JP2014017230A - Porous carbon and metal air battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide porous carbon capable of providing a metal air battery improved in output characteristics while securing high capacity, and a metal air battery including the porous carbon in a positive electrode.SOLUTION: Porous carbon used for a positive electrode of a metal air battery includes a pore containing a meso pore and a micro pore having a pore size smaller than that of the meso pore. A carbonaceous wall configuring an outer shell of the meso pore forms a three dimensional network structure, and the micro pore is formed in the carbonaceous wall. The meso pore is an open pore, and pore portions are continuous to form a connection hole. A half-value width of a pore size distribution of the pore is 2 nm or less, and a half-value width of a connection hole size distributing of the connection hole is 50 nm or more.

Description

本発明は、多孔質炭素、及びこの多孔質炭素を正極に具備する金属空気電池に関する。   The present invention relates to porous carbon and a metal-air battery including the porous carbon in a positive electrode.

金属空気電池とは、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いる電池であり、エナルギー密度(重量に対する放電可能な電力量)が高い、小型化・軽量化が容易であるといった利点を有し、現在最もエネルギー密度が高いと考えられているリチウムイオン電池を超えるエネルギー密度を有する電池として注目されている。   A metal-air battery is a battery that uses oxygen in the air as the positive electrode active material and metal as the negative electrode active material, and has a high energy density (the amount of electric power that can be discharged with respect to weight), and can be easily reduced in size and weight. As a battery having an energy density exceeding that of a lithium ion battery which has an advantage of being present and is considered to have the highest energy density at present.

このような金属空気電池は、正極と、負極と、この正極と負極の間に配置された電解質層と、前記正極上に積層された酸素透過膜から構成されている。そして正極には導電性材料が用いられており、グラファイトやアセチレンブラック等の炭素材料が用いられている。   Such a metal-air battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and an oxygen permeable membrane laminated on the positive electrode. A conductive material is used for the positive electrode, and a carbon material such as graphite or acetylene black is used.

このような金属空気電池において、正極容量が十分ではなく、金属空気電池が本来有している高容量であるという特徴を生かしていないという問題があった。これを解決するため、特許文献1では、直径1nm以上の細孔径の占める細孔容積が1.0ml/g以上の炭素材料を正極に用いることにより、高容量の正極を与えることが報告されている。   Such a metal-air battery has a problem in that the positive electrode capacity is not sufficient and the high-capacity characteristic inherent in the metal-air battery is not utilized. In order to solve this, Patent Document 1 reports that a positive electrode having a high capacity can be obtained by using a carbon material having a pore volume of 1.0 ml / g or more occupied by a pore diameter of 1 nm or more in diameter as the positive electrode. Yes.

特開2002−015737号公報JP 2002-015737 A

上記のように、所定の細孔容積と細孔径分布を有する炭素材料、例えばケッチェンブラックを用いて金属空気電池を作製し、その放電評価を行うと、大きな放電容量は得られるものの、さらなる高出力用途への展開に対しては、電位平坦部の電圧が低く、出力性能が十分でないことが見出された。   As described above, when a metal-air battery is manufactured using a carbon material having a predetermined pore volume and pore size distribution, such as ketjen black, and its discharge evaluation is performed, a large discharge capacity can be obtained, but a higher discharge capacity can be obtained. It has been found that the voltage at the potential flat portion is low and the output performance is not sufficient for the development to the output application.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、高容量を確保しつつ、出力特性の向上した金属空気電池を提供することのできる多孔質炭素、及びこの多孔質炭素を正極に具備する金属空気電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and can provide a metal-air battery with improved output characteristics while securing a high capacity, and this porous carbon as a positive electrode. It aims at providing the metal air battery which comprises.

上記課題を解決するため、本発明によれば、金属空気電池の正極に用いられる多孔質炭素であって、メソ孔とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなし、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることを特徴とする多孔質炭素が提供される。   In order to solve the above problems, according to the present invention, porous carbon used for a positive electrode of a metal-air battery, comprising mesopores and micropores having a pore size smaller than the mesopores, The carbonaceous wall constituting the outline of the mesopores has a three-dimensional network structure, the micropores are formed in the carbonaceous wall, the mesopores are open pores, and the pore portions are continuously connected to the pores. The porous carbon is characterized in that the half-value width of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, and the half-value width of the connection pore diameter distribution of the connection holes is 50 nm or more.

また本発明によれば、第1の多孔質炭素と第2の多孔質炭素からなり、第1の多孔質炭素が上記の多孔質炭素であり、第2の多孔質炭素が上記の多孔質炭素のメソ孔に金属酸化物を含むものであり、第1の多孔質炭素と第2の多孔質炭素の総重量に対して第2の多孔質炭素の量が0wt%を超え、かつ25wt%以下である多孔質炭素が提供される。   Moreover, according to this invention, it consists of 1st porous carbon and 2nd porous carbon, 1st porous carbon is said porous carbon, and 2nd porous carbon is said porous carbon. The mesopores of the first porous carbon contain a metal oxide, and the amount of the second porous carbon is more than 0 wt% and not more than 25 wt% with respect to the total weight of the first porous carbon and the second porous carbon. A porous carbon is provided.

さらに本発明によれば、上記多孔質炭素を正極に具備する金属空気電池が提供される。   Furthermore, according to this invention, the metal air battery which comprises the said porous carbon in a positive electrode is provided.

本発明の多孔質炭素では、気孔部分が連続して連結孔を形成していることから、リチウムイオンや酸素の拡散性が向上するため、電池の出力特性が向上する。   In the porous carbon of the present invention, since the pore portions continuously form the connecting holes, the diffusibility of lithium ions and oxygen is improved, so that the output characteristics of the battery are improved.

本発明の金属空気電池の構成を示す略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the metal air battery of this invention. 本発明の多孔質炭素の構成を示す略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the porous carbon of this invention. 多孔質炭素の細孔径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore diameter distribution of porous carbon. 多孔質炭素の連結孔径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the connection hole diameter distribution of porous carbon. 金属空気電池の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a metal air battery. 金属空気電池の正極の多孔質炭素の細孔径分布と最大出力の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pore diameter distribution of the porous carbon of the positive electrode of a metal air battery, and the maximum output. 金属空気電池の正極の多孔質炭素の連結孔径分布と最大出力の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the connection hole diameter distribution of the porous carbon of the positive electrode of a metal air battery, and the maximum output. メソ孔内に金属酸化物を含む多孔質炭素の割合と放電電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ratio of the porous carbon which contains a metal oxide in a mesopore, and discharge voltage.

本発明の金属空気電池は、多孔質炭素を含有する正極層及びこの正極の集電を行う正極集電体を有する正極と、負極活物質を含有する負極層及びこの負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、前記正極層と負極層の間に配置されるセパレータと、前記正極層と負極層の間で金属イオンの伝導を行う電解質層とを有し、前記多孔質炭素がメソ孔とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなし、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることを特徴とするものである。   The metal-air battery of the present invention collects a positive electrode having a positive electrode layer containing porous carbon and a positive electrode current collector that collects the positive electrode, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer. A porous carbon comprising: a negative electrode having a negative electrode current collector; a separator disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer; and an electrolyte layer that conducts metal ions between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Is provided with pores including mesopores and micropores having a diameter smaller than that of the mesopores, and the carbonaceous wall constituting the outline of the mesopores has a three-dimensional network structure, and the micropores are formed in the carbonaceous walls. Formed, the mesopores are open pores, the pore portions continuously form connection holes, the half-value width of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, and the connection of the connection holes The half width of the pore size distribution is 50 nm or more. That.

このような金属空気電池の1例として、図1にリチウム空気電池の断面図を示し、この図面を参照して本発明を詳細に説明する。   As an example of such a metal-air battery, FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lithium-air battery, and the present invention will be described in detail with reference to this drawing.

図1に例示するように、リチウム空気電池10は、下部絶縁ケース1a及び酸素を供給するために設けられた微多孔膜7を有する上部絶縁ケース1bからなる電池ケース1と、前記下部絶縁ケース1aの内底面に形成された負極集電体2及び上記負極集電体2上に形成され金属Liからなる負極層3を含む負極と、多孔質炭素を含有する正極層4及び前記正極層4の集電を行う正極集電体5を含む正極と、前記負極集電体2に接続された負極リード2´及び正極集電体5に接続された正極リード5´と、負極層3及び正極層4の間に設置された電解質層6とから構成される。なお、この図では、電界質層6にセパレータが含まれた構造となっている。   As illustrated in FIG. 1, a lithium-air battery 10 includes a battery case 1 including a lower insulating case 1a and an upper insulating case 1b having a microporous film 7 provided to supply oxygen, and the lower insulating case 1a. Of the negative electrode current collector 2 formed on the inner bottom surface and the negative electrode layer 3 formed on the negative electrode current collector 2 and made of metal Li, the positive electrode layer 4 containing porous carbon, and the positive electrode layer 4 A positive electrode including a positive electrode current collector 5 for collecting current, a negative electrode lead 2 ′ connected to the negative electrode current collector 2, a positive electrode lead 5 ′ connected to the positive electrode current collector 5, a negative electrode layer 3, and a positive electrode layer 4 and the electrolyte layer 6 disposed between the four. In this figure, the electrolyte layer 6 has a structure including a separator.

このような構成のリチウム空気電池における電池反応は以下のとおりである。
放電反応(電池使用時)
負極:2Li → 2Li++2e- (1)
正極:2Li++2e-+O2 → Li22 (2)
充電反応(電池充電時)
負極:2Li++2e- → 2Li (3)
正極:Li22 → 2Li++2e-+O2 (4)
The battery reaction in the lithium-air battery having such a configuration is as follows.
Discharge reaction (when using batteries)
Negative electrode: 2Li → 2Li + + 2e (1)
Positive electrode: 2Li + + 2e + O 2 → Li 2 O 2 (2)
Charging reaction (during battery charging)
Negative electrode: 2Li + + 2e → 2Li (3)
Positive electrode: Li 2 O 2 → 2Li + + 2e + O 2 (4)

放電時には、式(1)及び(2)に示すように、負極から電子とリチウムイオンを放出し、一方正極では電子を取り込むと同時に電池外部から取り込んだ酸素とリチウムイオンが反応してリチウム酸化物が生成する。また充電時には、式(4)及び(5)に示すように、負極において電子と共にリチウムイオンを取り込み、正極において電子と共にリチウムイオンと酸素を放出する。   At the time of discharging, as shown in the formulas (1) and (2), electrons and lithium ions are released from the negative electrode, while at the positive electrode, oxygen and lithium ions taken in from the outside of the battery react to react with lithium oxide. Produces. At the time of charging, as shown in equations (4) and (5), lithium ions are taken together with electrons in the negative electrode, and lithium ions and oxygen are released together with electrons in the positive electrode.

次に、このようなリチウム空気電池の各構成について詳細に説明する。   Next, each configuration of such a lithium-air battery will be described in detail.

1.正極
正極は、多孔質炭素を含有する正極層及び前記正極層の集電を行う正極集電体から構成されている。本発明においては、図2に示すように、この多孔質炭素20は、メソ孔11とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔12とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁13が3次元網目構造をなし、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることを特徴としている。
1. The positive electrode is composed of a positive electrode layer containing porous carbon and a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode layer. In the present invention, as shown in FIG. 2, the porous carbon 20 includes pores including mesopores 11 and micropores 12 having a smaller diameter than the mesopores, and constitutes the outline of the mesopores. The carbonaceous wall 13 has a three-dimensional network structure, the micropores are formed in the carbonaceous wall, the mesopores are open pores, and the pore portions continuously form connection holes, The full width at half maximum of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, and the full width at half maximum of the connection hole diameter distribution of the connection holes is 50 nm or more.

上記構成の如く、メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造を成し、かつ、炭素質壁にマイクロ孔が形成されていれば、単位量あたりの表面積、すなわち比表面積が大きくなり、多くの反応場を提供することができる。また、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成していることにより、リチウムイオンや酸素の拡散性が向上し、電池の出力特性が向上する。さらに、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることにより、高容量を保持しつつ、出力特性をさらに向上させることができる。   As in the above configuration, if the carbonaceous wall that forms the outline of the mesopores has a three-dimensional network structure and micropores are formed in the carbonaceous wall, the surface area per unit amount, that is, the specific surface area is large. Therefore, many reaction fields can be provided. In addition, since the mesopores are open pores and the pore portions continuously form connection holes, the diffusibility of lithium ions and oxygen is improved, and the output characteristics of the battery are improved. Furthermore, the half-value width of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, and the half-value width of the connection hole diameter distribution of the connection holes is 50 nm or more, thereby further improving the output characteristics while maintaining a high capacity. Can do.

尚、本明細書では、細孔径が2nm未満のものをマイクロ孔、細孔径が2〜50nmのものをメソ孔、細孔径が50nmを超えるものをマクロ孔、と称し、またこれらの孔を総称して細孔と称する場合がある。また、本明細書において、細孔径は窒素吸着法により測定した値を意味する。さらに、細孔径分布は、多孔質炭素の窒素吸着測定を行い、得られた吸着等温線からBJH法を用いて求め、分布が最大となる細孔径から分布値が半分となる細孔径までの幅を細孔径分布の半値幅とし、連結孔径分布の半値幅については、多孔質炭素のパームポロメトリー測定を行い、バブルポイント法から求め、分布が最大となる細孔径から分布値が半分となる細孔径までの幅を連結孔径分布の半値幅とする。   In the present specification, those having a pore diameter of less than 2 nm are referred to as micropores, those having a pore diameter of 2 to 50 nm are referred to as mesopores, and those having a pore diameter exceeding 50 nm are referred to as macropores, and these pores are collectively referred to. May be referred to as pores. In the present specification, the pore diameter means a value measured by a nitrogen adsorption method. Furthermore, the pore size distribution is determined by measuring the nitrogen adsorption of porous carbon, using the BJH method from the obtained adsorption isotherm, and the width from the pore size at which the distribution is maximum to the pore size at which the distribution value is halved. Is the half-value width of the pore size distribution, and the half-value width of the connected pore size distribution is obtained by performing a palm porometry measurement of porous carbon and obtained from the bubble point method. The width up to the hole diameter is defined as the half width of the connection hole diameter distribution.

上記メソ孔及びマイクロ孔を含む細孔における孔径(細孔径)は0.3〜100nmであることが好ましい。細孔径が0.3nm未満のものは作製が困難である一方、細孔径が100nmを超えると、単位体積あたりの炭素質壁の量が少なくなって、3次元網目構造を保持できなくなる恐れがある。   The pore diameter (pore diameter) in the pores including the mesopores and micropores is preferably 0.3 to 100 nm. While it is difficult to produce a material having a pore diameter of less than 0.3 nm, when the pore diameter exceeds 100 nm, the amount of carbonaceous wall per unit volume is reduced, and there is a possibility that the three-dimensional network structure cannot be maintained. .

また、孔径1nm以上の細孔の占める細孔容積が1ml/g以上であることが好ましい。リチウム空気電池は、放電反応の進行に伴い正極炭素材料の細孔中にLiOやLi等のリチウム酸化物が蓄積していく。炭素材料中の細孔径1nm以下のいわゆるマイクロ孔はこの酸化物の蓄積により速やかに閉塞され、放電反応を阻害するため、容量に対する寄与は非常に少ない。従って、細孔径が1nm以上のメソ細孔の領域に細孔を多く有する炭素材料が非水電解質電池の正極として高容量を与えるのであり、単位重量当たり1600mAh/gを越えるような高容量を与えるためにはメソ細孔領域に1.0ml/g以上の細孔容積を有することが必要である。しかしながら、細孔容積が4.0ml/gを超えるものでは炭素材の嵩密度が極端に大きくなり、単位体積当たりの容量が低下する。従って、1nm以上のメソ細孔の領域に1.0ml/g 以上4.0ml/g以下の細孔容積をもつものがより好ましい。 The pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more is preferably 1 ml / g or more. In the lithium air battery, lithium oxides such as Li 2 O and Li 2 O 2 accumulate in the pores of the positive electrode carbon material as the discharge reaction proceeds. The so-called micropores having a pore diameter of 1 nm or less in the carbon material are quickly blocked by the accumulation of the oxide and inhibit the discharge reaction, so that the contribution to the capacity is very small. Therefore, a carbon material having many pores in a mesopore region having a pore diameter of 1 nm or more gives a high capacity as a positive electrode of a nonaqueous electrolyte battery, and gives a high capacity exceeding 1600 mAh / g per unit weight. For this purpose, it is necessary to have a pore volume of 1.0 ml / g or more in the mesopore region. However, when the pore volume exceeds 4.0 ml / g, the bulk density of the carbon material becomes extremely large, and the capacity per unit volume decreases. Therefore, it is more preferable to have a pore volume of 1.0 ml / g or more and 4.0 ml / g or less in a mesopore region of 1 nm or more.

また、比表面積はBET法により測定し、600〜2000m/gであることが好ましい。比表面積が600m/g未満では気孔の形成量が不十分であり三次元網目構造を形成しないという問題がある一方、比表面積が2000m/gを超えると炭素壁の形状が保てなくなり粒子として崩壊してしまうという問題がある。 The specific surface area is measured by the BET method and is preferably 600 to 2000 m 2 / g. When the specific surface area is less than 600 m 2 / g, there is a problem that the formation amount of pores is insufficient and a three-dimensional network structure is not formed. On the other hand, when the specific surface area exceeds 2000 m 2 / g, the shape of the carbon wall cannot be maintained. There is a problem that it will collapse.

さらに、前記炭素壁は炭素部分と空孔部分とからなり、炭素壁全体の体積に対する炭素部分の体積の割合が40%以上であることが好ましい。炭素壁全体の体積に対する炭素部分の体積の割合が40%以上であれば、マイクロ孔がより発達し易くなるので、炭素壁に微細な空孔が生じる。   Furthermore, the carbon wall is composed of a carbon portion and a void portion, and the ratio of the volume of the carbon portion to the total volume of the carbon wall is preferably 40% or more. If the ratio of the volume of the carbon portion to the volume of the entire carbon wall is 40% or more, the micropores are more easily developed, so that fine pores are generated in the carbon wall.

このような本発明の多孔質炭素は、例えば、有機質樹脂を含み炭素収率が40%以上85%以下の流動性材料と、金属(例えばアルカリ土類金属)の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択される金属化合物の少なくとも1種からなり、略同じ径を有する鋳型粒子と、を混合して混合物を作製するステップと、この混合物を非酸化性雰囲気で加熱焼成して焼成物を作製するステップと、この焼成物中の前記鋳型粒子を除去するステップと、を有する方法により製造することができる。   Such porous carbon of the present invention includes, for example, a fluid material containing an organic resin and having a carbon yield of 40% or more and 85% or less, and an oxide, hydroxide, carbonic acid of a metal (for example, alkaline earth metal). A step of mixing at least one metal compound selected from the group consisting of a salt and an organic acid salt and template particles having substantially the same diameter to produce a mixture, and heating the mixture in a non-oxidizing atmosphere It can be manufactured by a method having a step of firing to produce a fired product and a step of removing the template particles in the fired product.

上記の如く鋳型粒子として粒径が略同一のものを用いれば、鋳型粒子はマトリックス中(焼成物中)に均一に分散されるので、鋳型粒子間の間隔のバラツキが小さくなる。従って、炭素質壁の厚みが均一に近い三次元網目構造となる。但し、流動性材料の炭素収率が余り小さかったり大きかったりすると(具体的には、流動性材料の炭素収率が40%未満であったり、85%を超えていると)三次元網目構造が保持されない炭素粉末となるが、炭素収率が40%以上85%以下の流動性材料を用いることにより、鋳型粒子を除去した後には、鋳型粒子が存在した場所が連続孔となる三次元網目構造を有する多孔質炭素を得ることができる。また、鋳型粒子として粒径が略同一のものを用いれば、同一サイズの連続孔が形成されるので、スポンジ状且つ略籠状の多孔質炭素を作製することができる。   If template particles having substantially the same particle size are used as described above, the template particles are uniformly dispersed in the matrix (in the fired product), so that variations in the spacing between the template particles are reduced. Therefore, a three-dimensional network structure in which the thickness of the carbonaceous wall is almost uniform is obtained. However, if the carbon yield of the flowable material is too small or large (specifically, if the carbon yield of the flowable material is less than 40% or exceeds 85%), the three-dimensional network structure is A three-dimensional network structure in which the location where the template particles exist becomes continuous pores after removing the template particles by using a flowable material having a carbon yield of 40% or more and 85% or less. The porous carbon which has can be obtained. Further, if the template particles having substantially the same particle diameter are used, continuous pores having the same size are formed, so that sponge-like and substantially bowl-like porous carbon can be produced.

また、鋳型粒子の径や有機質樹脂の種類を変えることによって、細孔の径、多孔質炭素の細孔分布、及び、炭素質壁の厚みを調整することができる。したがって、鋳型粒子の径と有機質樹脂の種類とを適宜選択することによって、より均一な細孔径を有し、より大きな細孔容量を有する多孔質炭素を作製することも可能となる。更に、炭素源に有機質樹脂を含む流動性材料を用い、しかも、賦活処理工程を経ることなく多孔質炭素を作製できるので、得られた多孔質炭素は非常に高純度なものとなる。   Further, the diameter of the pores, the pore distribution of the porous carbon, and the thickness of the carbonaceous wall can be adjusted by changing the diameter of the template particles and the kind of the organic resin. Accordingly, by appropriately selecting the diameter of the template particles and the type of the organic resin, it is possible to produce porous carbon having a more uniform pore diameter and a larger pore capacity. Furthermore, since the porous carbon can be produced without using the flowable material containing the organic resin as the carbon source and without undergoing the activation treatment step, the obtained porous carbon has a very high purity.

なお、アルカリ土類金属化合物を鋳型粒子として用いることが好ましいが、それは、アルカリ土類金属化合物は弱酸或いはお湯により除去することができる(即ち、強酸を用いることなく鋳型粒子を取り除くことができる)ので、鋳型粒子を除去するステップにおいて、多孔質炭素自体の性状が変化するのを抑制することができるからである。また、弱酸を用いた場合には、除去スピードが早くなるという利点がある一方、お湯を用いた場合には、酸が残留して不純物となるという不都合を防止できるという利点がある。また、鋳型粒子を除去するステップにおいて、溶出した酸化物溶液は再び原料として使用が可能であり、多孔質炭素の製造コストを低減できる。   In addition, it is preferable to use an alkaline earth metal compound as the template particle, but it is possible to remove the alkaline earth metal compound with a weak acid or hot water (that is, the template particle can be removed without using a strong acid). Therefore, in the step of removing the template particles, it is possible to suppress changes in the properties of the porous carbon itself. In addition, when weak acid is used, there is an advantage that the removal speed is increased. On the other hand, when hot water is used, there is an advantage that the disadvantage that the acid remains and becomes an impurity can be prevented. In the step of removing the template particles, the eluted oxide solution can be used again as a raw material, and the production cost of porous carbon can be reduced.

一方、上記酸化物として用いる原料はアルカリ土類金属酸化物(酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の他に、熱処理により熱分解過程で酸化マグネシウムへと状態が変化する、金属有機酸(クエン酸マグネシウム、シュウ酸マグネシウム、クエン酸カルシウム、シュウ酸カルシウム等)を使用することもできる。また、酸化物を取り除く洗浄液としては、塩酸、硫酸、硝酸、クエン酸、酢酸、ギ酸など一般的な無機酸を使用し、2mol/l以下の希酸として用いるのが好ましい。また、80℃以上の熱水を使用することも可能である。   On the other hand, the raw material used as the oxide is not only an alkaline earth metal oxide (magnesium oxide, calcium oxide, etc.) but also a metal organic acid (magnesium citrate, Magnesium oxide, calcium citrate, calcium oxalate, etc. In addition, common inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, citric acid, acetic acid, and formic acid are used as cleaning solutions for removing oxides. It is preferably used as a dilute acid of 2 mol / l or less, and hot water at 80 ° C. or higher can also be used.

さらに、本発明の多孔質炭素を得るには、非酸化雰囲気下で、500℃以上、1500℃以下の温度で炭化することが好ましい。高炭素収率の樹脂は高分子であるため、600℃未満では炭素化が不十分で細孔の発達が十分ではない場合がある一方、1500℃以上では収縮が大きく、酸化物が焼結し粗大化するため、細孔サイズが小さくなって比表面積が小さくなるからである。   Furthermore, in order to obtain the porous carbon of the present invention, carbonization is preferably performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower in a non-oxidizing atmosphere. Since the resin with a high carbon yield is a polymer, carbonization may be insufficient at less than 600 ° C. and pore development may not be sufficient, while shrinkage is large at 1500 ° C. or more, and the oxide may sinter. This is because coarsening causes the pore size to be reduced and the specific surface area to be reduced.

また、本発明の多孔質炭素は、上記多孔質炭素である第1の多孔質炭素と、上記多孔質炭素のメソ孔に金属酸化物を含むものである第2の多孔質炭素からなり、第1の多孔質炭素と第2の多孔質炭素の総重量に対して第2の多孔質炭素の量が0wt%を超え、かつ25wt%以下である多孔質炭素であることが好ましい。この第2の多孔質炭素は、第1の多孔質炭素の製造過程において鋳型粒子である金属酸化物を除去することなく、メソ孔中に残したものである。この金属酸化物としては、上記の鋳型粒子として用いることができ、酸素及びリチウムと親和性の高いものを用いることが好ましい。第2の多孔質炭素はわずかな量含まれることにより、リチウムと酸素との親和性が高く、高活性なナノサイズの金属酸化物が電極内に高分散化され、これによりカーボン近傍のリチウムや酸素の吸着能が向上し、電池の出力特性が向上すると考えられる。しかしながら、第2の多孔質炭素の量が25wt%を超えると、第1の多孔質炭素の効果を打ち消してしまい、かえって特性が低下してしまう。   The porous carbon of the present invention comprises the first porous carbon that is the porous carbon and the second porous carbon that contains a metal oxide in the mesopores of the porous carbon. It is preferable that the amount of the second porous carbon is greater than 0 wt% and not more than 25 wt% with respect to the total weight of the porous carbon and the second porous carbon. The second porous carbon is left in the mesopores without removing the metal oxide that is the template particle in the production process of the first porous carbon. As this metal oxide, it can be used as said template particle, It is preferable to use a thing with high affinity with oxygen and lithium. By containing a small amount of the second porous carbon, the affinity between lithium and oxygen is high, and a highly active nano-sized metal oxide is highly dispersed in the electrode. It is considered that the oxygen adsorption ability is improved and the output characteristics of the battery are improved. However, if the amount of the second porous carbon exceeds 25 wt%, the effect of the first porous carbon is canceled and the characteristics are deteriorated.

本発明における正極層は、少なくとも上記の多孔質炭素を含有してれば良いが、さらに、多孔質炭素を固定化するバインダを含有することが好ましい。このバインダとしては、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)等を挙げることができる。正極層におけるバインダの含有量としては、特に限定されるものではないが、1重量%〜40重量%の範囲内であることが好ましい。   The positive electrode layer in the present invention may contain at least the above porous carbon, but preferably further contains a binder for fixing the porous carbon. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Although it does not specifically limit as content of the binder in a positive electrode layer, It is preferable to exist in the range of 1 weight%-40 weight%.

本発明における正極層の厚さは、リチウム空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μmの範囲内、中でも5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the positive electrode layer in the present invention varies depending on the use of the lithium-air battery, but is preferably in the range of 2 μm to 500 μm, and more preferably in the range of 5 μm to 300 μm.

また、正極層の形成方法としては、以下に説明する正極集電体上に、前記多孔質炭素及びバインダ等からなる組成物を溶媒中に分散した塗料をドクターブレード法等により塗布する方法や、前記組成物を圧着プレスにより成型する方法を用いることができる。   Further, as a method for forming the positive electrode layer, on the positive electrode current collector described below, a method in which a paint in which a composition composed of the porous carbon and a binder is dispersed in a solvent is applied by a doctor blade method or the like, A method of molding the composition by a pressure press can be used.

本発明に用いられる正極集電体は、正極層の集電を行うものである。正極集電体の材料としては、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、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。正極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、正極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、正極層の内部にメッシュ状の正極集電体が配置される。さらに、本発明のリチウム空気電池は、メッシュ状の正極集電体により集電された電荷を集電する別の正極集電体(例えば箔状の集電体)を有していてもよい。また、本発明においては、後述する電池ケースが正極集電体の機能を兼ね備えていても良い。   The positive electrode current collector used in the present invention collects current from the positive electrode layer. The material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Especially, in this invention, it is preferable that the shape of a positive electrode electrical power collector is a mesh form. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-like positive electrode current collector is disposed inside the positive electrode layer. Furthermore, the lithium-air battery of the present invention may have another positive electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects charges collected by the mesh-shaped positive electrode current collector. In the present invention, a battery case to be described later may have the function of a positive electrode current collector.

本発明における正極集電体の厚さは、例えば10μm〜1000μmの範囲内、中でも20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the positive electrode current collector in the present invention is, for example, preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 20 μm to 400 μm.

2.負極
次に、本発明の金属空気電池に用いられる負極について説明する。本発明に用いられる負極は、負極活物質を含有する負極層及び上記負極層の集電を行う負極集電体を有する。
2. Next, the negative electrode used in the metal-air battery of the present invention will be described. The negative electrode used in the present invention has a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer.

本発明に用いられる負極層は、少なくとも、リチウムを有する負極活物質を含有するものである。本発明に用いられる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出することができることが好ましい。このような負極活物質としては、リチウムを有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば金属単体、合金、金属酸化物、金属窒化物等を挙げることができる。さらに、リチウム元素を有する合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。また、リチウム元素を有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。   The negative electrode layer used in the present invention contains at least a negative electrode active material having lithium. The negative electrode active material used in the present invention is preferably capable of occluding and releasing lithium ions. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it has lithium, and examples thereof include a simple metal, an alloy, a metal oxide, and a metal nitride. Furthermore, examples of the alloy having a lithium element include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Moreover, as a metal oxide which has a lithium element, lithium titanium oxide etc. can be mentioned, for example. Examples of the metal nitride containing a lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride.

また、本発明における負極層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、バインダを含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及びバインダを有する負極層とすることができる。なお、このバインダについては、上述した「2.正極」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。また、粉末状の負極活物質を用いて負極層を形成する方法としては、前記正極層と同様に、ドクターブレード法や圧着プレスによる成型方法等を用いることができる。   Further, the negative electrode layer in the present invention may contain only the negative electrode active material, or may contain a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, a negative electrode layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, a negative electrode layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained. Since this binder is the same as the contents described in “2. Positive electrode” described above, description thereof is omitted here. In addition, as a method for forming the negative electrode layer using the powdered negative electrode active material, a doctor blade method, a molding method using a pressure press, or the like can be used similarly to the positive electrode layer.

本発明における負極集電体の材料としては、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、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン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、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。   The material for the negative electrode current collector in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In the present invention, a battery case, which will be described later, may have the function of a negative electrode current collector.

3.セパレータ
本発明に用いられるセパレータは、前記正極層及び負極層の間に設置されるものである。セパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離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(PE)、ポリプロピレン(PP)等の多孔膜や、PE、PP等の樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
3. Separator The separator used in the present invention is installed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The separator is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the positive electrode layer and the negative electrode layer. For example, a porous film such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), PE, Examples thereof include porous insulating materials such as resin nonwoven fabrics such as PP and nonwoven fabrics such as glass fiber nonwoven fabrics.

セパレータは、多孔度を30〜90%の範囲にすることが好ましい。多孔度を30%未満にすると、セパレータに電解質を保持させる場合に、十分に保持することが困難になるおそれがあり、一方、多孔度が90%を越えると、十分なセパレータ強度を得られなくなるおそれがあるからである。多孔度のより好ましい範囲は、35〜60%である   The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 90%. If the porosity is less than 30%, it may be difficult to sufficiently hold the electrolyte in the separator. On the other hand, if the porosity exceeds 90%, sufficient separator strength cannot be obtained. Because there is a fear. A more preferable range of the porosity is 35 to 60%.

4.電解質層
本発明において、電解質層は、リチウムの塩を含む有機溶媒系に代表される溶液系及び同じくリチウムの塩を含む高分子固体電解質の系に代表される固体膜系いずれの形態でも差し支えない。溶液系の場合,電解質層としては,非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調製される液体状電解液を用いることができる。非水溶媒としてはリチウム二次電池の溶媒として公知の非水溶媒を用いることができる。例えば、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)、またはその両者の混合溶媒(第1溶媒と称す)と前記PCやECより低粘度でありかつドナー数が18以下である1種以上の非水溶媒(以下第2溶媒と称す)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。
4). Electrolyte layer In the present invention, the electrolyte layer may be in the form of either a solution system represented by an organic solvent system containing a lithium salt or a solid film system represented by a polymer solid electrolyte system containing a lithium salt. . In the case of a solution system, as the electrolyte layer, a liquid electrolyte solution prepared by dissolving a lithium salt in a nonaqueous solvent can be used. As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as a solvent for the lithium secondary battery. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), or a mixed solvent of both of them (referred to as a first solvent) and one or more non-solvents having a viscosity lower than that of the PC or EC and a donor number of 18 or less. It is preferable to use a non-aqueous solvent mainly composed of a mixed solvent with an aqueous solvent (hereinafter referred to as a second solvent).

第2溶媒としては、分子内に炭酸エステル結合あるいはエステル結合を含む鎖状カーボネートが好ましく、中でも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(MPC)、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(γ−BL)、酢酸エチル、酢酸メチルなどが挙げられる。これらの第2溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。特に、第2種溶媒は沸点が90℃以上であることが好ましい。   As the second solvent, a carbonate ester bond or a chain carbonate containing an ester bond in the molecule is preferable. Among them, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate (MPC), Examples include isopropiomethyl carbonate, ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone (γ-BL), ethyl acetate, and methyl acetate. These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more. In particular, the second type solvent preferably has a boiling point of 90 ° C. or higher.

前記混合溶媒中の前記ECまたはPCの配合量は、体積比で10〜80%であることが好ましい。より好ましいECまたはPCの配合量は体積比率で20〜75%である。前記混合溶媒の具体的な例は、ECとPC、ECとDEC、ECとPCとDEC、ECとγ−BL、ECとγ−BLとDEC、ECとPCとγ−BL、ECとPCとγ−BLとDECの混合溶媒で、ECの体積比率は10〜80%としたものが好ましい。より好ましいECの体積比率は、25〜65%の範囲である。   The blending amount of the EC or PC in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume ratio. A more preferable blending amount of EC or PC is 20 to 75% by volume ratio. Specific examples of the mixed solvent include EC and PC, EC and DEC, EC and PC and DEC, EC and γ-BL, EC and γ-BL and DEC, EC and PC and γ-BL, EC and PC, and A mixed solvent of γ-BL and DEC, preferably having a volume ratio of EC of 10 to 80%. A more preferred EC volume ratio is in the range of 25-65%.

非水電解液に含まれる電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム[LiN(CF3SO22]などのリチウム塩(電解質)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the electrolyte contained in the nonaqueous electrolytic solution include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3). SO 3 ), lithium salts (electrolytes) such as bistrifluoromethanesulfonylamidolithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], and the like, but are not limited thereto.

電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.5モル/lとすることが望ましい。また、液体系の非水電解質層を用いる場合、前述したように、この非水電解質を前記のセパレータに含浸・保持することで非水電界質層を形成する。   The amount of electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.5 mol / l. When using a liquid nonaqueous electrolyte layer, as described above, the nonaqueous electrolyte layer is formed by impregnating and holding the nonaqueous electrolyte in the separator.

固体電解質系の非水電解質層を用いる場合は、リチウム塩を溶解した高分子材料を含むフィルムを高分子固体電解質として用いることができる。高分子材料としては、例えば、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)等を挙げることができる。リチウム塩には前記と同様の、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化燐酸リチウム、四フッ化硼酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO22]等を挙げることができる。また、固体電解質層には、イオン導電性を向上させるために有機溶媒を添加することが好ましい。かかる有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、フッ素含有のカーボネート類、鎖状カーボネート類等を挙げることができる。前記有機溶媒は、これらを単独で用いてもよいが、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 When using a solid electrolyte nonaqueous electrolyte layer, a film containing a polymer material in which a lithium salt is dissolved can be used as the polymer solid electrolyte. Examples of the polymer material include polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and the like. As the lithium salt, for example, lithium perchlorate, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] and the like. Moreover, it is preferable to add an organic solvent to the solid electrolyte layer in order to improve ionic conductivity. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), fluorine-containing carbonates, chain carbonates, and the like. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.

以上、本発明の非水電解質電池の一例として、空気リチウム二次電池を挙げて説明したが、負極活物質として、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、セシウムなどからなる金属イオンを吸蔵・放出できる材料を使用した他の空気金属二次電池として使用することもできる。なお、他の空気金属二次電池を作製する際には、前述の電解質としてナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、セシウムなどの金属塩を使用すればよい。   As described above, the air lithium secondary battery has been described as an example of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention. However, as the negative electrode active material, a material capable of inserting and extracting metal ions composed of sodium, aluminum, magnesium, cesium, or the like is used. It can also be used as another air metal secondary battery. In preparing other air metal secondary batteries, metal salts such as sodium, aluminum, magnesium, cesium, etc. may be used as the above-mentioned electrolyte.

5.電池ケース
電池ケースとしては、上述した正極、負極、電解質層を収納することができれば特に限定されるものではないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。また、電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。なお、大気開放型の電池ケースである場合は、大気が出入りできる通風口を有し、大気が上記正極と接触可能な電池ケースである。一方、電池ケースが密閉型電池ケースとしては、密閉型電池ケースに、気体(空気)の供給管及び排出管を設けることが好ましい。この場合、供給・排出する気体は、乾燥気体であることが好ましく、なかでも、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素(99.99%)であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。
5. Battery Case The battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the above-described positive electrode, negative electrode, and electrolyte layer, and specific examples include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. it can. The battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. In the case of a battery case that is open to the atmosphere, the battery case has a vent hole through which air can enter and exit, and the air can be in contact with the positive electrode. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) supply pipe and a discharge pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be supplied / exhausted is preferably a dry gas, in particular, preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen (99.99%). In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

また、本発明の金属空気電池は、正極層、電解質層、及び負極層がこの順で配置された発電要素が、中間集電体を介して複数積層されているものであってもよい。また、本発明の金属空気電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、二次電池であることが好ましい。本発明の効果をより効果的に発揮することができるからである。また、本発明の金属空気電池の用途は、特に限定されるものではないが、例えば車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途等を挙げることができる。   Further, the metal-air battery of the present invention may be one in which a plurality of power generating elements in which a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer are arranged in this order are stacked via an intermediate current collector. The metal-air battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because the effects of the present invention can be more effectively exhibited. Further, the use of the metal-air battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a vehicle-mounted application, a stationary power supply application, and a household power supply application.

次に、本発明のリチウム空気電池の製造方法は、上記のリチウム空気電池を得ることができる方法であれば、特に限定されるものではなく、一般的なリチウム空気電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。例えば、コインセル型のリチウム空気電池を製造する場合は、不活性ガス雰囲気下において、まず、負極層及び負極集電体を有する負極を負極側電池ケースに配置し、次に、その負極層上にセパレータを配置し、次に、そのセパレータ上から、上記電解質を注入し、次に、正極層及び正極集電体を有する正極を、正極層をセパレータ側に向けて配置し、次に、正極側電池ケースに配置し、最後にこれらをかしめる方法等を挙げることができる。   Next, the method for producing a lithium-air battery of the present invention is not particularly limited as long as it can obtain the above-described lithium-air battery, and is the same method as the method for producing a general lithium-air battery. Can be used. For example, when manufacturing a coin-cell type lithium-air battery, under an inert gas atmosphere, first, a negative electrode having a negative electrode layer and a negative electrode current collector is placed in the negative electrode side battery case, and then on the negative electrode layer. A separator is disposed, and then the electrolyte is injected from above the separator. Next, a positive electrode having a positive electrode layer and a positive electrode current collector is disposed with the positive electrode layer facing the separator side, and then the positive electrode side. Examples of the method include arranging the battery case and finally caulking them.

実施例1
MgO鋳型メソポーラスカーボン(東洋炭素製、分布の最大となる細孔径4nm)とPTFEバインダ(ダイキン製)とを、重量比90:10でエタノール溶媒を用いて混練し、ロールプレスにより圧延し、電極シートを作製した。電解質としては、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(DEMETFSA、関東化学製)にLiTFSA(リチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、キシダ化学製)を0.32mol/kgの濃度となるようにAr雰囲気下で一晩撹拌混合溶解させたものを用いた。さらにセパレータとしてポリオレフィン系セパレータを、負極として金属Li(本城化学製)にSUS304板(ニラコ製)を集電板として貼付したものを用い、図1に記載のように配置してリチウム空気電池を製造した。
Example 1
MgO template mesoporous carbon (manufactured by Toyo Tanso, maximum pore size of 4 nm) and PTFE binder (manufactured by Daikin) were kneaded with an ethanol solvent at a weight ratio of 90:10, rolled by a roll press, and an electrode sheet Was made. As an electrolyte, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bistrifluoromethanesulfonylamide (DEMETFSA, manufactured by Kanto Chemical) and LiTFSA (lithium bistrifluoromethanesulfonylamide, manufactured by Kishida Chemical) are used. What was stirred, mixed and dissolved overnight under an Ar atmosphere so as to have a concentration of 0.32 mol / kg was used. Further, a polyolefin separator as a separator, a metal Li (manufactured by Honjo Kagaku) as a negative electrode and a SUS304 plate (manufactured by Niraco) attached as a current collector plate are arranged as shown in FIG. Manufactured.

比較例1
MgO鋳型メソポーラスカーボン(東洋炭素製、分布の最大となる細孔径200m)を用いることを除き、実施例1と同様にしてリチウム空気電池を製造した。
Comparative Example 1
A lithium air battery was produced in the same manner as in Example 1 except that MgO-templated mesoporous carbon (manufactured by Toyo Tanso, maximum pore size of distribution 200 m) was used.

比較例2
MgO鋳型メソポーラスカーボンに代えてケッチェンブラックECP600JD(ケッチェンブラックインターナショナル製)を用いることを除き、実施例1と同様にしてリチウム空気電池を製造した。
Comparative Example 2
A lithium-air battery was produced in the same manner as in Example 1 except that Ketjen Black ECP600JD (manufactured by Ketjen Black International) was used instead of MgO-templated mesoporous carbon.

比較例3
酸処理したケッチェンブラックECP600JDを用いることを除き、実施例1と同様にしてリチウム空気電池を製造した。
Comparative Example 3
A lithium air battery was produced in the same manner as in Example 1 except that acid-treated ketjen black ECP600JD was used.

実施例1で用いたメソポーラスカーボンと比較例2で用いたケッチェンブラックについて、窒素吸着測定を行い、得られた吸着等温線からBJH法を用いて細孔径を求め、分布が最大となる細孔径から分布値が半分となる細孔径までの幅を細孔径分布の半値幅とし、また、パームポロメトリー測定を行い、バブルポイント法から連結孔径を求め、分布が最大となる細孔径から分布値が半分となる細孔径までの幅を連結孔径分布の半値幅とし、この結果を図3及び図4に示す。   The mesoporous carbon used in Example 1 and the ketjen black used in Comparative Example 2 were subjected to nitrogen adsorption measurement, and the pore diameter was determined from the obtained adsorption isotherm using the BJH method. The half-width of the pore size distribution is the half-width of the pore size distribution, and the palm porometry measurement is performed to obtain the connected pore size from the bubble point method. The width up to the half pore diameter is defined as the half-value width of the connected pore diameter distribution, and the results are shown in FIG. 3 and FIG.

これらの金属空気電池について、作製後60℃で3時間保持した電池を、0.1mA/cm2の電流密度下で2.3Vまで放電した。電流電圧特性については、電池作製後60℃で3時間保持した後に、各電流密度で30分保持したときの電圧を測定した。以上の結果を表1及び図5〜7に示す。 Regarding these metal-air batteries, batteries that were held at 60 ° C. for 3 hours after production were discharged to 2.3 V under a current density of 0.1 mA / cm 2 . Regarding the current-voltage characteristics, the voltage was measured after holding the battery at 60 ° C. for 3 hours and then holding it at each current density for 30 minutes. The above results are shown in Table 1 and FIGS.

Figure 2014017230
Figure 2014017230

実施例2
実施例1のMgO鋳型メソポーラスカーボンに代えて、鋳型粒子であるMgOを除去していないメソポーラスカーボンを全体の0wt%、20wt%、40wt%及び60wt%含むMgO鋳型メソポーラスカーボンを用いて、実施例1と同様にしてリチウム空気電池を製造した。これらの金属空気電池について、作製後60℃で3時間保持した電池を、0.1mA/cm2の電流密度下で放電し、一定容量規制時の放電電圧を測定した。この結果を図8に示す。
Example 2
Instead of the MgO-templated mesoporous carbon of Example 1, MgO-templated mesoporous carbon containing 0 wt%, 20 wt%, 40 wt% and 60 wt% of the mesoporous carbon from which the MgO as the template particles have not been removed is used. A lithium air battery was manufactured in the same manner as described above. Regarding these metal-air batteries, the batteries maintained at 60 ° C. for 3 hours after the production were discharged under a current density of 0.1 mA / cm 2 , and the discharge voltage at the time of constant capacity regulation was measured. The result is shown in FIG.

以上の結果から明らかなように、細孔径分布の半値幅が2nm以下で、連結孔径分布の半値幅が50nm以上である多孔質炭素を金属空気電池の正極層に用いることにより、高容量を保持しつつ出力特性を向上させることが確認された。   As is clear from the above results, high capacity is maintained by using porous carbon having a half-value width of the pore size distribution of 2 nm or less and a half-value width of the connected pore size distribution of 50 nm or more for the positive electrode layer of the metal-air battery. However, it was confirmed that the output characteristics were improved.

比較例2におけるように、ケッチェンブラックを正極層に用いた場合、放電特性が低かったが、この放電特性が低いということは、放電反応中に電極表面で律速過程が存在していることを示唆している。金属空気電池の反応には、反応場に酸素と金属イオンが潤沢に存在することが必須となる。ケッチェンブラックのような多孔質炭素は、一次粒子内に細孔を有した中空構造となっており、細孔容積が非常に大きく、これが電池の放電容量に大きく寄与している。しかし、この粒子内細孔は独立、閉孔しているため、金属イオンや酸素が細孔内部にまで拡散しにくい。このため、反応時の物質供給律速から過電圧が増加し、放電電位が低下する。また、ケッチェンブラックの細孔径は不規則であり、幅広い細孔径分布を有している。このため、反応がある細孔径領域で起こると、他の細孔径領域は使用されず、細孔利用率が低いといったことも原因となる。   As in Comparative Example 2, when ketjen black was used for the positive electrode layer, the discharge characteristics were low, but this low discharge characteristic means that a rate-limiting process exists on the electrode surface during the discharge reaction. Suggests. For the reaction of the metal-air battery, it is essential that oxygen and metal ions exist in the reaction field. Porous carbon such as ketjen black has a hollow structure with pores in the primary particles and has a very large pore volume, which greatly contributes to the discharge capacity of the battery. However, since the intra-particle pores are independent and closed, it is difficult for metal ions and oxygen to diffuse into the pores. For this reason, the overvoltage increases due to the rate of material supply during the reaction, and the discharge potential decreases. Ketjen black has irregular pore diameters and a wide pore diameter distribution. For this reason, if the reaction occurs in a certain pore size region, the other pore size region is not used, which also causes a low pore utilization rate.

これに対し、本発明の多孔質炭素では、メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造を成し、かつ、炭素質壁にマイクロ孔が形成されており、単位量あたりの表面積、すなわち比表面積が大きくなり、多くの反応場を提供することができる。また、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成していることにより、リチウムイオンや酸素の拡散性が向上し、電池の出力特性が向上する。さらに、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることにより、高容量を保持しつつ、出力特性をさらに向上させることができる。   On the other hand, in the porous carbon of the present invention, the carbonaceous wall constituting the outline of the mesopores has a three-dimensional network structure, and micropores are formed in the carbonaceous wall, and the surface area per unit amount That is, the specific surface area is increased, and many reaction fields can be provided. In addition, since the mesopores are open pores and the pore portions continuously form connection holes, the diffusibility of lithium ions and oxygen is improved, and the output characteristics of the battery are improved. Furthermore, the half-value width of the pore diameter distribution of the pores is 2 nm or less, and the half-value width of the connection hole diameter distribution of the connection holes is 50 nm or more, thereby further improving the output characteristics while maintaining a high capacity. Can do.

さらに、メソ孔に酸素、リチウムと親和性があり、活性の高い金属酸化物を含む多孔質炭素を所定量含むことにより、炭素表面でのリチウムイオンや酸素の吸着能が向上し、電池の放電電圧が向上する。   In addition, the mesopores have affinity for oxygen and lithium, and by containing a predetermined amount of porous carbon containing a highly active metal oxide, the ability to adsorb lithium ions and oxygen on the carbon surface is improved, and the battery discharge The voltage is improved.

1 電池ケース
2 負極集電体
3 負極層
4 正極層
5 正極集電体
6 電解質層
7 微多孔膜
10 リチウム空気電池
11 メソ孔
12 マイクロ孔
13 炭素質壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery case 2 Negative electrode collector 3 Negative electrode layer 4 Positive electrode layer 5 Positive electrode collector 6 Electrolyte layer 7 Microporous film 10 Lithium air battery 11 Mesopore 12 Micropore 13 Carbonaceous wall

Claims (6)

金属空気電池の正極に用いられる多孔質炭素であって、メソ孔とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなし、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であることを特徴とする多孔質炭素。   Porous carbon used for a positive electrode of a metal-air battery, comprising pores including mesopores and micropores having a pore diameter smaller than the mesopores, and a carbonaceous wall constituting the outline of the mesopores is three-dimensional A mesh structure is formed, the micropores are formed in the carbonaceous wall, the mesopores are open pores, and the pore portions continuously form connection pores, and the pore size distribution of the pores The porous carbon is characterized in that the half-value width of is 2 nm or less, and the half-value width of the connection hole diameter distribution of the connection holes is 50 nm or more. 前記細孔における孔径が0.3〜100nmである、請求項1記載の多孔質炭素。   The porous carbon according to claim 1, wherein the pore diameter in the pore is 0.3 to 100 nm. 孔径1nm以上の細孔の占める細孔容積が1ml/g以上である、請求項1記載の多孔質炭素。   The porous carbon according to claim 1, wherein the pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more is 1 ml / g or more. 比表面積が600〜2000m2/gである、請求項1記載の多孔質炭素。 The porous carbon according to claim 1, which has a specific surface area of 600 to 2000 m 2 / g. 第1の多孔質炭素と第2の多孔質炭素からなり、
第1の多孔質炭素が請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔質炭素であり、
第2の多孔質炭素が請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔質炭素のメソ孔に金属酸化物を含むものであり、
第1の多孔質炭素と第2の多孔質炭素の総重量に対して第2の多孔質炭素の量が0wt%を超え、かつ25wt%以下である多孔質炭素。
Consisting of a first porous carbon and a second porous carbon,
The first porous carbon is the porous carbon according to any one of claims 1 to 4,
The second porous carbon contains metal oxide in the mesopores of the porous carbon according to any one of claims 1 to 4,
A porous carbon in which the amount of the second porous carbon is more than 0 wt% and not more than 25 wt% with respect to the total weight of the first porous carbon and the second porous carbon.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の多孔質炭素を正極に具備する金属空気電池。   The metal air battery which comprises the porous carbon of any one of Claims 1-5 in a positive electrode.
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