the step of pressure-bonding and joining the negative electrode to the surface of the electrolyte.
(6) (1)〜(4)のいずれかに記載のリチウム空気二次電池の製造方法であって、前記リチウム伝導固体電解質の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させることにより、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とを接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
(7) 前記リチウム伝導固体電解質の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させる前に、前記リチウム伝導固体電解質の表面を粗面化する工程を備えることを特徴とする(6)に記載のリチウム空気二次電池の製造方法。
(6) The method for producing a lithium-air secondary battery according to any one of (1) to (4), wherein a molten negative electrode material is stacked on the surface of the lithium conductive solid electrolyte and cooled and solidified. A method for producing a lithium air secondary battery, comprising the step of joining the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte.
(7) The method according to (6), further comprising a step of roughening the surface of the lithium conductive solid electrolyte before the molten negative electrode material is laminated on the surface of the lithium conductive solid electrolyte and cooled and solidified. The manufacturing method of the lithium air secondary battery of description.
(8) (1)〜(4)のいずれかに記載のリチウム空気二次電池の製造方法であって、前記リチウム伝導固体電解質の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させることにより、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とを接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
(9) 前記リチウム伝導固体電解質の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させる前に、前記リチウム伝導固体電解質の表面を粗面化する工程を備えることを特徴とする(8)に記載のリチウム空気二次電池の製造方法。
(10) 前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とを接合する工程の後に、前記負極の前記リチウム伝導固体電解質と反対側の面に、金属リチウムまたはリチウム合金からなる金属箔を貼り付ける工程を備えることを特徴とする(8)または(9)に記載のリチウム空気二次電池の製造方法。
(8) The method for producing a lithium-air secondary battery according to any one of (1) to (4), wherein a negative electrode material is deposited on a surface of the lithium conductive solid electrolyte by a chemical deposition method. The manufacturing method of a lithium air secondary battery characterized by including the process of joining a negative electrode and the said lithium conductive solid electrolyte.
(9) The method according to (8), further comprising a step of roughening the surface of the lithium conductive solid electrolyte before the negative electrode material is deposited on the surface of the lithium conductive solid electrolyte by a chemical deposition method. A method for producing a lithium-air secondary battery.
(10) After the step of joining the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte, a step of attaching a metal foil made of metallic lithium or a lithium alloy to the surface of the negative electrode opposite to the lithium conductive solid electrolyte is provided. (8) The manufacturing method of the lithium air secondary battery as described in (9) characterized by these.
本発明のリチウム空気二次電池は、正極としての空気極と、金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極と、前記負極の前記正極側の面に接合されたペロブスカイト型またはガーネット型のリチウム伝導固体電解質と、前記リチウム伝導固体電解質と前記正極との間に配置された水溶液系電解液と、を具備してなり、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質との間でリチウムイオンの拡散が可能なように前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とが接合されているため、負極とリチウム伝導固体電解質との間に負極用の有機電解液を配置する必要がない。 The lithium-air secondary battery of the present invention includes an air electrode as a positive electrode, a negative electrode made of metallic lithium or a lithium alloy, and a perovskite-type or garnet-type lithium conductive solid electrolyte bonded to the surface of the negative electrode on the positive electrode side. An aqueous electrolyte solution disposed between the lithium conductive solid electrolyte and the positive electrode, so that lithium ions can be diffused between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte. Since the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte are joined, there is no need to dispose an organic electrolyte for the negative electrode between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte.
したがって、負極用の有機電解液を備えるリチウム空気二次電池と比較して、電池重量および電池体積が少ないものとなり、相対的に電池重量あたりのエネルギー密度および電池体積あたりのエネルギー密度が高いものとなる。また、本発明のリチウム空気二次電池は、負極用の有機電解液が不要であるため、電池材料の費用を削減でき、好ましい。また、本発明のリチウム空気二次電池では、負極とリチウム伝導固体電解質とが接合されているため、負極の表面にデンドライドが成長しなくなる。さらに、本発明のリチウム空気二次電池では、負極とリチウム伝導固体電解質とが接合されているため、空気中の水や窒素などが金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極と反応することに起因する危険性を回避できる。 Therefore, the battery weight and the battery volume are small compared to the lithium air secondary battery including the organic electrolyte for the negative electrode, and the energy density per battery weight and the energy density per battery volume are relatively high. Become. In addition, the lithium-air secondary battery of the present invention is preferable because it does not require an organic electrolyte for the negative electrode and can reduce the cost of the battery material. Moreover, in the lithium air secondary battery of the present invention, since the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte are joined, dendride does not grow on the surface of the negative electrode. Further, in the lithium-air secondary battery of the present invention, since the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte are joined, the danger caused by the reaction of water or nitrogen in the air with the negative electrode made of metallic lithium or a lithium alloy. Sex can be avoided.
また、本発明のリチウム空気二次電池の製造方法によれば、負極とリチウム伝導固体電解質との間でリチウムイオンの拡散が可能なように前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とが接合されている本発明のリチウム空気二次電池を提供できる。 Further, according to the method for producing a lithium-air secondary battery of the present invention, the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte are joined so that lithium ions can be diffused between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte. The lithium air secondary battery of the present invention can be provided.
以下、本発明のリチウム空気二次電池およびリチウム空気二次電池の製造方法について、詳細に説明する。
「リチウム空気二次電池」
図1は、本発明のリチウム空気二次電池の一例を説明するための概略模式図である。
図1に示すリチウム空気二次電池1は、正極2としての空気極と、負極3と、負極3の正極2側の面に接合されたリチウム伝導固体電解質4と、リチウム伝導固体電解質4と正極2との間に配置された水溶液系電解液5とを具備している。
Hereinafter, the lithium air secondary battery and the method for producing the lithium air secondary battery of the present invention will be described in detail.
"Lithium-air secondary battery"
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of the lithium-air secondary battery of the present invention.
A lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1 includes an air electrode as a
正極2としての空気極は、図1に示すように、多孔質カーボン21もしくは,多孔質カーボンに金属や金属酸化物からなる触媒22が担持されたものである。触媒22に用いられる金属,金属酸化物としては、例えば、白金,白金合金,マンガン酸化物、コバルト酸化物、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅などが挙げられる。
負極3は、金属リチウムまたはリチウム合金からなるものである。負極3に用いられるリチウム合金としては、リチウムインジウム,リチウムアルミニウム,リチウム銅,リチウム錫合金などが挙げられる。
As shown in FIG. 1, the air electrode as the
The negative electrode 3 is made of metallic lithium or a lithium alloy. Examples of the lithium alloy used for the negative electrode 3 include lithium indium, lithium aluminum, lithium copper, and lithium tin alloy.
負極3は、単層からなるものであってもよいが、複数層からなるものであってもよい。複数層からなる負極としては、例えば、図1に示す負極3のリチウム伝導固体電解質4と反対側の面に、金属リチウムまたはリチウム合金からなる金属箔が貼り付けられていることにより、リチウム伝導固体電解質4と接合された第1層と、第1層に貼り付けられた金属箔とからなる第2層の2層からなるものが挙げられる。このような2層構造の負極は、例えば、負極とリチウム伝導固体電解質とを接合することにより第1層(負極)を形成した後、表面の付着防止層を除去した金属箔を、負極のリチウム伝導固体電解質と反対側の面に圧着することにより第2層(金属箔)を形成する方法を用いて短時間で製造できるとともに、第1層と第2層との密着性が良好で、単層からなる負極と比較して、負極の抵抗が低く、リチウム伝導固体電解質と負極との接触不良を防止でき,より優れた充放電特性が得られるものとなる。
The negative electrode 3 may be composed of a single layer or may be composed of a plurality of layers. As the negative electrode composed of a plurality of layers, for example, a metal foil made of metal lithium or lithium alloy is attached to the surface of the negative electrode 3 opposite to the lithium conductive
リチウム伝導固体電解質4は、ペロブスカイト型またはガーネット型の骨格構造を有するものが望ましく,このような材料からなるリチウム伝導固体電解質4は、負極3と接して配置しても、充放電時に還元分解されることがない。
リチウム伝導固体電解質4としては、(LiLa)MO3(M=Ta,Zr)の組成からなるペロブスカイト型または、Li7La3Zr2O12、Li5La3Nb2O12,Li5La3Ta2O12のうちのいずれかの組成からなるガーネット型であることが好ましい。リチウム伝導固体電解質4が(LiLa)MO3(M=Ta,Zr)の組成からなるペロブスカイト型である場合、遷移金属種であるTa,Zr,LaがLiに対して安定な金属種であるため好ましい。また、リチウム伝導固体電解質4がLi7La3Zr2O12、Li5La3Nb2O12,Li5La3Ta2O12のうちのいずれかの組成からなるガーネット型である場合、La,Zr,Nb,ZrがLiに対して安定な金属種であり,Li接触による還元を受けないため好ましい。
The lithium conductive
As the lithium conductive
リチウム伝導固体電解質4の厚みは、平均で50μm〜400μmの範囲であることが好ましい。リチウム伝導固体電解質4の厚みが上記範囲内であると、リチウム伝導固体電解質4の表面に接合された負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンが拡散しやすいものとなる。また、リチウム伝導固体電解質4の厚みが上記範囲内であると、十分な機械的強度を確保できるため、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する際や、負極3とリチウム伝導固体電解質4とを接合させる際における作業性が良好なものとなる。また、リチウム伝導固体電解質4の厚みが上記範囲未満であると、機械的強度が不十分となる恐れがある。また、リチウム伝導固体電解質4の厚みが上記範囲を超えると、機械的強度を担保できる半面,リチウム伝導固体電解質4内のLi拡散時の抵抗が大きくなり,電池特性としての充分な充放電特性を確保できなくなる恐れがある。
The thickness of the lithium conductive
また、図1に示すリチウム空気二次電池1では、リチウム伝導固体電解質4の負極3側の面が粗面化されている。このため、図1に示すリチウム空気二次電池1は、リチウム伝導固体電解質4の表面と負極3との接触面積を充分に確保でき、接触抵抗が低くなるため、リチウム伝導固体電解質4の表面に接合された負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンが拡散しやすいものとなる。
Moreover, in the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1, the surface of the lithium conductive
粗面化されたリチウム伝導固体電解質4の表面粗さは、1μm〜10μmの範囲であることが好ましい。リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲内であると、リチウム伝導固体電解質4の表面と負極3との接触面積が広く、接触抵抗がより一層低いものとなるため、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でより一層リチウムイオンが拡散しやすいものとなる。また、リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲未満であると、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化したことによるリチウムイオンの拡散促進効果が十分に得られない場合がある。また、リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲を超えると、リチウム伝導固体電解質4の平滑度が低いものとなるため、リチウム伝導固体電解質4内のリチウムイオンの拡散距離にバラつきが生じるため好ましくない。
なお、リチウム空気二次電池1におけるリチウム伝導固体電解質4の表面粗さは、顕微鏡観察,蝕針計等による計測によって測定できる。また、電池特性から内部抵抗を調べることで,定性,半定量的に粗さと接触状態の相関関係を導出可能である。
The surface roughness of the roughened lithium conductive
In addition, the surface roughness of the lithium conductive
水溶液系電解液5のpHは、特に限定されないが、pHが高すぎたり低すぎたりすると、リチウム伝導固体電解質4が腐食されたり溶解されたりする恐れがある。このため、水溶液系電解液5のpHは3〜11の範囲であることが好ましい。また、アルカリ性の水溶液系電解液5としては、例えばLiBF4または水酸化リチウムの1M水溶液を用いることができ,酸性の水溶液系電解液5としては、例えば、塩酸,硫酸,硝酸の水溶液を用いることができる。また、水溶液系電解液5は、リチウム空気二次電池1が初期状態であるときには弱アルカリ性または弱酸性であることが好ましい。図1に示すリチウム空気二次電池1では、放電すると、後述するようにOH−が生成されるので、弱アルカリ性の水溶液系電解液5は、強アルカリ性に変化する。
The pH of the
図1に示すリチウム空気二次電池1では、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンの拡散が可能なように、負極3とリチウム伝導固体電解質4とが接合されている。
リチウムイオンの拡散が可能なように接合された負極3とリチウム伝導固体電解質4との界面では、負極3とリチウム伝導固体電解質4とが良好に密着しており、負極3とリチウム伝導固体電解質4との接触界面に2μm以上の大きな間隙が存在しないものとなっている。負極3とリチウム伝導固体電解質4との接触界面に2μm以上の大きな間隙が存在していると、負極3とリチウム伝導固体電解質4との密着性が不十分となり、リチウムイオンの拡散が不十分なものとなるし、負極3とリチウム伝導固体電解質4とが剥離しやすいものとなる。
負極3とリチウム伝導固体電解質4との接触界面に存在する間隙の大きさは、電子顕微鏡などを用いて測定できる。
In the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1, the negative electrode 3 and the lithium conductive
At the interface between the negative electrode 3 and the lithium conductive
The size of the gap existing at the contact interface between the negative electrode 3 and the lithium conductive
図1に示すリチウム空気二次電池1では、水溶液系電解液5中に充電用正極8が配置されている。充電用正極8としては、例えば、カーボンや金属チタンからなるものを用いることができる。充電時の正極として充電用正極8を用いることで、充電時に正極2を用いた場合に、充電に伴って生成する酸素に起因する正極2の多孔質カーボン21や触媒22への悪影響を防止できる。なお、本発明のリチウム空気二次電池においては、充電用正極8が設けられていることが好ましいが、充電用正極8は設けられていなくてもよく、正極2が充電用の正極を兼ねてもよい。
In the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1, a charging positive electrode 8 is disposed in an
次に、図1に示すリチウム空気二次電池1の充電および放電における反応について説明する。
図1に示すリチウム空気二次電池1では、図1(a)に示すように、放電時には、負極3の表面においてLi=>Li++e−なる反応が生じ、リチウムイオンがリチウム伝導固体電解質4中を負極3側から正極2側に移動して、正極2においてO2+2H2O+4e−=>4OH−なる反応が生じる。
なお、放電反応はある限られた電位範囲で行われるので、放電を行うことにより負極3を構成する金属リチウムまたはリチウム合金が完全になくなることはなく、負極3とリチウム伝導固体電解質4との界面は初期状態のまま維持される。
Next, reactions in charging and discharging of the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1 will be described.
In the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1A, during discharge, a reaction of Li => Li + + e − occurs on the surface of the negative electrode 3, and lithium ions are converted into lithium conductive
In addition, since the discharge reaction is performed within a limited potential range, the lithium metal or lithium alloy constituting the negative electrode 3 is not completely eliminated by performing the discharge, and the interface between the negative electrode 3 and the lithium conductive
また、図1に示すリチウム空気二次電池1では、図1(b)に示すように、充電時には、充電用正極8において4OH−=>O2+2H2O+4e−なる反応が生じ、リチウムイオンがリチウム伝導固体電解質4中を正極2側から負極3側に移動して、負極3の表面においてLi++e−=>Liなる反応が生じる。
すなわち、充電時には、負極3とリチウム伝導固体電解質4との界面においてリチウムが析出するので、負極3とリチウム伝導固体電解質4との界面は初期状態のまま維持される。
In the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1 (b), during charging, a reaction of 4OH − => O 2 + 2H 2 O + 4e − occurs in the charging positive electrode 8, and lithium ions are The lithium conductive
That is, at the time of charging, since lithium is deposited at the interface between the negative electrode 3 and the lithium conductive
なお、図1に示すリチウム空気二次電池1では、上述したように、充電および放電を行っても負極3とリチウム伝導固体電解質4との界面は初期状態のまま維持されるが、充放電時に、負極3とリチウム伝導固体電解質4とのリチウムイオンの拡散が可能な接合を確実に保持するために、負極3をリチウム伝導固体電解質4に押し付ける手段が備えられていてもよい。負極3をリチウム伝導固体電解質4に押し付ける手段としては、例えば、バネ,スプリングによる面圧保持,拘束板による一定面圧保持などが挙げられる。
In the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1, as described above, the interface between the negative electrode 3 and the lithium conductive
「リチウム空気二次電池の製造方法」
次に、本発明のリチウム空気二次電池の製造方法の一例として、図1に示すリチウム空気二次電池1の製造方法を例に挙げて説明する。
図1に示すリチウム空気二次電池1を製造するには、まず、以下の<1>〜<3>の3つの方法から選ばれるいずれか1つの方法により、負極3とリチウム伝導固体電解質4とを接合する。
"Production method of lithium air secondary battery"
Next, as an example of the manufacturing method of the lithium air secondary battery of the present invention, the manufacturing method of the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1 will be described as an example.
In order to manufacture the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1, first, the negative electrode 3, the lithium conductive
<1>リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化し、粗面化されたリチウム伝導固体電解質4の表面に負極3を圧着して接合する。
<1>の方法においてリチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する方法としては、例えば、機械加工(切削),エッチング処理,メッシュ上での基板焼結(メッシュ剥離)などの方法が挙げられる。
また、粗面化されたリチウム伝導固体電解質4の表面粗さは、1μm〜10μmの範囲であることが好ましい。リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲内であると、リチウム伝導固体電解質4の表面に負極3を圧着することにより、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンが容易に拡散しやすいものとなる。リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲未満であると、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化したことによる密着性向上効果やリチウムイオンの拡散促進効果が十分に得られず、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でのリチウムイオンの拡散が不十分なものとなる恐れがある。また、リチウム伝導固体電解質4の表面粗さが上記範囲を超えると、圧着後のリチウム伝導固体電解質4の平滑度が低くなり、リチウム伝導固体電解質4内のリチウムイオンの拡散距離にバラつきが生じるため好ましくない。
<1> The surface of the lithium conductive
Examples of the method for roughening the surface of the lithium conductive
In addition, the surface roughness of the roughened lithium conductive
粗面化されたリチウム伝導固体電解質4の表面に負極3を圧着する方法としては、例えば、リチウム伝導固体電解質4の表面上に、金属リチウム箔またはリチウム合金箔からなる金属箔を配置し、油圧の一軸加圧プレス機などを用いて,リチウム伝導固体電解質4に金属箔を1ton程度の圧力で押し当てて圧着する方法が挙げられる。
なお、<1>の方法において用いられる金属箔の表面には、通常、金属箔同士が付着することを防止するために、ドデカンなどからなる付着防止層が形成されている。<1>の方法においては、リチウム伝導固体電解質4と負極3との密着性を向上させるために、付着防止層を除去してから、金属箔をリチウム伝導固体電解質4の表面に圧着することが好ましい。
As a method for pressure bonding the negative electrode 3 to the surface of the roughened lithium conductive
In addition, in order to prevent that metal foil adheres normally, the adhesion prevention layer which consists of dodecane etc. is formed in the surface of the metal foil used in the method of <1>. In the method <1>, in order to improve the adhesion between the lithium conductive
<2>リチウム伝導固体電解質4の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させることにより、負極3とリチウム伝導固体電解質4とを接合する。<2>の方法においては、リチウム伝導固体電解質4の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させる前に、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する工程を行うことが好ましい。<2>の方法においてリチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する方法としては、<1>の方法と同じ方向などを用いることができる。なお、<2>の方法を用いる場合、リチウム伝導固体電解質4の表面粗さは、1μm〜10μmの範囲であることが好ましい。
<2> The negative electrode 3 and the lithium conductive
<2>の方法においてリチウム伝導固体電解質4の表面に溶融状態の負極材料を積層する方法としては、例えば、金属リチウムまたはリチウム合金を加熱することにより溶融状態の負極材料とし、溶融状態の負極材料をリチウム伝導固体電解質4の表面にスプレーなどを用いて塗工したり、溶融状態の負極材料中にリチウム伝導固体電解質4を浸漬したりすることにより、リチウム伝導固体電解質4の表面に溶融状態の負極材料を積層する方法が挙げられる。
As a method of laminating a molten negative electrode material on the surface of the lithium conductive
また、リチウム伝導固体電解質4の表面に溶融状態の負極材料を積層する際の負極材料の温度は180℃〜500℃であることが好ましい。金属リチウムの融点は180℃であるので、負極材料の温度が180℃未満であると、負極材料が溶融状態とならない。また、負極材料の温度は、負極材料の沸点以下であればよいが、リチウム伝導固体電解質4が熱分解することを防止するため、500℃以下であることが好ましい。また、冷却凝固させる際の冷却速度は、5〜20℃/minであることが好ましい。上記の負極材料を積層する際の溶融状態の負極材料の温度が上記範囲内であって、冷却凝固させる際の冷却速度が上記範囲内である場合、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンが容易に拡散しやすいものとなる。
Further, the temperature of the negative electrode material when the molten negative electrode material is laminated on the surface of the lithium conductive
<3>リチウム伝導固体電解質4の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させることにより、負極3とリチウム伝導固体電解質4とを接合する。<3>の方法においては、リチウム伝導固体電解質4の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させる前に、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する工程を行うことが好ましい。<3>の方法においても、リチウム伝導固体電解質4の表面を粗面化する方法としては、<1>の方法と同じ方向などを用いることができる。なお、<3>の方法を用いる場合、リチウム伝導固体電解質4の表面粗さは、1μm〜10μmの範囲であることが好ましい。
<3> The negative electrode 3 and the lithium conductive
<3>の方法において用いる化学的堆積法としては、例えば、真空蒸着法や化学蒸着法(CVD)などが挙げられる。真空蒸着法を用いる場合、金属リチウムまたはリチウム合金からなる材料を用いて、10−3Pa以下の真空条件で行うこと好ましい。また、化学蒸着法(CVD)を用いる場合、金属リチウム、リチウム合金,メチルリチウムやブチルリチウムなどのアルキルリチウムからなる材料を用いること好ましい。 Examples of the chemical deposition method used in the method <3> include a vacuum vapor deposition method and a chemical vapor deposition method (CVD). When using a vacuum evaporation method, it is preferable to carry out on the vacuum conditions of 10 < -3 > Pa or less using the material which consists of metallic lithium or lithium alloy. Moreover, when using a chemical vapor deposition method (CVD), it is preferable to use the material which consists of metal lithium, lithium alloy, alkyl lithium, such as methyl lithium and butyl lithium.
なお、<3>の方法を用いる場合、負極3とリチウム伝導固体電解質4とを接合する工程の後に、負極3のリチウム伝導固体電解質4と反対側の面に、金属リチウム箔またはリチウム合金箔をからなる金属箔を油圧の一軸加圧プレス機などを用いて加圧プレスする方法により貼り付け、リチウム伝導固体電解質4と接合された第1層と、第1層に貼り付けられた金属箔からなる第2層との2層からなる負極を形成してもよい。なお、第1層と第2層とは、材料が同じまた類似するものであるので、このようにして貼り付けられた第1層と第2層との密着性は良好なものとなる。
When the method <3> is used, a metal lithium foil or a lithium alloy foil is provided on the surface of the negative electrode 3 opposite to the lithium conductive
以上の工程により、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンの拡散が可能なように負極3とリチウム伝導固体電解質4とが接合される。
その後、接合された負極3およびリチウム伝導固体電解質4と、正極2としての空気極と、水溶液系電解液5とを用いて、従来公知の方法により、図1に示すリチウム空気二次電池1を製造する。
Through the above steps, the negative electrode 3 and the lithium conductive
Thereafter, the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1 is formed by a conventionally known method using the joined negative electrode 3 and lithium conductive
図1に示すリチウム空気二次電池1は、正極2としての空気極と、金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極3と、負極3の正極2側の面に接合されたペロブスカイト型またはガーネット型のリチウム伝導固体電解質4と、リチウム伝導固体電解質4と正極との間に配置された水溶液系電解液5と、を具備してなり、負極3とリチウム伝導固体電解質4との間でリチウムイオンの拡散が可能なように負極3とリチウム伝導固体電解質4とが接合されているため、負極とリチウム伝導固体電解質との間に負極用の有機電解液を配置する必要がない。
A lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1 includes an air electrode as a
したがって、図1に示すリチウム空気二次電池1は、負極用の有機電解液を備えるリチウム空気二次電池と比較して、電池重量および電池体積が少ないものとなり、相対的に電池重量あたりのエネルギー密度および電池体積あたりのエネルギー密度が高いものとなる。また、図1に示すリチウム空気二次電池1は、負極用の有機電解液が不要であるため、電池材料の費用を削減できる。また、図1に示すリチウム空気二次電池1では、負極3とリチウム伝導固体電解質4とが接合されているため、負極3の表面にデンドライドが成長しなくなる。さらに、図1に示すリチウム空気二次電池1では、負極3とリチウム伝導固体電解質4とが接合されているため、空気中の水や窒素などが金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極3と反応することに起因する危険性を回避できる。
Accordingly, the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1 has a smaller battery weight and battery volume than a lithium-air secondary battery provided with an organic electrolyte for the negative electrode, and relatively energy per battery weight. The density and the energy density per battery volume are high. In addition, since the lithium-air secondary battery 1 shown in FIG. 1 does not require an organic electrolyte for the negative electrode, the cost of the battery material can be reduced. Further, in the lithium air secondary battery 1 shown in FIG. 1, since the negative electrode 3 and the lithium conductive
「実施例1〜実施例4」
以下に示す方法により接合されたリチウムインジウム合金からなる負極3およびLi7La3Zr2O12からなるリチウム伝導固体電解質4と、正極2として多孔質カーボン21に白金粒子からなる触媒22が担持された空気極と、1M 水酸化リチウムからなる水溶液系電解液5とを用いて、図1に示すリチウム空気二次電池1を製造した。
"Example 1 to Example 4"
A negative electrode 3 made of a lithium indium alloy and a lithium conductive
「実施例1」
リチウム伝導固体電解質の表面を機械加工(切削)することにより、平均の表面粗さを5μmとした。次いで、粗面化された厚み150μmのリチウム伝導固体電解質の表面に、厚み50μmのLiIn金属箔からなる負極を以下に示す方法により圧着し、接合した。
まず、LiIn金属箔の表面に形成されている付着防止層を除去した。次いで、リチウム伝導固体電解質の表面上に、LiIn金属箔を配置し、油圧の一軸加圧プレス機を用いて,リチウム伝導固体電解質にLiIn金属箔を1ton/cm2の圧力で、1分間押し当てて圧着した。
"Example 1"
By machining (cutting) the surface of the lithium conductive solid electrolyte, the average surface roughness was set to 5 μm. Next, a negative electrode composed of a LiIn metal foil having a thickness of 50 μm was pressure-bonded and bonded to the roughened surface of the lithium conductive solid electrolyte having a thickness of 150 μm by the following method.
First, the adhesion preventing layer formed on the surface of the LiIn metal foil was removed. Next, a LiIn metal foil is placed on the surface of the lithium conductive solid electrolyte, and the LiIn metal foil is pressed against the lithium conductive solid electrolyte at a pressure of 1 ton / cm 2 for 1 minute using a hydraulic uniaxial pressing machine. And crimped.
「実施例2」
実施例1と同様にして、リチウム伝導固体電解質の表面を機械加工(切削)することにより、平均の表面粗さを5μmとした。次いで、材料としてTMIn (tri-methyl-indium)とn−ブチルリチウムとを使用し、化学蒸着法(CVD)によって、リチウム伝導固体電解質の表面に、負極として厚み10μmのLiIn金属を堆積させることにより、負極とリチウム伝導固体電解質とを接合した。
"Example 2"
In the same manner as in Example 1, the surface of the lithium conductive solid electrolyte was machined (cut) to obtain an average surface roughness of 5 μm. Next, by using TMIn (tri-methyl-indium) and n-butyllithium as materials and depositing LiIn metal having a thickness of 10 μm as a negative electrode on the surface of the lithium conductive solid electrolyte by chemical vapor deposition (CVD). The negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte were joined.
「実施例3」
実施例2と同様にして、負極とリチウム伝導固体電解質とを接合した後、負極のリチウム伝導固体電解質と反対側の面に、厚み50μmの金属リチウム箔を配置し、一軸加圧プレス機を用いる方法により貼り付けて、化学蒸着法(CVD)によって堆積されたLiIn金属と貼り付けられた金属リチウム箔との2層からなる負極を形成した。
"Example 3"
In the same manner as in Example 2, after joining the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte, a metal lithium foil having a thickness of 50 μm was placed on the surface of the negative electrode opposite to the lithium conductive solid electrolyte, and a uniaxial pressure press was used. The negative electrode which consists of two layers of the LiIn metal deposited by the chemical vapor deposition method (CVD) and the metal lithium foil stuck was formed.
「実施例4」
実施例1と同様にして、リチウム伝導固体電解質の表面を機械加工(切削)することにより、平均の表面粗さを5μmとした。次いで、LiIn金属箔を200℃/hourで300℃に加熱することにより溶融状態の負極材料とし、溶融状態の負極材料を粗面化された厚み150μmのリチウム伝導固体電解質の表面にスプレーを用いて塗工することにより、リチウム伝導固体電解質の表面に溶融状態の負極材料を積層し、冷却速度10℃/minで冷却凝固させることにより、厚み50μmのLiIn金属箔からなる負極とリチウム伝導固体電解質とを接合した。
Example 4
In the same manner as in Example 1, the surface of the lithium conductive solid electrolyte was machined (cut) to obtain an average surface roughness of 5 μm. Next, the LiIn metal foil was heated to 300 ° C. at 200 ° C./hour to form a molten negative electrode material, and the molten negative electrode material was sprayed on the surface of the 150 μm thick lithium conductive solid electrolyte that was roughened. By coating, a negative electrode material in a molten state is laminated on the surface of the lithium conductive solid electrolyte, and cooled and solidified at a cooling rate of 10 ° C./min, whereby a negative electrode composed of a LiIn metal foil having a thickness of 50 μm, a lithium conductive solid electrolyte, Were joined.
「比較例1」
負極とリチウム伝導固体電解質とを接して配置したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を製造した。
「比較例2」
負極とリチウム伝導固体電解質との間に負極用の有機電解液を配置したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を製造した。
"Comparative Example 1"
A lithium air secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte were placed in contact with each other.
"Comparative Example 2"
A lithium air secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the organic electrolyte for the negative electrode was disposed between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte.
このようにして得られた実施例1〜実施例4、比較例1および比較例2のリチウム空気二次電池について、以下に示す評価を行った。 The lithium air secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 thus obtained were evaluated as follows.
「評価方法」
電気化学測定装置を用いて,10,100,500,1000μA/cm2の電流密度で放電試験を実施した。
"Evaluation method"
A discharge test was performed at a current density of 10, 100, 500, 1000 μA / cm 2 using an electrochemical measuring device.
上記評価の結果、本発明の実施例である実施例1〜実施例4のリチウム空気二次電池では、10μA/cm2の電流密度において,いずれもLi−空気電池の放電容量を確認できた。また、実施例1〜実施例4のリチウム空気二次電池ではいずれも、電流密度を大きくすることにより、抵抗成分による過電圧に伴う放電電圧の低下が確認されたが、放電電圧の低下の傾向は、実施例3が最も小さく、次に実施例2が小さかった。 As a result of the evaluation, in the lithium air secondary batteries of Examples 1 to 4 which are examples of the present invention, the discharge capacity of the Li-air battery could be confirmed at any current density of 10 μA / cm 2 . Further, in each of the lithium air secondary batteries of Examples 1 to 4, it was confirmed that the discharge voltage was lowered due to the overvoltage due to the resistance component by increasing the current density. Example 3 was the smallest, and then Example 2 was the smallest.
これは、リチウム伝導固体電解質の前記表面に前記負極を圧着して接合した実施例1と比較して、リチウム伝導固体電解質の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させた実施例2の方が、負極とリチウム伝導固体電解質の表面との接触抵抗が低いことと、実施例2と比較して、負極が、リチウム伝導固体電解質と接合された層と、その層に貼り付けられた金属箔からなる層の2層からなる実施例3の方が、負極の抵抗が低いものとなることによるものと推定される。 Compared with Example 1 in which the negative electrode was bonded to the surface of the lithium conductive solid electrolyte by pressure bonding, Example 2 in which the negative electrode material was deposited on the surface of the lithium conductive solid electrolyte by a chemical deposition method was used. However, the contact resistance between the negative electrode and the surface of the lithium conductive solid electrolyte is low, and compared with Example 2, the layer in which the negative electrode is bonded to the lithium conductive solid electrolyte and the metal foil attached to the layer It is presumed that Example 3, which consists of two layers consisting of the above, is due to the lower resistance of the negative electrode.
これに対し、負極とリチウム伝導固体電解質とがリチウムイオンの拡散が可能なように接合されていない比較例1では、リチウム伝導固体電解質の界面が黒く変色し,充放電することが不可能であった。
また、負極とリチウム伝導固体電解質との間に負極用の有機電解液を配置した比較例2では、充放電可能であったものの,拡散界面の数が多いことによる抵抗の増加が大きく,放電電圧の低下が大きかった。また、充電後の比較例2のリチウム空気二次電池を解体したところ,負極の表面にデンドライド状のリチウムが成長していた。
In contrast, in Comparative Example 1 in which the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte were not joined so that lithium ions could be diffused, the interface of the lithium conductive solid electrolyte was changed to black, and charging / discharging was impossible. It was.
In Comparative Example 2 in which the organic electrolyte for the negative electrode was disposed between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte, although charge / discharge was possible, the increase in resistance due to the large number of diffusion interfaces was large, and the discharge voltage The drop in was large. Further, when the lithium air secondary battery of Comparative Example 2 after charging was disassembled, dendritic lithium was growing on the surface of the negative electrode.
1…リチウム空気二次電池、2…正極、3…負極、4…リチウム伝導固体電解質、5…水溶液系電解液、21…多孔質カーボン、22…触媒。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lithium air secondary battery, 2 ... Positive electrode, 3 ... Negative electrode, 4 ... Lithium conductive solid electrolyte, 5 ... Aqueous solution type electrolyte solution, 21 ... Porous carbon, 22 ... Catalyst.
Claims (10)
金属リチウムまたはリチウム合金からなる負極と、
前記負極の前記正極側の面に接合されたペロブスカイト型またはガーネット型のリチウム伝導固体電解質と、
前記リチウム伝導固体電解質と前記正極との間に配置された水溶液系電解液と、を具備してなり、
前記負極と前記リチウム伝導固体電解質との間でリチウムイオンの拡散が可能なように前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とが接合されていることを特徴とするリチウム空気二次電池。 An air electrode as a positive electrode;
A negative electrode made of metallic lithium or a lithium alloy;
A perovskite-type or garnet-type lithium conductive solid electrolyte joined to the surface of the negative electrode on the positive electrode side;
An aqueous electrolyte solution disposed between the lithium conductive solid electrolyte and the positive electrode,
The lithium air secondary battery, wherein the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte are joined so that lithium ions can diffuse between the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte.
前記リチウム伝導固体電解質の表面を粗面化し、前記粗面化された前記リチウム伝導固体電解質の前記表面に前記負極を圧着して接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 4,
Producing a lithium-air secondary battery comprising a step of roughening a surface of the lithium conductive solid electrolyte and bonding the negative electrode to the surface of the roughened lithium conductive solid electrolyte. Method.
前記リチウム伝導固体電解質の表面に溶融状態の負極材料を積層して冷却凝固させることにより、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とを接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 4,
Producing a lithium-air secondary battery comprising a step of joining the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte by laminating a molten negative electrode material on the surface of the lithium conductive solid electrolyte and cooling and solidifying it. Method.
前記リチウム伝導固体電解質の表面に負極材料を化学的堆積法によって堆積させることにより、前記負極と前記リチウム伝導固体電解質とを接合する工程を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 4,
A method for producing a lithium-air secondary battery, comprising a step of bonding the negative electrode and the lithium conductive solid electrolyte by depositing a negative electrode material on the surface of the lithium conductive solid electrolyte by a chemical deposition method.
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