JP2014049216A

JP2014049216A - 金属空気電池モジュール

Info

Publication number: JP2014049216A
Application number: JP2012189434A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Kikuchi; 史陽菊地
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】電圧損失を抑制するとともに、電力を安定して供給できる金属空気電池モジュールの提供を目的とする。
【解決手段】金属空気電池モジュールは、第１の電池セル、および前記第１の電池セルに接続された第２の電池セルを有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、負極、イオンの伝導を担う電解質、および空気極をこの順番で有し、前記負極は負極活物質を有する負極層を有し、前記空気極は、導電性材料を有する空気極層、および前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層を有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、前記第１の電池セルの空気極と前記第２の電池セルの負極または空気極とが対向しかつ間隙を有するように、配置され、前記第１の電池セルの空気極および前記第２の電池セルの負極または空気極が、通気孔を有する導電性部材で接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属空気電池モジュールに関するものである。

金属空気電池モジュールは、正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として金属を用いる電池モジュールである。金属空気電池モジュールは、理論的に大容量化が可能であるため、近年では、たとえば電気自動車用などに開発がすすめられており、将来の省エネルギー技術の一つとして期待されている。

金属空気電池モジュールでは、所望の電圧または電流を得るために、電池セルを直列または並列に接続している。このとき、たとえば特開２００９−２３０９８１号公報（特許文献１）の図５に示されているように、電池セルの接続は一般的に導線を用いておこなわれるため、接続部および導線の抵抗による電圧損失のおそれがある。

特開２００９−２３０９８１号公報

本発明は、接続部および導線の抵抗による電圧損失を抑制するとともに、安定に電力を供給することができる金属空気電池モジュールを提供することを目的とするものである。

本発明は、第１の電池セル、および前記第１の電池セルに接続された第２の電池セルを有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、負極、イオンの伝導を担う電解質、および空気極をこの順番で有し、前記負極は負極活物質を有する負極層を有し、前記空気極は、導電性材料を有する空気極層、および前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層を有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、前記第１の電池セルの空気極と前記第２の電池セルの負極または空気極とが対向しかつ間隙を有するように、配置され、前記第１の電池セルの空気極および前記第２の電池セルの負極または空気極が、通気孔を有する導電性部材で接続されている金属空気電池モジュールである。

本発明の金属空気電池モジュールは、金属空気電池モジュールの電圧損失を抑制することができる。かつ、安定的な発電特性を示す。

金属空気電池モジュールの第１の形態の一例を示す概略断面図である。金属空気電池モジュールの第１の形態の一例を示す概略上面図である。金属空気電池モジュールで使用する導電性部材の一例を示す概略上面図である。金属空気電池モジュールで使用する電池セルの空気極と導電性部材の接続の一例を示す概略断面図である。金属空気電池モジュールの第１の形態の変形例を示す概略断面図である。金属空気電池モジュールの第１の形態の変形例を示す概略上面図である。図５のＩ−Ｉ断面、およびその変形例を示す概略図である。金属空気電池モジュールの第２の形態の一例を示す概略断面図である。金属空気電池モジュールの第２の形態の一例を示す概略上面図である。

本形態の金属空気電池モジュールついて、以下詳細に説明する。

本形態は、第１の電池セル、および前記第１の電池セルに接続された第２の電池セルを有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、負極、イオンの伝導を担う電解質、および空気極をこの順番で有し、前記負極は負極活物質を有する負極層を有し、前記空気極は、導電性材料を有する空気極層、および前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層を有し、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、前記第１の電池セルの空気極と前記第２の電池セルの負極または空気極とが対向しかつ間隙を有するように、配置され、前記第１の電池セルの空気極および前記第２の電池セルの負極または空気極が、通気孔を有する導電性部材で接続されている金属空気電池モジュールである。なお、本形態の金属空気電池モジュールは、少なくとも２以上の電池セルを有し、それらの電池セルのうち少なくとも２以上の電池セルが前記のように配置され接続されていればよい。

本形態の第１の形態の金属空気電池モジュールは、第１の電池セルの空気極と第１の電池セルの負極とを、通気孔を有する導電性部材により接続するものである。

本形態の第２の形態の金属空気電池モジュールは、第１の電池セルの空気極と第１の電池セルの空気極とを、通気孔を有する導電性部材により接続するものである。

＜＜第１の形態＞＞
図１は、第１の形態の金属空気電池モジュール１の一例を示す概略断面図である。図２は、第１の形態の金属空気電池モジュール１の一例を示す概略上面図である。図１および図２に示すように、金属空気電池モジュール１は、電池セル１０および電池セル２０を有している。前記電池セル１０、２０は、負極１２，２２、イオンの伝導を担う電解質１３，２３、および空気極１１，２１をこの順番で有している。前記負極１２，２２は、負極活物質を有する負極層を有している。前記空気極１１は、導電性材料を有する空気極層１１１，２１１、および前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層１１２，２１２を有している。

また、図１および図２に示すように、第１の電池セル１０の空気極１１と第２の電池セル２０の負極２２とが対向しかつ間隙を有するように配置され、前記空気極１１と前記負極２２とを、通気孔３１を有する導電性部材３０で接続している。

本形態の金属空気電池モジュール１に用いられる前記導電性部材３０は通気孔３１を有していれば良く、その形状は適宜設計できるため、導線を使用する場合と比較して導線よりも断面積を大きくして導電性部材の抵抗を下げることが可能であり、また、前記導電性部材３０と空気極１１および負極２２との接触面積を増やすことが可能である。このように、通気孔３１を有する導電性部材３０を使用することで、電池セル１０，２０間の接続抵抗を低減し、空気電池モジュール１の電圧損失を抑制することができる。

また、前記第１の電池セルの空気極１１が間隙に面していることにより、前記第１の電池セル１０の前記通気性層１１２は前記間隙の空気を容易に取入れることができる。さらに、第１の電池セル１０の空気極１１と第２の電池セル２０の負極２２とを、通気孔３１を有する導電性部材３０で接続しているので、前記間隙とその外部との間での空気の通路が確保され、空気極１１，２１へ供給される空気の流れが導電性部材３０により阻害されにくいため、通気性層１１２は前記間隙の空気を容易に取入れることができ、安定した空気供給をおこなうことができ、安定的な発電特性を実現することができる。なお、前記通気性層１１２は電気絶縁性なので、前記第１の電池セルや前記第２の電池セルが動いて、前記第１の電池セルの空気極１１と第２の電池セル２０の負極２２とが一時的に接触した場合であっても、電気的な短絡を防ぐことができる。

上述のように、本形態の空気電池モジュールは、金属空気電池モジュールの電圧損失を抑制することができ、かつ、安定的な発電特性を示す。

図３は、本形態の空気電池モジュールに用いる導電性部材３０の一例を示す概略上面図である、図３（３ａ）は、導電性部材３０にパンチング板を使用した例を示す概略上面図であり、図３（３ｂ）は、導電性部材３０にメッシュ板を使用した例を示す概略上面図である。
なお、パンチング板とは板の中央領域に複数の孔が空いているものをいう。メッシュ板とは板の中央領域にメッシュ状の孔が空いているものをいう。

図４は、電池セルの空気極１１と導電性部材３０の接続の一例を示す概略断面図である。図４（４ａ）は、空気極１１の端面で空気極１１と導電性部材３０とを接続している一例の概略断面図である。図４（４ｂ）および図４（４ｃ）は、通気性層１１２を形成していない空気極１１の端部で空気極１１と導電性部材３０とを接続している一例の概略断面図である。図４（４ｂ）および図４（４ｃ）に示す接続方法によれば、図４（４ａ）に示す接続方法と比べて、接触面積を増やすことができるので、接続抵抗の低減により効果がある。図４（４ｄ）は、通気性層１１２を形成していない空気極１１の中央部で空気極１１と導電性部材３０との接続している一例の概略断面図である。図４（４ｄ）に示す接続方法は、図（４ａ）から図（４ｃ）に示す接続方法と比べて、端部からの距離を短く保つことができるので、集電効率が向上する。

図５は、第１の形態の金属空気電池モジュール１の変形例を示す概略断面図である。図６は、第１の形態の金属空気電池モジュール１の変形例を示す概略上面図である。図５および図６に示すように、第１の電池セルの空気極１１と第２の電池セルの負極２２とを、２つの導電性部材３０で接続している。２つの導電性部材３０で接続することにより、図１および図２に示すような、１つの導電性部材３０で接続する方法より接続抵抗を低減することが可能となる。さらに、２箇所で接続がおこなわれるため、１つの導電性部材３０で接続する方法より、接続した電池セル１０，２０を安定に固定することができる。なお、図５および図６で示した変形例のその他の説明については、図１および図２の説明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。

図７（７ａ）は、図５のＩ−Ｉ断面を示す概略図である。図７（７ｂ）から図７（７ｄ）は、図５のＩ−Ｉ断面の変形例を示す概略図である。図７（７ａ）は通気孔３１を有する２つの導電性部材３０で、図７（７ｂ）は通気孔３１を有する３つの導電性部材３０で電池セル１０，２０を接続している。図には示していないが、本形態の導電性部材３０は通気孔３１を有しているので、４つの導電性部材３０で接続をおこなっても良い。図７（７ｃ）および図７（７ｄ）は、導電性部材３０に加えてスペーサー３２を使用して電池セルの接続をおこなっている。本形態の導電性部材３０は通気孔３１を有しているので、通気性を有しないスペーサー３２を使用しても安定な発電特性を得ることができる。図には示していないが、前記スペーサー３２は通気孔を有していても良い。前記スペーサー３２が通気孔を有していると、さらに安定した発電特性を得ることが可能となる。

＜＜第２の形態＞＞
図８は、第２の形態の金属空気電池モジュール１の一例を示す概略断面図であり、第１の電池セルの空気極１１と第２の電池セルの空気極２１とが対向しかつ間隙を有するように配置されており、前記第１の電池セルの空気極１１と前記第２の電池セルの空気極２１とを、通気孔を有する１つの導電性部材３０で接続している。図９は、第２の形態の金属空気電池モジュール１の一例を示す概略断面図であり、第１の電池セルの空気極１１と第２の電池セルの空気極２１とが対向しかつ間隙を有するように配置されており、前記第１の電池セルの空気極１１と前記第２の電池セルの空気極２１とを、通気孔を有する２つの導電性部材３０で接続している。図８および図９に示すように、第１の電池セルの空気極１１および第２の電池セルの空気極２１が間隙に面しているので、通気性層１１２，２１２は、前記間隙から空気を容易に取入れることができるため、正極活物質である酸素を容易に取り込むことができる。

第２の形態の金属空気電池モジュールに用いる電池セル、導電性部材、および変形例に関しては、＜＜第１の形態＞＞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。

以下、本形態の金属空気電池モジュールについて、構成ごとに説明する。

＜＜電池セル＞＞
本形態の金属空気電池モジュール１の電池セル１０，２０は、負極１２，２２、電解質１３，２３、および空気極１１，１２をこの順番で有している。

＜負極＞
本形態に用いられる負極１２，２２は、負極活物質を含有する負極層を有するものである。これに加えて、負極集電体を有していても良い。
本形態に用いられる負極活物質しては、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、リチウム（Ｌｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）などの金属、合金あるいは金属化合物を挙げることができる。

また、本形態における負極層は、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、導電性材料および結着材の少なくとも一方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、負極活物質および結着材を有する負極層とすることができる。また、金属を直接負極集電体に溶射する、負極集電体に金属をメッキするといった方法で負極を設けることも可能である。

本形態における負極層に用いられる結着材については、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。負極層における結着材の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば３０重量％以下、中でも１重量％〜１０重量％の範囲内であることが好ましい。

また、本形態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、たとえば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。上記負極集電体の形状としては、たとえば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。

本形態における負極集電体の厚さは、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。

＜電解質＞
本形態における電解質１３，２３には、水系電解液、有機溶媒系電解液、これらのゲル、または固体電解質を使用することができる。電解質１３，２３は、負極の金属材料により適切な組成を選択する。
たとえば、負極にアルミニウムを用いた場合は、電解質として、たとえば塩化ナトリウム、塩化アルミニウム、塩化マンガンなどを水に溶解させた中性水溶液、あるいは、電解質として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどを水に溶解させたアルカリ性水溶液を用いることができる。

たとえば、負極にマグネシウムを用いた場合は、電解質として、塩化ナトリウムの水溶液の他、公知の各種の塩又はアルカリの水系電解質溶液を適宜に用いることができる。たとえば塩化アンモニウムや水酸化ナトリウムや、水酸化リチウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウムなどのいずれかを溶解した電解液を用いてもよい。

本形態の電解質には、固体電解質を使用することも可能である。

＜空気極＞
本形態に用いられる空気極１１，２１は、空気極層１１１，２１１および前記電解質１３，２３とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層１１２，２１２を有するものである。これに加えて、空気極集電体を有していても良い。

(空気極層)
本形態における空気極層としては少なくとも導電性材料を含有するものである。さらに、必要に応じて、触媒および結着材の少なくとも一方を含有していても良い。

本形態における空気極層１１１，２１１に用いられる導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料等を挙げることができる。さらに、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本形態においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。比表面積が大きく、多くの反応場を提供することができるからである。多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。空気極層における導電性材料の含有量としては、例えば６５重量％〜９９重量％の範囲内、中でも７５重量％〜９５重量％の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるからである。

本形態において、導電性材料は、触媒を担持していることが好ましい。電極反応がよりスムーズに行われるからである。上記触媒としては、酸素を還元可能な材料、たとえば、白金、活性炭などの炭素材料、イリジウムなどの非酸化物材料、二酸化マンガンなどのマンガン酸化物、イリジウム酸化物あるいはチタン、タンタル、ニオブ、タングステン及びジルコニウムからなる群から選ばれた１種以上の金属を含むイリジウム酸化物、ペロブスカイト型複合酸化物などの酸化物材料、鉄フタロシアニン、コバルトポルフィリンなどの金属含有顔料、およびコバルトフタロシアニン等を挙げることができる。
空気極層１１１，２１１における触媒の含有量としては、例えば１重量％〜３０重量％の範囲内、中でも５重量％〜２０重量％の範囲内であることが好ましい。触媒の含有量が少なすぎると、充分な触媒機能を発揮できない可能性があり、触媒の含有量が多すぎると、相対的に導電性材料の含有量が減り、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があるからである。

上記空気極層１１１，２１１は、少なくとも導電性材料を含有していれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着材を含有することが好ましい。結着材としては、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。空気極層１１１，２１１における結着材の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば３０重量％以下、中でも１重量％〜１０重量％の範囲内であることが好ましい。

(空気極集電体)
本形態に用いられる空気極集電体は、空気極層１１１，２１１の集電を行うものである。空気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。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。中でも、本形態においては、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。空気中の酸素の取り込み、および集電効率に優れているからである。この場合、空気極層１１１，２１１の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置されていても良い。さらに、本形態に用いられる電池セル１０，２０は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体（例えば箔状の集電体）を有していても良い。

本形態における空気極集電体の厚さは、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。

(通気性層)
本形態の通気性層は、前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置されており、電気絶縁性であることを要する。本形態に用いられる通気性層１１２，２１２は、電気絶縁性および通気性を有している性質を有する材料であればよいが、電解液の漏洩が無い材料、電解液に侵されない材料であることが好ましい。例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン等のポリマー多孔質膜等が使用できる。厚さは１０μｍ〜３００μｍであることが好ましい。厚さが１０μｍより薄いと取り扱いが困難になり、３００μｍ以上だと通気性を確保するのが難しくなる、または価格が高くなるためである。

＜＜導電性部材＞＞
本形態の金属空気電池モジュールに用いられる導電性部材は、通気孔を有することにより通気性を確保している。また、前記導電性部材の通気孔は、電気セルで消費される酸素を供給できる通気量を有していれば良い。

導電性部材の厚さは１０μｍ〜３ｍｍであることが好ましい。１０μｍ未満だと取り扱いが困難になり、３ｍｍより厚いと金属空気電池モジュールの重量が増加してしまうからである。

通気孔は、通気性を有していれば良く、形状は適宜選択可能であり、パンチング板またはメッシュ板に限定するものではない。消費される酸素量は、電池セルの種類、大きさ等により適宜設計をおこなう。

前記導電性部材の抵抗値は、１００ｍΩ以下であることが好ましい。抵抗値の下限は材料、形状により制限される。前記導電性部材には、ステンレス、ニッケル、カーボンなど腐食に強いものを用いることが好ましい。前記導電性部材は、厚さ３ｍｍ以下の部材を用いることが好ましい。

＜＜金属空気電池モジュール＞＞
本形態の金属空気電池モジュールは、間隙を有するように配置された少なくとも２つの電池セルを、通気孔を有する導電性部材で接続したものである。間隙の幅は、この間隙から空気を通気性層に供給することができる程度の幅があれば、特に制限されない。本形態の金属空気電池モジュールは、端部に位置する電池セルの電極に、外部取り出し電極が接続されていても良い。また、通気量を確保するために、本形態の金属空気電池モジュールは、ファン等の送風機器を有していても良い。

１金属空気電池モジュール
１０第１の電池セル
１１第１の電池セルの空気極
１１１第１の電池セルの空気極層
１１２第１の電池セルの通気性層
１２第１の電池セルの負極
１３第１の電池セルの電解質
２０第２の電池セル
２１第２の電池セルの空気極
１１１第２の電池セルの空気極層
１１２第２の電池セルの通気性層
２２第２の電池セルの負極
２３第２の電池セルの電解質
３０導電性部材
３１通気孔
３２スペーサー

Claims

第１の電池セル、および前記第１の電池セルに接続された第２の電池セルを有し、
前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、負極、イオンの伝導を担う電解質、および空気極をこの順番で有し、
前記負極は負極活物質を有する負極層を有し、前記空気極は、導電性材料を有する空気極層、および前記空気極層の前記電解質とは反対側に配置された電気絶縁性の通気性層を有し、
前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが、前記第１の電池セルの空気極と前記第２の電池セルの負極または空気極とが対向しかつ間隙を有するように、配置され、
前記第１の電池セルの空気極および前記第２の電池セルの負極または空気極が、通気孔を有する導電性部材で接続されている金属空気電池モジュール。