JP2014022210A - Carbon material for metal air secondary battery, positive electrode member for metal air secondary battery including the same, and metal air secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、充放電可能な金属空気二次電池に関するものである。 The present invention relates to a chargeable / dischargeable metal-air secondary battery.
近年、自動車業界においては、ガソリン等の燃料で駆動するエンジンを用いた従来の自動車に代わって、電気で駆動するモータをエンジンと併用するハイブリッド電気自動車(HEV)や、モータのみで駆動する電気自動車(EV)の開発が進められている。モータを用いたこれらの自動車(以下では、単に「電気自動車」と総称する。)の性能は、電気エネルギーの供給源である蓄電池の特性によって大きく左右される。そのため、優れた特性を有する蓄電池の開発が進められている。 In recent years, in the automobile industry, instead of conventional automobiles using engines driven by fuel such as gasoline, hybrid electric cars (HEV) that use an electric motor together with the engine, or electric cars driven only by a motor. (EV) is being developed. The performance of these automobiles using motors (hereinafter, simply referred to as “electric automobiles”) depends greatly on the characteristics of the storage battery that is the source of electrical energy. For this reason, development of storage batteries having excellent characteristics is in progress.
リチウムイオン二次電池は、他の従来の二次電池と比べて軽量かつ高出力という特徴を有していることから、電気自動車をはじめとする他の様々な装置に搭載される蓄電池において広く利用されている。現在、実際に得られているリチウムイオン二次電池の重量エネルギー密度は約100Wh/kg程度であり、その理論的な上限は400Wh/kg程度であると考えられている。しかし、電気自動車の本格的な普及のためには、更なる大容量の蓄電池が求められており、少なくとも500Wh/kg程度の重量エネルギー密度が必要であるとも言われている。そのため、リチウムイオン二次電池よりも大きな重量エネルギー密度が期待できる革新型電池の開発が求められている。 Lithium ion secondary batteries are lighter and have higher output than other conventional secondary batteries, so they are widely used in storage batteries installed in various other devices including electric vehicles. Has been. At present, the lithium ion secondary battery actually obtained has a weight energy density of about 100 Wh / kg, and its theoretical upper limit is considered to be about 400 Wh / kg. However, for full-scale popularization of electric vehicles, a battery with a larger capacity is required, and it is said that a weight energy density of at least about 500 Wh / kg is required. Therefore, there is a demand for the development of an innovative battery that can be expected to have a greater weight energy density than a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池の重量エネルギー密度を制約している要因の一つは、コバルト酸リチウムに代表される含リチウム遷移金属酸化物を正極材料に用いていることである。すなわち、その構成元素である遷移金属元素は重金属であるため、これを正極材料として蓄電池に組み込むと重量が増加し、結果として、重量エネルギー密度が小さくなってしまう。そこで、こうした制約を避けるため、正極材料に大気中の酸素を利用し、負極材料に金属を利用する金属空気電池が近年注目されている。金属空気電池を蓄電池として用いて電力貯蔵を行うと、従来のリチウムイオン電池と比べて重量を低減することができるため、コスト低減が見込める。 One of the factors that limit the weight energy density of the lithium ion secondary battery is that a lithium-containing transition metal oxide typified by lithium cobaltate is used as the positive electrode material. That is, since the transition metal element that is a constituent element is a heavy metal, when it is incorporated in a storage battery as a positive electrode material, the weight increases, and as a result, the weight energy density decreases. Therefore, in order to avoid such restrictions, metal-air batteries that use oxygen in the atmosphere as the positive electrode material and metal as the negative electrode material have recently attracted attention. When power storage is performed using a metal-air battery as a storage battery, the weight can be reduced as compared with a conventional lithium ion battery, and thus cost reduction can be expected.
従来、亜鉛を用いた金属空気電池が実用化されており、補聴器の電源等に使用されている。しかし、これまでの金属空気電池は、一次電池としての実用化に留まっており、充放電可能な二次電池としての実用化は未だなされていない。 Conventionally, metal-air batteries using zinc have been put into practical use and are used as power supplies for hearing aids. However, conventional metal-air batteries have only been put into practical use as primary batteries, and have not yet been put into practical use as chargeable / dischargeable secondary batteries.
従来の金属空気電池の二次電池化を阻む大きな理由としては、放電電圧が比較的低く、これに対して、充電電圧が比較的高いため、充放電エネルギー効率が低いことが挙げられる。これに関連して、以下のような技術が特許文献1及び2に開示されている。
A major reason for hindering the conventional metal-air battery from being a secondary battery is that the discharge voltage is relatively low, whereas the charge voltage is relatively high, so that the charge / discharge energy efficiency is low. In this regard, the following techniques are disclosed in
特許文献1には、リチウム空気電池において、外気から電池内へ水蒸気の透過を抑制する固体電解質を用いた正極を用いる構成が開示されている。
特許文献2には、水分量が1000ppm以下の酸素を電池外装体に加圧酸素を封入することで、高い放電容量を得られるリチウム空気二次電池が開示されている。
特許文献3には、水系電解質を用いたリチウム空気電池であって、正極は、多孔性を有しマンガン酸化物等を触媒として添加する炭素系材料であるものが開示されている。
特許文献4には、水系溶媒を用いた空気二次電池であって、空気極触媒が、炭素に支持された、Mn等の合金を含むものが開示されている。
特許文献1に記載のリチウム空気電池は、正極と負極との間に水を透過しない固体電解質を用いている。電流密度の高いリチウム空気電池を得るため、正極を大気に曝露するので、大気中の水などにより負極の活性が失う可能性がある。水を透過しない固体電解質にした。これは負極への水分に着目したものである。
The lithium-air battery described in
一方、特許文献2に記載の酸素リチウム電池は、高電池容量のため、密閉の電池容器に加圧酸素を封入する。サイクル寿命のため、封入酸素の水分量は1000ppm以下とした。二次電池として、充電の際、酸素を放出する。酸素分圧が高いため、充電電圧は高く、充放電効率が低下すると考えられる。これは、酸素ガス中の水分に着目したものである。
On the other hand, the oxygen lithium battery described in
特許文献3及び4に記載の空気電池は、非水系を前提とするものではない。
The air batteries described in
本発明は、非水系の空気電池の正極に着目して、充放電エネルギー効率を向上できる金属空気二次電池用炭素材料を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a carbon material for a metal-air secondary battery capable of improving charge / discharge energy efficiency by focusing on the positive electrode of a non-aqueous air battery.
本発明の金属空気二次電池用炭素材料は、炭素を主成分とし、昇温脱離ガス分析において50℃以上に加熱した際に脱離されるH2O量が表面積基準で3.0×10−7mol/m2以下であることを特徴とする。 The carbon material for a metal-air secondary battery of the present invention is mainly composed of carbon, and the amount of H 2 O desorbed when heated to 50 ° C. or higher in the temperature programmed desorption gas analysis is 3.0 × 10 on a surface area basis. It is characterized by being −7 mol / m 2 or less.
本発明によれば、金属空気二次電池における充放電エネルギー効率の向上を達成することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the improvement of the charge / discharge energy efficiency in a metal air secondary battery can be achieved.
以下、本発明の一実施形態に係る金属空気二次電池用炭素材料並びにこれを用いた金属空気二次電池用正極部材及び金属空気二次電池について説明する。 Hereinafter, a carbon material for a metal air secondary battery according to an embodiment of the present invention, a positive electrode member for a metal air secondary battery and a metal air secondary battery using the same will be described.
前記金属空気二次電池用炭素材料は、炭素を主成分とし、昇温脱離ガス分析において50℃以上に加熱した際に脱離されるH2O量が表面積基準で3.0×10−7mol/m2以下であることを特徴とする。 The carbon material for a metal-air secondary battery is mainly composed of carbon, and the amount of H 2 O desorbed when heated to 50 ° C. or higher in the temperature programmed desorption gas analysis is 3.0 × 10 −7 on a surface area basis. and characterized in that mol / m 2 or less.
前記金属空気二次電池用炭素材料は、上記のH2O量が表面積基準で1.0×10−7mol/m2以下であることが望ましい。 The carbon material for a metal-air secondary battery desirably has the above H 2 O content of 1.0 × 10 −7 mol / m 2 or less on a surface area basis.
前記金属空気二次電池用炭素材料は、熱分解法、ガス賦活法又はアルカリ賦活法で合成したことが望ましい。 The carbon material for a metal-air secondary battery is preferably synthesized by a thermal decomposition method, a gas activation method, or an alkali activation method.
前記金属空気二次電池用正極部材は、酸素をイオン化する機能を有する触媒と、バインダと、担体とを混合し、これを基材に塗布することにより形成したものであって、担体は、前記金属空気二次電池用炭素材料であることを特徴とする。 The positive electrode member for a metal-air secondary battery is formed by mixing a catalyst having a function of ionizing oxygen, a binder, and a carrier, and applying the mixture to a base material. It is a carbon material for a metal-air secondary battery.
前記金属空気二次電池用正極部材において、触媒は、Fe、Mn、Si、Cu、Sn、Ti、V、Mo、Nb、Ag、Ce又はZrの酸化物又は窒化物、或いはPt、Au、Pd、Ru、Rh若しくはOs又はその酸化物又はその塩を含むことが望ましい。 In the metal-air secondary battery positive electrode member, the catalyst is Fe, Mn, Si, Cu, Sn, Ti, V, Mo, Nb, Ag, Ce or Zr oxide or nitride, or Pt, Au, Pd. , Ru, Rh or Os or an oxide thereof or a salt thereof is desirable.
前記金属空気二次電池用正極部材において、バインダは、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン又はスチレンブタジエンゴムであることが望ましい。 In the positive electrode member for a metal-air secondary battery, the binder is preferably polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or styrene butadiene rubber.
前記金属空気二次電池は、金属イオンを吸蔵し放出する負極部材と、前記金属空気二次電池用正極部材とを備え、負極部材と前記金属空気二次電池用正極部材との間には、電解質を含む層が配置されていることを特徴とする。 The metal-air secondary battery includes a negative electrode member that occludes and releases metal ions and the positive electrode member for the metal-air secondary battery, and between the negative electrode member and the positive electrode member for the metal-air secondary battery, A layer containing an electrolyte is disposed.
前記金属空気二次電池において、電解質を含む層は、セパレータを含み、電解質は、非水溶媒に溶かした電解液としてセパレータに含浸されていることが望ましい。 In the metal-air secondary battery, the layer containing an electrolyte preferably includes a separator, and the electrolyte is preferably impregnated in the separator as an electrolytic solution dissolved in a nonaqueous solvent.
前記金属空気二次電池において、負極部材は、Li、Na、Ca、Mg、Zn、Al及びFeからなる群から選択される金属のイオンを吸蔵し放出することが望ましい。 In the metal-air secondary battery, the negative electrode member preferably occludes and releases ions of a metal selected from the group consisting of Li, Na, Ca, Mg, Zn, Al, and Fe.
以下、図面および表を用いて本発明の一実施形態に係る金属空気二次電池について説明する。 Hereinafter, a metal-air secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings and tables.
図1は、本発明の一実施形態による金属空気二次電池の断面を示す模式図である。この金属空気二次電池は、負極に金属リチウム(Li)を使用した継手構造のセルを有するリチウム空気二次電池である。 FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a metal-air secondary battery according to an embodiment of the present invention. This metal-air secondary battery is a lithium-air secondary battery having a joint structure cell using metal lithium (Li) as a negative electrode.
図1に示す金属空気二次電池(セル)は、正極部材1と、負極部材3と、これらの間に挟まれて配置されたセパレータ2とを備えている。セパレータ2には、電解液が含浸してある。金属リチウムである負極部材3の周囲には、Oリング4が配置されている。このセルは、押さえ板5が締め付けバネ7から受ける締め付け力により、押さえ板5と集電体6との間に挟まれた状態で固定されている。集電体6と酸素封入弁8との間には、正極活物質として作用する酸素ガスが封入されている。
The metal-air secondary battery (cell) shown in FIG. 1 includes a
負極部材3は、セパレータ2に含浸されている電解液の金属イオンを吸蔵および放出するものである。本実施形態においては、直径8mm、厚さ1mmの円板状の金属リチウムを負極部材3として使用した。この負極部材3の電極面積は、セパレータ2に接する部分の金属リチウムの面積として定義することができ、約0.5cm2である。また、セパレータ2には、負極部材3よりも大きな直径13mmの円板状のポリエチレンを使用した。
The
正極部材1は、正極活物質である酸素をイオン化するものである。
The
図1の金属空気二次電池では、放電時において、下記反応式(1)〜(3)で表される放電反応が行われる。 In the metal-air secondary battery of FIG. 1, a discharge reaction represented by the following reaction formulas (1) to (3) is performed during discharge.
(負極側)2Li → 2Li+ + 2e− …(1)
(正極側)O2 + 2Li+ + 2e− → Li2O2 …(2)
(全反応)2Li + O2 → Li2O2 …(3)
一方、充電時においては、下記反応式(4)〜(6)で表される充電反応が行われる。
(Negative electrode side) 2Li → 2Li + + 2e − (1)
(Positive electrode side) O 2 + 2Li + + 2e − → Li 2 O 2 (2)
(Total reaction) 2Li + O 2 → Li 2 O 2 (3)
On the other hand, during charging, a charging reaction represented by the following reaction formulas (4) to (6) is performed.
(負極側)2Li ← 2Li+ + 2e− …(4)
(正極側)O2 + 2Li+ + 2e− ← Li2O2 …(5)
(全反応)2Li + O2 ← Li2O2 …(6)
図2Aは、正極部材1の構成を示す模式図である。
(Negative electrode) 2Li ← 2Li + + 2e - ... (4)
(Positive electrode side) O 2 + 2Li + + 2e − ← Li 2 O 2 (5)
(Total reaction) 2Li + O 2 ← Li 2 O 2 (6)
FIG. 2A is a schematic diagram illustrating the configuration of the
本図に示すように、正極部材1は、触媒1b、バインダ1cおよび担体1dを混合し、これを基材1aに塗布することによって形成される。本実施形態においては、触媒1b、バインダ1cおよび担体1dをそれぞれ、5:4:1の重量比で混合し、これを基材1aに塗布して正極部材1とした。
As shown in the figure, the
図2Bは、図2Aの正極部材1を部分的に拡大して示したものである。
FIG. 2B is a partially enlarged view of the
本図においては、基材1aに塗布した触媒1b、バインダ1cおよび担体1dを示している。
In this figure, the
基材1aは、正極部材1を主に構成する導電性の物質であり、たとえば炭素や金属などが用いられる。基材1aとしては、比表面積が大きく(例えば、100m2/g以上)、かつ、電気伝導性が高いものが好ましい。たとえば、活性炭や金属多孔質体などを基材1aとして用いることができる。
The
触媒1bは、正極側における上記反応式(2)や上記反応式(5)の反応を助け、これにより、放電電圧を向上させると共に充電電圧を低下させる機能を有する粉末状の物質である。触媒1bとしては、MnO2などの酸化物が用いられる。
The
担体1dは、触媒1bを基材1aに担持する機能を有している。バインダ1cは、基材1a、触媒1bおよび担体1dを互いに結着させる機能を有する。なお、触媒1b、バインダ1c及び担体1dとして用いられる物質の詳細については、後述する各実施例においてそれぞれ説明する。
The
なお、正極部材1の大きさは、前述のセパレータ2よりも小さく、かつ、負極部材3よりも大きくすることが好ましい。すなわち、セパレータ2が最も大きく、正極部材1、負極部材3の順に小さくなるように、これらの大きさを設定することができる。
The size of the
電解質としては、LiPF6を用いた。電解液は、1モルのLiPF6を非水溶媒であるプロピレンカーボネートに溶かしたものである。これをセパレータ2に含浸して使用した。
LiPF 6 was used as the electrolyte. The electrolytic solution is obtained by dissolving 1 mol of LiPF 6 in propylene carbonate, which is a non-aqueous solvent. This was used by impregnating the
正極部材1の表面及び負極部材3の表面に電解液をそれぞれ数滴程度ずつ滴下した後、これらの表面を内側にして正極部材1と負極部材3との間にセパレータ2を挟み込むことで、電解液をセパレータ2に含浸させた。
After dropping about several drops of the electrolyte on the surface of the
集電体6は、厚さ1mmのステンレス鋼製メッシュである。なお、前述のように正極部材1において基材1aを金属多孔質体とした場合は、これを集電体6と兼用することも可能である。
The
押さえ板5は、ステンレス鋼製であり、締め付けバネ7から受ける締め付け力に応じて、負極部材3およびOリング4をセパレータ2の方向に加勢する。これにより、負極部材3、セパレータ2および正極部材1が互いに密着される構造とした。
The holding
本実施形態では、酸素封入弁8を開け、濃度99.9%の酸素ガスを500ml/分の流量で10〜15分程度流すことで、集電体6の外側からセルの内部に流入させた。その後、酸素封入弁8を閉じることで、セルの内部に酸素ガスを封入した。
In this embodiment, the oxygen sealing valve 8 is opened, and oxygen gas having a concentration of 99.9% is allowed to flow from the outside of the
なお、以上説明したような金属空気二次電池の組み立ては、グローブボックス内で行った。 The metal-air secondary battery as described above was assembled in a glove box.
次に、触媒1b、バインダ1cおよび担体1dの詳細について説明する。
Next, details of the
本実施形態では、触媒1bとして二酸化マンガンを、バインダ1cとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)をそれぞれ使用した。また、担体1dとしては、炭素材料を用いた。担体1dは、電極材料として用いられるため、優れた電気伝導性が要求される。
In this embodiment, manganese dioxide was used as the
放電時においては、上記反応式(2)に示すように、放電生成物Li2O2が正極表面に形成される。この生成物の量は多いほど、放電容量が高い。また、充電時においては、上記反応式(5)に示すように、放電生成物Li2O2が分解される。このLi2O2の粒子が小さいほど、または正極表面に形成したLi2O2層の膜厚が低いほど、Li2O2が分解され易く、充電されやすいと考えられる。したがって、体積が大きいLi2O2を正極表面に小さい粒子または薄膜として形成する観点から、比表面積が大きい炭素材料を用いることが好ましい。一般に、金属空気電池に用いる炭素材料の比表面積は100m2/g以上である。 At the time of discharge, as shown in the reaction formula (2), the discharge product Li 2 O 2 is formed on the surface of the positive electrode. The greater the amount of this product, the higher the discharge capacity. Moreover, at the time of charge, as shown in the above reaction formula (5), the discharge product Li 2 O 2 is decomposed. It is considered that the smaller the Li 2 O 2 particles or the lower the film thickness of the Li 2 O 2 layer formed on the positive electrode surface, the easier it is to decompose Li 2 O 2 and to charge it. Therefore, it is preferable to use a carbon material having a large specific surface area from the viewpoint of forming Li 2 O 2 having a large volume as small particles or a thin film on the positive electrode surface. Generally, the specific surface area of the carbon material used for a metal air battery is 100 m < 2 > / g or more.
その具体例について実施例1〜3を用いて説明する。 Specific examples thereof will be described using Examples 1 to 3.
実施例1では、担体1dとして活性炭1を用いて、次のような方法により正極部材1を作製した。
In Example 1, the
先ず、活性炭1の合成について説明する。
First, synthesis of the activated
原料とするヤシ殻炭を乾燥し、700℃で炭化した。その後、炭化した原料を1000℃以下で水蒸気ガスの賦活により活性炭1を得た。窒素吸着BET法により測定した比表面積は、約2100m2/gであった。
Coconut shell charcoal as a raw material was dried and carbonized at 700 ° C. Thereafter, activated
この活性炭1を触媒1bである二酸化マンガンと均一に混合した。
The activated
次に、この混合物に、バインダ1cであるPVDFのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を加え、十分に撹拌することにより、スラリを作製し、これを基材1aに塗布することで正極部材1を作製した。
Next, an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of PVDF, which is the
なお、上記のようにして作製した正極部材1は、80℃の空気雰囲気下で1時間程度乾燥してNMPを蒸発させ、その後、更に120℃で3時間程度真空乾燥させて水分を蒸発させてから、図1に示す金属空気二次電池に組み込んで使用した。
The
実施例2では、担体1dとして活性炭2を用いた。
In Example 2, activated
活性炭2の合成について説明する。
The synthesis of activated
原料とする易黒鉛化性の石炭コークスと水酸化カリウム(KOH)とを混合した後、加熱して賦活した。酸および純水を用いて精製し、乾燥して活性炭2を得た。窒素吸着BET法により測定した比表面積は、約2300m2/gであった。
After mixing graphitizable coal coke as a raw material and potassium hydroxide (KOH), the mixture was heated and activated. It refine | purified using an acid and a pure water, and it dried and obtained the activated
担体1dとして活性炭2を用いる以外は、実施例1と同様にして、正極部材1を作製した。
A
実施例3では、担体1dとして導電性カーボンブラックを用いた。
In Example 3, conductive carbon black was used as the
先ず、導電性カーボンブラックの合成について説明する。 First, the synthesis of conductive carbon black will be described.
原料として、アセチレンガスと、炭化水素と、カーボンナノチューブ化触媒とを含む混合原料を用い、500℃〜2000℃で熱分解反応により導電性カーボンブラックを作製した。この導電性カーボンブラックは、サイクロン等の回収装置によって捕集した。この導電性カーボンブラックは、窒素吸着BET法による比表面積が約800m2/gであった。 Conductive carbon black was produced by a thermal decomposition reaction at 500 ° C. to 2000 ° C. using a mixed raw material containing acetylene gas, hydrocarbon, and carbon nanotube-forming catalyst as a raw material. This conductive carbon black was collected by a collecting device such as a cyclone. This conductive carbon black had a specific surface area of about 800 m 2 / g by nitrogen adsorption BET method.
次に、この導電性カーボンブラックをアルゴン(Ar)と水素(H2)とを体積比率97:3で混合した雰囲気に置き、400℃で3時間処理した。 Next, this conductive carbon black was placed in an atmosphere in which argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) were mixed at a volume ratio of 97: 3 and treated at 400 ° C. for 3 hours.
次に、担体1dとして400℃処理した導電性カーボンブラックを用いる以外は、実施例1と同様にして、正極部材1を作製した。
Next, a
(比較例)
比較例では、担体1dとして、実施例3の熱分解反応により合成した導電性カーボンブラックをアルゴン(Ar)と水素(H2)とを混合した雰囲気における処理をせず、そのまま用いた以外は、実施例3と同様にして、正極部材1を作製した。
(Comparative example)
In Comparative Example, except that the conductive carbon black synthesized by the thermal decomposition reaction of Example 3 was used as the
次に、金属空気二次電池の充放電評価に関する実験結果について説明する。 Next, experimental results regarding the charge / discharge evaluation of the metal-air secondary battery will be described.
充放電評価の実験は、実施例1〜3による各金属空気二次電池と、処理なしの導電性カーボンブラックをそれぞれ担体1dとして用いた比較例の金属空気二次電池とを使用した。なお、比較例の金属空気二次電池は、上記の処理なしの導電性カーボンブラックを用いた点と異なっており、それ以外の点については実施例3と同様である。
In the experiments for charge / discharge evaluation, each metal-air secondary battery according to Examples 1 to 3 and a comparative metal-air secondary battery using conductive carbon black without treatment as a
実施例1〜3および比較例の各金属空気二次電池については、充電時並びに放電時のエネルギー密度及び平均電圧をそれぞれ測定し、その測定結果に基づいて充放電エネルギー効率を求めた。このときの充放電条件は、前述のように電極面積を0.5cm2とし、放電時は0.1mA/cm2の定電流放電を行い、充電時は0.02mA/cm2の定電流充電を行った。また、充電容量及び放電容量を共に100Ah/kgとし、これを超えたときに充電または放電を終了するようにした。 About each metal-air secondary battery of Examples 1-3 and a comparative example, the energy density and average voltage at the time of charge and discharge were measured, respectively, and charging / discharging energy efficiency was calculated | required based on the measurement result. Charging and discharging conditions at this time, the electrode area and 0.5 cm 2 as described above, the discharge time is a constant current discharge of 0.1 mA / cm 2, the constant current charging at the time of charging is 0.02 mA / cm 2 Went. Further, both the charge capacity and the discharge capacity were set to 100 Ah / kg, and the charge or discharge was terminated when the charge capacity and the discharge capacity were exceeded.
なお、本実験では、実施例1〜3および比較例の各金属空気二次電池を端子付きデシケータ内にそれぞれ設置し、デシケータの内部にアルゴンガスを封入した後、デシケータの外側端子を充放電評価装置に取り付けて測定を行った。 In this experiment, each of the metal-air secondary batteries of Examples 1 to 3 and the comparative example was installed in a desiccator with a terminal, and after argon gas was sealed inside the desiccator, charge / discharge evaluation was performed on the outer terminal of the desiccator. The measurement was performed by attaching to the apparatus.
図3は、本実験により得られた充放電中における電池容量及び充放電電圧の変化をグラフ化した充放電特性図を示したものである。横軸は電池容量を表し、縦軸は充電電圧または放電電圧を表している。本図においては、実施例1〜3および比較例を示している。 FIG. 3 shows a charge / discharge characteristic graph obtained by graphing changes in battery capacity and charge / discharge voltage during charge / discharge obtained by this experiment. The horizontal axis represents battery capacity, and the vertical axis represents charging voltage or discharging voltage. In this figure, Examples 1-3 and the comparative example are shown.
また、実施例1〜3および比較例において担体1dとして用いた4種類の炭素材料について、真空下で昇温脱離ガス分析を行った。この分析においては、炭素試料を50℃から昇温速度10℃/minで1000℃まで上昇した際、脱離したガスの量を計測した。
In addition, the four types of carbon materials used as the
図4は、実施例1〜3および比較例について、担体1dとして用いた炭素材料の昇温脱離ガス分析を行った結果を示したグラフである。横軸は温度を表し、縦軸は昇温脱離ガス量を表している。
FIG. 4 is a graph showing the results of thermal desorption gas analysis of the carbon material used as the
また、本実験により得られた実施例1〜3および比較例のエネルギー密度、充放電エネルギー効率、平均充放電電圧および脱離したH2O量を表1に示す。 Table 1 shows the energy density, charge / discharge energy efficiency, average charge / discharge voltage, and desorbed H 2 O amount of Examples 1 to 3 and Comparative Example obtained by this experiment.
図3において実施例1〜3と比較例とを比較すると、比較例のように導電性カーボンブラックを用いた場合と比べて、これらの昇温脱離H2O量が少ない炭素材料を担体1dに用いた実施例1〜3の方が、放電電圧が向上することが分かる。さらに、実施例1〜3の方が、比較例と比べて充電電圧が低いであることが分かる。そのため、実施例1〜3では、比較例よりも高い充放電エネルギー効率を得られる。
When comparing Examples 1 to 3 and the comparative example in FIG. 3, these carbon materials having a small amount of temperature-programmed desorption H 2 O as compared with the case of using conductive carbon black as in the comparative example are used as the
また、図4において実施例1〜3と比較例を比較すると、比較例の場合、昇温脱離H2O量が160℃で最大値5.7×10−10mol/m2となり、50℃〜1000℃に脱離したH2Oの積算量は1.38×10−7mol/m2と高くなっている。これに対して、実施例1〜3の160℃付近に脱離したH2O量は1.0×10−10mol/m2以下であり、50℃〜1000℃に脱離したH2Oの積算量は、導電性カーボンブラックの半分より低い。 In addition, when Examples 1 to 3 are compared with the comparative example in FIG. 4, in the comparative example, the temperature-programmed desorption H 2 O amount reaches a maximum value of 5.7 × 10 −10 mol / m 2 at 160 ° C. The integrated amount of H 2 O desorbed at from 1000 to 1000 ° C. is as high as 1.38 × 10 −7 mol / m 2 . On the other hand, the amount of H 2 O desorbed near 160 ° C. in Examples 1 to 3 is 1.0 × 10 −10 mol / m 2 or less, and H 2 O desorbed to 50 ° C. to 1000 ° C. Is less than half that of conductive carbon black.
昇温脱離したH2Oの由来は、主に二つある。それは、炭素材料の表面に付着したH2Oによるもの、および炭素の表面官能基(−COOH)の分解によるものである。一般に、真空下、90℃以下に脱離したH2Oは表面に付着した水分であり、90℃以上の広い温度範囲で脱離したH2Oは主に表面官能基(−COOH)の分解によるものである。 There are two main sources of H 2 O desorbed by temperature. It is due to H 2 O adhering to the surface of the carbon material and due to decomposition of the surface functional group (—COOH) of the carbon. In general, under vacuum, a water desorbed H 2 O is attached to the surface in 90 ° C. or less, the desorbed H 2 O at a wide temperature range above 90 ° C. mainly decomposition of surface functional groups (-COOH) Is due to.
以上のことから、昇温脱離H2O量が低いほど、充電電圧が低いことが分かった。この現象のメカニズムは、少なくとも以下の二つがある。 From the above, it was found that the lower the temperature-programmed desorption H 2 O amount, the lower the charging voltage. There are at least two mechanisms for this phenomenon.
一、炭素材料の表面に付着した水分。 1. Moisture adhering to the surface of the carbon material.
炭素表面に付着水が存在する場合、上記反応式(3)示すような理論反応生成物Li2O2とH2Oとが反応し、LiOHに生成する。充電の際、LiOHを分解するために約4.0Vが必要である。そのため、Li空気電池の充電電圧は高いと現れる。 When adhering water is present on the carbon surface, the theoretical reaction products Li 2 O 2 and H 2 O as shown in the above reaction formula (3) react to form LiOH. When charging, about 4.0 V is required to decompose LiOH. Therefore, it appears when the charging voltage of the Li air battery is high.
二、炭素材料の表面官能基。 Second, surface functional groups of carbon materials.
例えば、−COOHが存在する場合、放電において理論生成物と反応し、下記反応式(7)によりLi2CO3が生成する。 For example, when —COOH is present, it reacts with a theoretical product during discharge, and Li 2 CO 3 is generated according to the following reaction formula (7).
2Li2O2 + 2R−COOH → 2Li2CO3 + O2 + 2R−H
…(7)
Li2CO3は、理論分解電圧が3.8Vと高いため、Li空気電池の充電電圧が高いと現れる。
2Li 2 O 2 + 2R—COOH → 2Li 2 CO 3 + O 2 + 2R—H
... (7)
Since Li 2 CO 3 has a high theoretical decomposition voltage of 3.8 V, it appears when the charging voltage of the Li air battery is high.
また、金属空気電池においては、担体の表面に放電生成物が形成されるため、表面の付着水分及び官能基の影響は、比表面積あたりの水分及び官能基の量に寄与する。そのため、炭素材料の面積あたりの昇温脱離H2Oは重要なパラメータである。 In the metal-air battery, since discharge products are formed on the surface of the carrier, the influence of moisture and functional groups attached to the surface contributes to the amount of moisture and functional groups per specific surface area. Therefore, temperature-programmed desorption H 2 O per area of the carbon material is an important parameter.
以上の実験結果によれば、実施例1〜3のような真空下昇温脱離H2O量が少ない炭素材料を用いることで、金属空気二次電池における充放電エネルギー効率の向上を達成できることが分かる。 According to the above experimental results, it is possible to achieve an improvement in charge / discharge energy efficiency in a metal-air secondary battery by using a carbon material with a small amount of temperature-programmed desorption H 2 O under vacuum as in Examples 1 to 3. I understand.
また、実施例1〜3の炭素材料は、合成法が異なるが、同様に充電電圧を低減でき、充放電エネルギー効率を向上できた。この充電電圧を低減する効果は、炭素材料の合成法に依存しない。 Moreover, although the carbon material of Examples 1-3 was different in the synthesis method, the charging voltage could be similarly reduced and the charge / discharge energy efficiency could be improved. The effect of reducing the charging voltage does not depend on the carbon material synthesis method.
以上の実施形態によれば、金属空気二次電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出する負極部材3と、酸素をイオン化する正極部材1と、負極部材3と正極部材1との間に配置されたセパレータ2に含浸された電解質とを備え、正極部材1は、昇温脱離H2O量が低い炭素材料を有する。このような構成を有する金属空気二次電池は、充放電エネルギー効率の向上を達成することができる。
According to the above embodiment, the metal-air secondary battery is disposed between the
なお、以上の実施形態においては、実施例1〜3のように担体1dとして昇温脱離H2O量が少ない炭素材料を用いた例を説明したが、担体以外に、正極部材として用いても、同様の高充放電エネルギー効率を得ることができる。
In the above embodiment, an example in which a carbon material with a small amount of temperature-programmed desorption H 2 O is used as the
また、以上の実施形態においては、正極部材として昇温脱離H2O量が少ない炭素材料を用いた例を説明したが、正極の昇温脱離H2O量が少ないものを用いても、同様の高充放電エネルギー効率を得ることができる。 Moreover, in the above embodiment, an example has been described using a Atsushi Nobori H 2 O amount is less carbon material as the positive electrode member, also be used as Atsushi Nobori H 2 O amount of the positive electrode is small The same high charge / discharge energy efficiency can be obtained.
さらに、金属空気電池用炭素材料の面積あたりのH2O脱離量は、BET法で計測した比表面積より計算した。BET法による比表面積測定のばらつきが存在するため、炭素材料の表面積基準で、真空下50℃〜1000℃の昇温脱離H2Oの積分量は3.0×10−7mol/m2以下が好ましい。 Furthermore, the amount of H 2 O desorbed per area of the carbon material for metal-air batteries was calculated from the specific surface area measured by the BET method. Since there is variation in specific surface area measurement by the BET method, the integrated amount of the heated desorption H 2 O at 50 ° C. to 1000 ° C. under vacuum is 3.0 × 10 −7 mol / m 2 based on the surface area of the carbon material. The following is preferred.
以上の実施形態においては、触媒1bは、Fe、Mn、Si、Cu、Sn、Ti、V、Mo、Nb、Ag、Ce、Zr等の酸化物若しくは窒化物、又はPt、Au、Pd、Ru、Rh、Os等の貴金属若しくはその酸化物若しくはその塩を含んでいてもよい。
In the above embodiment, the
低コスト化の観点から、貴金属元素の含有量をできるだけ低減し、Fe、Mn、Si、Cu、Sn、Ti、V、Mo、Nb、Ag、Ce、Zr等の酸化物または窒化物を多く利用することはより好ましい。 From the viewpoint of cost reduction, the content of noble metal elements is reduced as much as possible, and many oxides or nitrides such as Fe, Mn, Si, Cu, Sn, Ti, V, Mo, Nb, Ag, Ce, and Zr are used. It is more preferable to do.
以上の実施形態においては、LiPF6を電解質とし、プロピレンカーボネートを溶媒とした電解液をセパレータ2に含浸して用いた例を説明したが、一般的なリチウムイオン電池等で利用される他の非水系電解液を用いてもよい。すなわち、プロピレンカーボネート以外の溶媒として、たとえばエチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1,2−ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、クロルプロピレンカーボネート等を用いることができる。これらのうち高沸点の環状化合物を溶媒として用いることは更に好ましい。
In the above embodiment, the example in which the
さらに、エチレンオキシド、アクリロニトリル、フッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル、ヘキサフルオロプロピレンなどの高分子に保持させた固体電解質や、イオン液体などを、非水系電解液の代わりに使用してもよい。 Further, a solid electrolyte held in a polymer such as ethylene oxide, acrylonitrile, vinylidene fluoride, methyl methacrylate, hexafluoropropylene, an ionic liquid, or the like may be used instead of the non-aqueous electrolyte.
また、LiPF6以外の電解質として、一般的なリチウムイオン二次電池等で利用される他の電解質を用いてもよい。たとえば、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiTFSIなどを電解質として用いることができる。あるいは、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミドで代表されるリチウムのイミド塩などのようなリチウム塩を電解質として用いることもできる。
Further, as the electrolyte other than LiPF 6 , another electrolyte used in a general lithium ion secondary battery or the like may be used. For example, can be used as LiBF 4, LiClO 4, LiCF 3
また、エチレンオキシド、アクリロニトリル、フッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル、ヘキサフルオロプロピレン等の高分子に非水電解液を含浸したゲル電解質を使用してもよい。 Alternatively, a gel electrolyte obtained by impregnating a polymer such as ethylene oxide, acrylonitrile, vinylidene fluoride, methyl methacrylate, hexafluoropropylene with a nonaqueous electrolytic solution may be used.
上記の実施形態においては、負極部材3として金属リチウムを用いることにより負極部材3がリチウムイオンを吸蔵および放出する例を説明したが、負極部材3が他の金属イオンの吸蔵および放出をするようにしてもよい。たとえば、Na、Ca、Mg、Zn、Al、Fe等の金属を負極部材3として用いることで、これらのイオンを負極部材3が吸蔵および放出することができる。
In the above embodiment, the example in which the
また、リチウムイオンを吸蔵した炭素材料なども負極部材3に用いることができる。
A carbon material that occludes lithium ions can also be used for the
上記の実施形態においては、バインダ1cとしてPVDFを用いた例を説明したが、一般的なリチウムイオン二次電池等で利用される他のバインダ(結着材)を用いてもよい。たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂や、スチレンブタジエンゴム(SBR)などをバインダ1cとして用いることができる。
In the above-described embodiment, an example in which PVDF is used as the
上記の実施形態においては、セパレータ2にポリエチレンを用いた例を説明したが、一般的なリチウムイオン二次電池等で利用される他の材料を用いてもよい。たとえば、ポリプロピレンなどの多孔質セパレータや、金属イオン伝導性を有するガラスセラミックスなどを用いてセパレータ2を構成することができる。
In the above embodiment, an example in which polyethylene is used for the
上記の実施形態においては、継手構造のセルを使用した例を説明したが、セルの形態はこれに限定されない。たとえば、ラミネート型、円筒型などのセルも使用可能である。すなわち、金属空気二次電池の反応が確認できるものであれば、本発明はセルの形態に依存しない。 In said embodiment, although the example using the cell of a joint structure was demonstrated, the form of a cell is not limited to this. For example, a laminate type or cylindrical type cell can also be used. That is, the present invention does not depend on the cell form as long as the reaction of the metal-air secondary battery can be confirmed.
1:正極部材、1a:基材、1b:触媒、1c:バインダ、1d:担体、2:セパレータ、3:負極部材、4:Oリング、5:押さえ板、6:集電体、7:締め付けバネ、8:酸素封入弁。 1: positive electrode member, 1a: base material, 1b: catalyst, 1c: binder, 1d: carrier, 2: separator, 3: negative electrode member, 4: O-ring, 5: holding plate, 6: current collector, 7: tightening Spring, 8: oxygen-filled valve.
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WO2014148283A1 (en) * | 2013-03-18 | 2014-09-25 | ソニー株式会社 | Air-metal secondary battery |
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