JP2014194897A - Separator, secondary battery and method of manufacturing separator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the metal deposit of a negative electrode from penetrating a separator to cause short circuit of a negative electrode and a positive electrode.SOLUTION: A separator 41 arranged between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 in a metal-air battery 1 has a separator body 411 that is a porous support formed of ceramic, and a porous film 412 formed of ceramic on a surface facing the negative electrode 3 in the separator body 411. Average pore diameter of the porous film 412 is 0.01-2 μm, and smaller than that of the separator body 411. Thickness of the porous film 412 is 50-200 μm. Consequently, the metal deposit of the negative electrode 3 can be prevented from penetrating the separator 41 to cause short circuit of the negative electrode 3 and positive electrode 2.

Description

本発明は、充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、当該負極と正極との間に配置されるセパレータ、および、当該セパレータの製造方法、並びに、当該セパレータを有する二次電池に関する。   The present invention relates to a separator disposed between a negative electrode and a positive electrode in a secondary battery in which metal is deposited at the time of charging, a method for manufacturing the separator, and a secondary battery having the separator. .

従来より、正極と負極との間にセパレータを配置した二次電池が知られている。例えば、特許文献1におけるリチウム二次電池では、セパレータがセラミック物質とバインダーとにより形成される多孔膜を含み、当該バインダーが3次元架橋構造を有するアクリル系ゴムにて構成される。特許文献1の手法では、耐ショート性や耐熱性等の安全性に優れたリチウム二次電池が実現される。また、特許文献2では、多孔質構造を有する膜の片面または両面に、無機微粒子を含む通気性を有する表面保護層を設けることにより、機械的強度に優れた多孔質膜を得る手法が開示されており、当該多孔質膜は非水電解液電池用セパレータとして利用可能である。なお、特許文献3および4では、セラミックの成形手法について記載されている。   Conventionally, a secondary battery in which a separator is disposed between a positive electrode and a negative electrode is known. For example, in the lithium secondary battery in Patent Document 1, the separator includes a porous film formed of a ceramic material and a binder, and the binder is made of an acrylic rubber having a three-dimensional crosslinked structure. With the technique of Patent Document 1, a lithium secondary battery excellent in safety such as short-circuit resistance and heat resistance is realized. Patent Document 2 discloses a technique for obtaining a porous film having excellent mechanical strength by providing a breathable surface protective layer containing inorganic fine particles on one or both sides of a film having a porous structure. The porous membrane can be used as a separator for a non-aqueous electrolyte battery. Patent Documents 3 and 4 describe ceramic forming techniques.

特開2006−310302号公報JP 2006-310302 A 特開平11−80395号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-80395 特開2004−338363号公報JP 2004-338363 A 特開2005−66958号公報JP 2005-66958 A

ところで、充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、負極の形状や充電時の電流密度等によっては、金属が粉状または粒子状に析出することがある。この場合、多孔質構造を有するセパレータを用いた場合でも、負極の析出金属がセパレータを貫通して負極と正極とが短絡するおそれがある。   By the way, in a secondary battery in which metal is deposited at the negative electrode during charging, the metal may be deposited in powder or particulate form depending on the shape of the negative electrode, the current density during charging, and the like. In this case, even when a separator having a porous structure is used, the deposited metal of the negative electrode may penetrate the separator and the negative electrode and the positive electrode may be short-circuited.

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、負極の析出金属がセパレータを貫通して負極と正極とが短絡することを防止することを目的としている。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at preventing the deposit metal of a negative electrode penetrating a separator and short-circuiting a negative electrode and a positive electrode.

請求項1に記載の発明は、充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、前記負極と正極との間に配置されるセパレータであって、セラミックにて形成される多孔質の支持体であるセパレータ本体と、前記セパレータ本体において前記負極と対向する面上にセラミックにて形成され、前記セパレータ本体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する多孔膜とを備え、前記多孔膜の前記平均細孔径が、0.01マイクロメートル以上かつ2マイクロメートル以下であり、前記多孔膜の厚さが50マイクロメートル以上かつ200マイクロメートル以下である。   The invention according to claim 1 is a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode in a secondary battery in which metal is deposited at the negative electrode during charging, and is a porous support formed of ceramic A separator body that is a body, and a porous film that is formed of ceramic on a surface of the separator body that faces the negative electrode, and that has an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the separator body. The average pore diameter is 0.01 micrometers or more and 2 micrometers or less, and the thickness of the porous film is 50 micrometers or more and 200 micrometers or less.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のセパレータであって、前記多孔膜が、複数の膜が積層された積層膜である。   The invention according to claim 2 is the separator according to claim 1, wherein the porous film is a laminated film in which a plurality of films are laminated.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のセパレータであって、前記多孔膜が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアおよびハフニアのうちの少なくとも1つを含む。   The invention according to claim 3 is the separator according to claim 1 or 2, wherein the porous film includes at least one of silica, alumina, zirconia, titania and hafnia.

請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載のセパレータであって、前記セパレータ本体の空孔率が、30パーセント以上かつ80パーセント以下である。   The invention according to claim 4 is the separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the separator body has a porosity of 30% or more and 80% or less.

請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載のセパレータであって、前記セパレータ本体が筒状であり、前記セパレータ本体において、前記負極と対向する面の全周に亘って前記多孔膜が形成される。   Invention of Claim 5 is a separator in any one of Claim 1 thru | or 4, Comprising: The said separator main body is cylindrical, In the said separator main body, it covers the perimeter of the surface facing the said negative electrode. Thus, the porous film is formed.

請求項6に記載の発明は、二次電池であって、正極と、充電の際に金属が析出する負極と、前記負極と前記正極との間に配置される電解質層とを備え、前記電解質層が、請求項1ないし5のいずれかに記載のセパレータを有し、前記セパレータに電解液が充填される。   The invention according to claim 6 is a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode on which a metal is deposited upon charging, and an electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode. The layer has the separator according to any one of claims 1 to 5, and the separator is filled with an electrolytic solution.

請求項7に記載の発明は、充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、前記負極と正極との間に配置されるセパレータの製造方法であって、a)セラミックにて形成される多孔質の支持体であるセパレータ本体を準備する工程と、b)前記セパレータ本体において前記負極と対向する面上に、前記セパレータ本体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する多孔膜をセラミックにて形成する工程とを備え、前記多孔膜の前記平均細孔径が、0.01マイクロメートル以上かつ2マイクロメートル以下であり、前記多孔膜の厚さが50マイクロメートル以上かつ200マイクロメートル以下である。   The invention according to claim 7 is a method of manufacturing a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode in a secondary battery in which metal is deposited at the negative electrode during charging, and is formed of a) ceramic. B) preparing a separator body as a porous support, and b) forming a porous film having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the separator body on a surface of the separator body facing the negative electrode. The average pore diameter of the porous membrane is 0.01 micrometers or more and 2 micrometers or less, and the thickness of the porous film is 50 micrometers or more and 200 micrometers or less is there.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のセパレータの製造方法であって、前記b)工程が、b1)前記セパレータ本体の前記面上にセラミック粒子の焼結により一の膜を形成する工程と、b2)前記一の膜の表面上にセラミック粒子の焼結により他の一の膜を形成する工程とを有する。   Invention of Claim 8 is a manufacturing method of the separator of Claim 7, Comprising: The said b) process forms one film | membrane by sintering ceramic particle | grains on the said surface of the said separator main body. And b2) forming another film on the surface of the one film by sintering ceramic particles.

請求項9に記載の発明は、請求項7または8に記載のセパレータの製造方法であって、前記多孔膜が、平均粒径が0.1マイクロメートル以上かつ30マイクロメートル以下のセラミック粒子の焼結により形成される。   The invention according to claim 9 is the method for producing the separator according to claim 7 or 8, wherein the porous film is a ceramic particle having an average particle size of 0.1 micrometers or more and 30 micrometers or less. Formed by ligation.

本発明によれば、負極の析出金属がセパレータを貫通して負極と正極とが短絡することを防止することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent the deposited metal of the negative electrode from penetrating the separator and short-circuiting the negative electrode and the positive electrode.

金属空気電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a metal air battery. セパレータを製造する処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the process which manufactures a separator. 過充電安定性の評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the evaluation test of overcharge stability. 比較例のセパレータの断面を示す写真である。It is a photograph which shows the cross section of the separator of a comparative example. 比較例のセパレータの断面を示す写真である。It is a photograph which shows the cross section of the separator of a comparative example. 比較例のセパレータの外側面を示す写真である。It is a photograph which shows the outer surface of the separator of a comparative example. 比較例のセパレータの内側面を示す写真である。It is a photograph which shows the inner surface of the separator of a comparative example. セパレータの断面を示す写真である。It is a photograph which shows the cross section of a separator. セパレータの内側面を示す写真である。It is a photograph which shows the inner surface of a separator. サイクル耐久性の評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the evaluation test of cycle durability.

図1は、本発明の一の実施の形態に係る金属空気電池1の構成を示す図である。金属空気電池1の本体11は中心軸J1を中心とする略円柱状であり、図1では、中心軸J1を含む面における本体11の断面を示す。金属空気電池1は、正極2、負極3および電解質層4を備える二次電池である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a metal-air battery 1 according to an embodiment of the present invention. The main body 11 of the metal-air battery 1 has a substantially cylindrical shape centered on the central axis J1, and FIG. 1 shows a cross section of the main body 11 on a plane including the central axis J1. The metal-air battery 1 is a secondary battery that includes a positive electrode 2, a negative electrode 3, and an electrolyte layer 4.

負極3(金属極とも呼ばれる。)は、中心軸J1を中心とするコイル状の部材である。本実施の形態における負極3は、断面が略円形の線状の部材を中心軸J1を中心として螺旋状に巻いた形状を有する。図1に示すように、負極3は、導電性材料にて形成されるコイル状の基材31、および、基材31の表面に形成される粉状または粒子状の析出金属層32を備える。図1に示すように、中心軸J1方向における負極3の端部には負極集電端子33が接続される。   The negative electrode 3 (also referred to as a metal electrode) is a coiled member centered on the central axis J1. The negative electrode 3 in the present embodiment has a shape in which a linear member having a substantially circular cross section is spirally wound around the central axis J1. As shown in FIG. 1, the negative electrode 3 includes a coil-shaped base material 31 formed of a conductive material, and a powdered or particulate deposited metal layer 32 formed on the surface of the base material 31. As shown in FIG. 1, a negative electrode current collector terminal 33 is connected to the end of the negative electrode 3 in the direction of the central axis J1.

基材31を形成する材料として、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、金(Au)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)等の金属、または、いずれかの金属を含む合金が例示される。本実施の形態では、基材31は銅にて形成される。集電体を兼ねる基材31の導電率を高くするという観点では、基材31が銅または銅合金を含むことが好ましい。基材31の本体が銅にて形成される場合、当該本体の表面にニッケルや亜鉛等の他の金属の保護膜が形成されることが好ましい。この場合、基材31の表面は、当該保護膜の表面となる。例えば、保護膜の厚さは、1〜20μm(マイクロメートル)であり、保護膜は、めっきにて形成される。析出金属層32は、亜鉛(Zn)の電解析出により形成される。析出金属層32は、亜鉛以外の金属の電解析出にて形成されてもよい。   As a material for forming the substrate 31, a metal such as copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), gold (Au), iron (Fe), aluminum (Al), magnesium (Mg), or any An alloy containing such a metal is exemplified. In the present embodiment, the base material 31 is formed of copper. From the viewpoint of increasing the conductivity of the base material 31 also serving as a current collector, the base material 31 preferably contains copper or a copper alloy. When the main body of the base material 31 is formed of copper, it is preferable that a protective film of another metal such as nickel or zinc is formed on the surface of the main body. In this case, the surface of the base material 31 is the surface of the protective film. For example, the thickness of the protective film is 1 to 20 μm (micrometer), and the protective film is formed by plating. The deposited metal layer 32 is formed by electrolytic deposition of zinc (Zn). The deposited metal layer 32 may be formed by electrolytic deposition of a metal other than zinc.

負極3の周囲には、円筒状のセパレータ41が設けられ、セパレータ41の周囲には、円筒状の正極2(空気極とも呼ばれる。)が設けられる。すなわち、セパレータ41の内側面は負極3に対向し、セパレータ41の外側面は正極2の内側面に対向する。負極3、セパレータ41および正極2は、中心軸J1を中心とする同心状に設けられ、中心軸J1に沿って見た場合に、負極3の外縁と正極2との間の距離は、中心軸J1を中心とする周方向の全周に亘って一定である。すなわち、金属空気電池1における負極3および正極2の間では、周方向の全周に亘って、等電位面の間隔が一定であり(当該間隔の粗密がなく)、均一な電流分布が発生する。なお、周方向の全周に亘る電流分布がおよそ均一と捉えられるのであるならば、正極2の形状が、正多角形(例えば、頂点が6個以上の正多角形)の筒状であってもよい。   A cylindrical separator 41 is provided around the negative electrode 3, and a cylindrical positive electrode 2 (also referred to as an air electrode) is provided around the separator 41. That is, the inner surface of the separator 41 faces the negative electrode 3, and the outer surface of the separator 41 faces the inner surface of the positive electrode 2. The negative electrode 3, the separator 41, and the positive electrode 2 are provided concentrically with the central axis J1 as the center, and when viewed along the central axis J1, the distance between the outer edge of the negative electrode 3 and the positive electrode 2 is the central axis. It is constant over the entire circumference in the circumferential direction centered on J1. That is, between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 in the metal-air battery 1, the equipotential surface has a constant interval (there is no density of the interval) over the entire circumference in the circumferential direction, and a uniform current distribution occurs. . If the current distribution over the entire circumference in the circumferential direction can be considered to be approximately uniform, the shape of the positive electrode 2 is a regular polygon (for example, a regular polygon having six or more vertices). Also good.

セパレータ41は、セラミックにて形成される多孔質の筒状支持体であるセパレータ本体411、および、セパレータ本体411において負極3と対向する内側面上に形成された多孔膜412を有する。セパレータ本体411は、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)およびハフニア(HfO)等の機械的強度および絶縁性が高いセラミックにて形成される。本実施の形態では、セパレータ本体411はセラミックの焼結体(すなわち、一体成形されたもの)であり、セラミックのみにて構成される。なお、セパレータ本体411は、これらのセラミックの混合体や積層体であってもよく、安定性の観点では、表面にジルコニアが用いられることが好ましい。円筒状のセパレータ本体411の肉厚は、例えば0.5〜4ミリメートル(mm)である。 The separator 41 includes a separator body 411 that is a porous cylindrical support formed of ceramic, and a porous film 412 that is formed on the inner surface of the separator body 411 facing the negative electrode 3. The separator body 411 is made of a ceramic having high mechanical strength and insulating properties such as silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), and hafnia (Hf 2 O). It is formed. In the present embodiment, the separator body 411 is a ceramic sintered body (that is, integrally molded), and is composed only of ceramic. The separator body 411 may be a mixture or laminate of these ceramics, and zirconia is preferably used on the surface from the viewpoint of stability. The thickness of the cylindrical separator body 411 is, for example, 0.5 to 4 millimeters (mm).

セパレータ本体411の平均細孔径は、電池反応を阻害しない程度の保液性、イオン導電性、通気性が確保される範囲内であればよい。後述するように、セパレータ本体411の表面上に多孔膜412を形成する際の操作性を考慮すると、セパレータ本体411の平均細孔径は15μm以下であることが好ましい。なお、平均細孔径の測定は、例えばポロシメータを用いる測定や、電子顕微鏡による計測等、様々な手法が利用可能である。   The average pore diameter of the separator body 411 may be within a range in which liquid retention, ionic conductivity, and air permeability that do not inhibit the battery reaction are ensured. As will be described later, in consideration of operability when the porous film 412 is formed on the surface of the separator body 411, the average pore diameter of the separator body 411 is preferably 15 μm or less. For the measurement of the average pore diameter, various methods such as measurement using a porosimeter and measurement using an electron microscope can be used.

また、セパレータ本体411の空孔率は、30パーセント(%)以上であることが好ましく、これにより、所望のガス透過量や液透過量、補液量等が容易に実現される。また、セパレータ本体411の空孔率は、80%以下であることが好ましく、これにより、セパレータ本体411における一定の機械的強度が確保される。ここで、空孔率とは、セパレータ本体411の中心軸J1を含む面、または、中心軸J1に垂直な面にて切断した場合の断面における空隙の面積の占有率であり、セパレータ本体411の多孔率を表す。なお、空孔率は電子顕微鏡にてセパレータ本体411の断面を観察し、空隙の面積を計測する等によって算出される。セパレータ41におけるガス透過量は、350m/(m×hr×atm)以上であることが好ましい。 In addition, the porosity of the separator body 411 is preferably 30 percent (%) or more, whereby a desired gas permeation amount, liquid permeation amount, replacement fluid amount, etc. can be easily realized. Moreover, it is preferable that the porosity of the separator main body 411 is 80% or less, and thereby, a certain mechanical strength in the separator main body 411 is ensured. Here, the porosity is an occupancy ratio of a void area in a cross section when the separator body 411 is cut by a plane including the central axis J1 or a plane perpendicular to the central axis J1. Represents porosity. The porosity is calculated by observing the cross section of the separator body 411 with an electron microscope and measuring the area of the void. The gas permeation amount in the separator 41 is preferably 350 m 3 / (m 2 × hr × atm) or more.

多孔膜412は、セラミックにて形成され、本実施の形態では、多孔膜412は、セパレータ本体411と同様にセラミックの焼結体である。具体的には、多孔膜412(後述の積層膜の場合は、当該積層膜の各膜)は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアおよびハフニア等の機械的強度および絶縁性が高いセラミックのうちの少なくとも1つのセラミックを含むことが好ましく、より好ましくは、多孔膜412は、セラミックのみから構成される。   The porous film 412 is formed of ceramic, and in the present embodiment, the porous film 412 is a ceramic sintered body like the separator body 411. Specifically, the porous film 412 (in the case of a laminated film described later, each film of the laminated film) is composed of at least one of ceramics having high mechanical strength and insulating properties such as silica, alumina, zirconia, titania, and hafnia. It is preferable that one ceramic is included, and more preferably, the porous membrane 412 is composed only of ceramic.

多孔膜412は、セパレータ本体411の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する。具体的には、多孔膜412の平均細孔径は、0.01μm以上かつ2μm以下であり(より好ましくは、1μm以下)、後述する充電時に負極3に発生する粉状または粒子状の析出金属の平均的な粒径(例えば、20〜30μm)よりも小さい。また、多孔膜412の厚さは50μm以上(より好ましくは、70μm以上)かつ200μm以下である。多孔膜412の厚さが200μm以下であることにより、金属空気電池1において、所定の通気性、保液性、エネルギー密度、電極間抵抗等を容易に確保することができる。また、多孔膜412の厚さが50μm以上であることにより、後述するように負極3の析出金属が多孔膜412を貫通することが防止される。なお、多孔膜412の膜厚は、電子顕微鏡による計測や、多孔膜412の形成時に不要な一部の領域をマスキングしておき、当該領域と多孔膜412との段差を段差計にて計測することにより取得可能である。   The porous membrane 412 has an average pore diameter that is smaller than the average pore diameter of the separator body 411. Specifically, the average pore diameter of the porous membrane 412 is 0.01 μm or more and 2 μm or less (more preferably 1 μm or less), and the powdered or particulate deposited metal generated in the negative electrode 3 during charging described later is used. It is smaller than the average particle size (for example, 20 to 30 μm). The thickness of the porous membrane 412 is 50 μm or more (more preferably 70 μm or more) and 200 μm or less. When the thickness of the porous film 412 is 200 μm or less, the metal-air battery 1 can easily ensure predetermined air permeability, liquid retention, energy density, interelectrode resistance, and the like. Moreover, when the thickness of the porous film 412 is 50 μm or more, the deposited metal of the negative electrode 3 is prevented from penetrating the porous film 412 as described later. The film thickness of the porous film 412 is measured by an electron microscope or masks a part of an unnecessary area when the porous film 412 is formed, and the level difference between the area and the porous film 412 is measured with a step meter. Can be obtained.

好ましくは、多孔膜412は、複数の膜が積層された積層膜である。この場合も、各膜がセラミック粒子の焼結により形成され、多孔性を有する。安定性の観点では、表面のセラミック膜の形成にジルコニアが用いられることが好ましい。金属空気電池1では、筒状のセパレータ本体411において、負極3と対向する面の全周に亘って多孔膜412が形成される。後述する充電時において負極3に発生する析出金属により多孔膜412にダメージが生じることを防止するという観点では、多孔膜412を形成するセラミックのビッカース硬さは、好ましくは、100HV以上であり、より好ましくは500HV以上である。   Preferably, the porous film 412 is a laminated film in which a plurality of films are laminated. Also in this case, each film is formed by sintering ceramic particles and has porosity. From the viewpoint of stability, zirconia is preferably used for forming the ceramic film on the surface. In the metal-air battery 1, the porous membrane 412 is formed over the entire circumference of the surface facing the negative electrode 3 in the cylindrical separator body 411. From the viewpoint of preventing the porous film 412 from being damaged by the deposited metal generated in the negative electrode 3 during charging, which will be described later, the Vickers hardness of the ceramic forming the porous film 412 is preferably 100 HV or more. Preferably it is 500HV or more.

多孔膜412の剥離やクラック等を抑制するという観点では、セパレータ本体411と多孔膜412との熱膨張係数の差が小さくなるように、セパレータ本体411および多孔膜412のそれぞれを形成するセラミックの種類が選択される。例えば、セパレータ本体411がアルミナにて形成される場合、熱膨張係数が、200℃において0.2%以下、400℃において0.05%以上かつ0.4%以下、600℃において0.1%以上かつ0.65%以下、800℃において0.2%以上かつ1%以下であるセラミックが、多孔膜412の形成に用いられることが好ましい。   From the viewpoint of suppressing peeling and cracking of the porous film 412, the types of ceramics that form the separator body 411 and the porous film 412 so that the difference in thermal expansion coefficient between the separator body 411 and the porous film 412 is reduced. Is selected. For example, when the separator body 411 is made of alumina, the thermal expansion coefficient is 0.2% or less at 200 ° C., 0.05% or more and 0.4% or less at 400 ° C., and 0.1% at 600 ° C. It is preferable that a ceramic that is not less than 0.65% and not less than 0.2% and not more than 1% at 800 ° C. is used for forming the porous film 412.

筒状の正極2の内側(中心軸J1側)の空間には、水系の電解液40が充填される。負極3のおよそ全体は電解液40中に浸漬される。多孔質部材であるセパレータ41の細孔にも電解液40が充填される。以下の説明では、中心軸J1に沿って見た場合における負極3と正極2との間の空間を「電解質層4」という。すなわち、電解質層4は、負極3と正極2との間に配置される空間である。本実施の形態では、電解質層4はセパレータ41を含む。電解液40は、アルカリ水溶液であり、好ましくは、水酸化カリウム(苛性カリ、KOH)水溶液、または、水酸化ナトリウム(苛性ソーダ、NaOH)水溶液を含む。また、電解液40は、酸化亜鉛を高濃度で含むことが好ましい。なお、電解液40は、他の水系電解液や、非水系(例えば、有機溶剤系)あるいはイオン液体系の電解液であってもよい。   A space on the inner side (center axis J1 side) of the cylindrical positive electrode 2 is filled with an aqueous electrolyte solution 40. About the entire negative electrode 3 is immersed in the electrolytic solution 40. The electrolyte solution 40 is also filled in the pores of the separator 41 which is a porous member. In the following description, the space between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 when viewed along the central axis J1 is referred to as “electrolyte layer 4”. That is, the electrolyte layer 4 is a space disposed between the negative electrode 3 and the positive electrode 2. In the present embodiment, the electrolyte layer 4 includes a separator 41. The electrolytic solution 40 is an alkaline aqueous solution, and preferably includes a potassium hydroxide (caustic potash, KOH) aqueous solution or a sodium hydroxide (caustic soda, NaOH) aqueous solution. Moreover, it is preferable that the electrolyte solution 40 contains zinc oxide in high concentration. The electrolytic solution 40 may be other aqueous electrolytic solution, non-aqueous (for example, organic solvent type) or ionic liquid type electrolytic solution.

正極2は、多孔質の正極導電層21を備える。筒状の正極導電層21の外側面には正極触媒が担持され、正極触媒層22が形成される。正極触媒層22の周囲には、例えば、ニッケル等の金属のメッシュシートが巻かれて集電層23が形成され、中心軸J1方向における集電層23の端部には正極集電端子24が接続される。実際には、正極触媒は正極導電層21の外側面近傍に分散しており、明確な層として形成される訳ではないため、集電層23は正極導電層21の外側面にも部分的に接する。なお、正極導電層21の外側面の一部のみに当接するインターコネクタが集電層23として設けられてもよい。   The positive electrode 2 includes a porous positive electrode conductive layer 21. A positive electrode catalyst is supported on the outer surface of the cylindrical positive electrode conductive layer 21 to form a positive electrode catalyst layer 22. Around the positive electrode catalyst layer 22, for example, a metal mesh sheet of nickel or the like is wound to form a current collecting layer 23. A positive current collecting terminal 24 is provided at an end of the current collecting layer 23 in the central axis J1 direction. Connected. Actually, since the positive electrode catalyst is dispersed in the vicinity of the outer surface of the positive electrode conductive layer 21 and is not formed as a clear layer, the current collecting layer 23 is also partially formed on the outer surface of the positive electrode conductive layer 21. Touch. An interconnector that contacts only a part of the outer surface of the positive electrode conductive layer 21 may be provided as the current collecting layer 23.

集電層23の外側面(メッシュ状の集電層23にて覆われていない正極触媒層22の外側面の部位を含む。)には、撥水性を有する材料(例えば、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン))による多孔質の層が撥液層29として形成される。   A material having water repellency (for example, PFA (perfluoroalkoxy) is used on the outer surface of the current collecting layer 23 (including a portion of the outer surface of the positive electrode catalyst layer 22 not covered with the mesh-shaped current collecting layer 23). A porous layer made of alkane) or PTFE (polytetrafluoroethylene) is formed as the liquid repellent layer 29.

後述の充電時における酸化による劣化を防止するという観点では、正極導電層21は、導電性カーボンを含まないことが好ましく、本実施の形態では、正極導電層21は、導電性を有するペロブスカイト型酸化物(例えば、LSMF(LaSrMnFeO))にて主に形成される多孔質の薄い導電膜である。 From the viewpoint of preventing deterioration due to oxidation during charging, which will be described later, it is preferable that the positive electrode conductive layer 21 does not contain conductive carbon. In the present embodiment, the positive electrode conductive layer 21 is a perovskite oxide having conductivity. It is a porous thin conductive film mainly formed of a material (for example, LSMF (LaSrMnFeO 3 )).

また、正極触媒層22は、酸素還元反応を促進する触媒にて形成され、例えばマンガン(Mn)やニッケル(Ni)、コバルト(Co)等の金属酸化物が当該触媒として例示される。本実施の形態では、正極触媒層22は、正極導電層21に優先的に担持させた二酸化マンガン(MnO)により形成される。金属空気電池1では、原則として、多孔質の正極触媒層22近傍において空気と電解液40との界面が形成される。 The positive electrode catalyst layer 22 is formed of a catalyst that promotes an oxygen reduction reaction, and metal oxides such as manganese (Mn), nickel (Ni), and cobalt (Co) are exemplified as the catalyst. In the present embodiment, the positive electrode catalyst layer 22 is formed of manganese dioxide (MnO 2 ) preferentially supported on the positive electrode conductive layer 21. In principle, in the metal-air battery 1, an interface between air and the electrolytic solution 40 is formed in the vicinity of the porous positive electrode catalyst layer 22.

図1に示すように、中心軸J1方向において負極3、電解質層4および正極2の両端面(図1中の上端面および下端面)には、円板状の閉塞部材51が固定される。各閉塞部材51の中央には貫通孔511が設けられる。金属空気電池1では、撥液層29および閉塞部材51により、本体11内の電解液40が貫通孔511以外から外部へと漏出することが防止される。   As shown in FIG. 1, disc-shaped closing members 51 are fixed to both end faces (upper end face and lower end face in FIG. 1) of the negative electrode 3, the electrolyte layer 4, and the positive electrode 2 in the direction of the central axis J <b> 1. A through hole 511 is provided at the center of each closing member 51. In the metal-air battery 1, the liquid repellent layer 29 and the closing member 51 prevent the electrolytic solution 40 in the main body 11 from leaking outside the through hole 511.

一方の閉塞部材51の貫通孔511には供給管61の一端が接続され、供給管61の他端は供給回収部6に接続される。また、他方の閉塞部材51の貫通孔511には回収管62の一端が接続され、回収管62の他端は供給回収部6に接続される。供給回収部6は電解液の貯溜タンクやポンプを有し、本体11内の電解液40を、制御部(図示省略)から指示される流量(単位時間当たりの体積)にて貯溜タンクに回収するとともに、貯溜タンク内の電解液を同じ流量にて本体11に供給することが可能である。すなわち、本体11と供給回収部6の貯溜タンクとの間にて電解液を循環させることが可能である。供給回収部6にはフィルタが設けられており、電解液の循環時には、電解液に含まれる不要物が当該フィルタにて取り除かれる。   One end of the supply pipe 61 is connected to the through hole 511 of one closing member 51, and the other end of the supply pipe 61 is connected to the supply / recovery unit 6. One end of the recovery pipe 62 is connected to the through hole 511 of the other closing member 51, and the other end of the recovery pipe 62 is connected to the supply / recovery unit 6. The supply / recovery unit 6 includes an electrolytic solution storage tank and a pump, and recovers the electrolytic solution 40 in the main body 11 to the storage tank at a flow rate (volume per unit time) instructed by a control unit (not shown). At the same time, the electrolytic solution in the storage tank can be supplied to the main body 11 at the same flow rate. That is, the electrolytic solution can be circulated between the main body 11 and the storage tank of the supply and recovery unit 6. The supply and recovery unit 6 is provided with a filter, and unnecessary substances contained in the electrolytic solution are removed by the filter when the electrolytic solution is circulated.

本実施の形態における金属空気電池1では、本体11の中心軸J1は鉛直方向(重力方向)に平行であり、回収管62に接続される貫通孔511が、供給管61に接続される貫通孔511よりも鉛直方向下方に位置する。また、供給管61および回収管62には供給バルブおよび回収バルブ(図示省略)が設けられる。本動作例における通常動作では、一定の流速にて電解液の循環が行われる。なお、供給バルブおよび回収バルブは、供給回収部6の一部と捉えることができる。金属空気電池1の中心軸J1は必ずしも鉛直方向に平行である必要はなく、例えば中心軸J1が水平方向に平行となるように、金属空気電池1が配置されてもよい。   In the metal-air battery 1 according to the present embodiment, the central axis J1 of the main body 11 is parallel to the vertical direction (gravity direction), and the through hole 511 connected to the recovery pipe 62 is a through hole connected to the supply pipe 61. It is located vertically below 511. The supply pipe 61 and the recovery pipe 62 are provided with a supply valve and a recovery valve (not shown). In normal operation in this operation example, the electrolyte solution is circulated at a constant flow rate. The supply valve and the recovery valve can be regarded as a part of the supply recovery unit 6. The central axis J1 of the metal-air battery 1 does not necessarily need to be parallel to the vertical direction. For example, the metal-air battery 1 may be arranged so that the central axis J1 is parallel to the horizontal direction.

図1の金属空気電池1において放電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子24とが負荷(例えば、照明器具等)を介して電気的に接続される。負極3に含まれる金属は酸化されて金属イオンが生成され、電子は負極集電端子33、および、正極集電端子24を介して正極2に供給される。多孔質の正極2では、撥液層29を透過した空気中の酸素が、負極3から供給された電子により還元され、水酸化物イオンとして電解液中に溶出する。正極2では、正極触媒により酸素の還元反応が促進される。   When discharging is performed in the metal-air battery 1 of FIG. 1, the negative electrode current collecting terminal 33 and the positive electrode current collecting terminal 24 are electrically connected via a load (for example, a lighting fixture). The metal contained in the negative electrode 3 is oxidized to generate metal ions, and the electrons are supplied to the positive electrode 2 through the negative electrode current collector terminal 33 and the positive electrode current collector terminal 24. In the porous positive electrode 2, oxygen in the air that has passed through the liquid repellent layer 29 is reduced by the electrons supplied from the negative electrode 3 and is eluted into the electrolyte as hydroxide ions. In the positive electrode 2, the reduction reaction of oxygen is promoted by the positive electrode catalyst.

一方、金属空気電池1において充電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子24との間に電圧が付与され、正極2に対して水酸化物イオンから電子が供給されるとともに酸素が発生する。負極3では、集電層23および正極集電端子24を介して負極集電端子33に供給される電子により金属イオンが還元されて表面に金属(ここでは、亜鉛)が析出する。   On the other hand, when charging is performed in the metal-air battery 1, a voltage is applied between the negative electrode current collector terminal 33 and the positive electrode current collector terminal 24, and electrons are supplied from the hydroxide ions to the positive electrode 2. At the same time, oxygen is generated. In the negative electrode 3, metal ions are reduced by electrons supplied to the negative electrode current collector terminal 33 via the current collector layer 23 and the positive electrode current collector terminal 24, and metal (here, zinc) is deposited on the surface.

このとき、コイル状の負極3では、角部がないため、電界集中が起こりにくくなる(電流密度の大きな偏りがない。)。また、負極3が、電解液40に均一に接触する。その結果、金属が樹枝状に析出するデンドライトや、ひげ状(針状)に析出するウィスカーの生成および成長が著しく抑制される。実際には、負極3の表面のほぼ全体において、粉状または粒子状の金属が均一に析出し、粉状または粒子状の析出金属層32が形成される(または、析出金属層32が厚くなる)。正極2では、正極触媒層22に含まれる正極触媒により酸素の発生が促進される。   At this time, since the coiled negative electrode 3 has no corners, electric field concentration is less likely to occur (there is no large current density bias). Further, the negative electrode 3 is in uniform contact with the electrolytic solution 40. As a result, the generation and growth of dendrites in which the metal precipitates in a dendritic shape and whiskers in which the metal precipitates in a whisker shape (needle shape) are significantly suppressed. Actually, powdery or particulate metal is uniformly deposited on almost the entire surface of the negative electrode 3 to form a powdery or particulate deposited metal layer 32 (or the deposited metal layer 32 becomes thicker). ). In the positive electrode 2, the generation of oxygen is promoted by the positive electrode catalyst contained in the positive electrode catalyst layer 22.

既述のように、金属空気電池1では、供給回収部6による電解液の循環が行われており、下方の貫通孔511(以下、「下貫通孔511」とも呼ぶ。)近傍における電解液40は、下貫通孔511から回収される。また、上方の貫通孔511(以下、「上貫通孔511」とも呼ぶ。)から本体11内に供給された電解液40の一部は、コイル状の負極3の隙間(図1に示す負極3の断面において、縦方向に互いに離れた円形の部位の間)を介して電解質層4(のセパレータ41)にも拡散する。これにより、金属空気電池1において放電または充電を行いつつ、電解質層4に含まれる電解液40が、供給回収部6の貯溜タンク内の電解液に置換される。   As described above, in the metal-air battery 1, the electrolyte solution is circulated by the supply and recovery unit 6, and the electrolyte solution 40 in the vicinity of the lower through hole 511 (hereinafter also referred to as “lower through hole 511”). Is recovered from the lower through-hole 511. A part of the electrolytic solution 40 supplied into the main body 11 from the upper through hole 511 (hereinafter also referred to as “upper through hole 511”) is a gap between the coiled negative electrode 3 (the negative electrode 3 shown in FIG. 1). In the cross section, the electrolyte layer 4 (the separator 41) also diffuses through the vertical portions between the circular portions separated from each other. Thereby, the electrolytic solution 40 contained in the electrolyte layer 4 is replaced with the electrolytic solution in the storage tank of the supply and recovery unit 6 while discharging or charging in the metal-air battery 1.

金属空気電池1では、下貫通孔511からの所定量の電解液の回収、および、上貫通孔511からの同量の電解液の供給を順に行う動作が繰り返されてもよい。これにより、放電または充電を行いつつ、本体11内の電解液40が、供給回収部6の貯溜タンク内の電解液に置換される。また、電解液の置換を間欠的に行うことも可能である。例えば、電解液を所定時間だけ循環させた後、供給バルブおよび回収バルブを閉じて、新たな電解液の拡散が平衡状態となるまで、電解液の回収および供給が停止される。これにより、放電または充電を行いつつ、本体11内の電解液40の交換(劣化した電解液と新たな電解液との混合)が行われる。もちろん、放電または充電を停止して、本体11内の電解液40の交換が行われてもよい。   In the metal-air battery 1, the operation of sequentially collecting the predetermined amount of electrolyte from the lower through-hole 511 and supplying the same amount of electrolyte from the upper through-hole 511 may be repeated. Thereby, the electrolytic solution 40 in the main body 11 is replaced with the electrolytic solution in the storage tank of the supply and recovery unit 6 while discharging or charging. It is also possible to intermittently replace the electrolyte. For example, after the electrolytic solution is circulated for a predetermined time, the supply valve and the recovery valve are closed, and the recovery and supply of the electrolytic solution are stopped until the diffusion of the new electrolytic solution reaches an equilibrium state. Thereby, the replacement of the electrolytic solution 40 in the main body 11 (mixing of the deteriorated electrolytic solution and a new electrolytic solution) is performed while discharging or charging. Of course, the discharging or charging may be stopped and the electrolytic solution 40 in the main body 11 may be replaced.

次に、セパレータ41を製造する処理の流れについて図2を参照して説明する。セパレータ41の製造では、まず、セラミックにて形成される多孔質の支持体であるセパレータ本体411が準備される(ステップS11)。既述のように、セパレータ本体411は、セラミック粒子の焼結により形成される。セパレータ本体411の成形体は、押出成形法、冷間等方圧プレス法、熱間等方圧プレス法等の任意の成形法により成形可能であり、例えば、特開2004−338363号公報(特許文献3)や、特開2005−66958号公報(特許文献4)に記載の成形手法が利用される。このとき、適当なダイスを選択することにより、成形体の中心軸に垂直な断面形状は、円、楕円、三角形、四角形、六角形、八角形等の任意形状にすることが可能である。成形体の焼成における焼結温度や焼結時間は、焼結が全体に亘って進行し、かつ、所定のガス透過量(例えば、3000m/(m×hr×atm))および平均細孔径(例えば、10μm)のセパレータ本体411が得られる条件が採用される。本実施の形態では、当該焼結温度は1000〜1500℃であり、焼結時間は10時間である。 Next, a flow of processing for manufacturing the separator 41 will be described with reference to FIG. In the manufacture of the separator 41, first, a separator body 411 that is a porous support formed of ceramic is prepared (step S11). As described above, the separator body 411 is formed by sintering ceramic particles. The molded body of the separator body 411 can be molded by any molding method such as an extrusion molding method, a cold isostatic pressing method, a hot isostatic pressing method, and the like, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-338363 (patent) The molding technique described in Document 3) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-66958 (Patent Document 4) is used. At this time, by selecting an appropriate die, the cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the molded body can be an arbitrary shape such as a circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, a hexagon, and an octagon. The sintering temperature and sintering time in the firing of the molded body are such that the sintering proceeds throughout, and a predetermined gas permeation amount (for example, 3000 m 3 / (m 2 × hr × atm)) and an average pore diameter. Conditions for obtaining a separator body 411 (for example, 10 μm) are employed. In the present embodiment, the sintering temperature is 1000 to 1500 ° C., and the sintering time is 10 hours.

セパレータ本体411が準備されると、セパレータ本体411において負極3と対向する(予定の)内側面上にセラミック膜が形成される(ステップS12)。詳細には、まず、セラミック粒子、溶媒、バインダを混合することにより、均一な分散状態の分散液が作製される。セラミック粒子は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアあるいはハフニア等である。セラミック粒子の平均粒径は、例えば、0.02μm以上かつ50μm以下であり、好ましくは、0.1μm以上かつ30μm以下である。より好ましくは、上記範囲内に含まれる粒径のセラミック粒子のみが用いられる。セラミック粒子の粒子形状はどのようなものであってもよい。   When the separator body 411 is prepared, a ceramic film is formed on the (planned) inner surface facing the negative electrode 3 in the separator body 411 (step S12). Specifically, first, ceramic particles, a solvent, and a binder are mixed to produce a dispersion liquid in a uniform dispersion state. The ceramic particles are silica, alumina, zirconia, titania or hafnia. The average particle size of the ceramic particles is, for example, 0.02 μm or more and 50 μm or less, and preferably 0.1 μm or more and 30 μm or less. More preferably, only ceramic particles having a particle size falling within the above range are used. The particle shape of the ceramic particles may be anything.

分散液を調整する溶媒には、水、あるいは、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、メチルセロソルブ等のセロソルブ類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、イソホロン等のケトン類、N、N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、ジオキサン等のエーテル類、クロロホルム等の塩素系溶媒、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類等を例示することができ、これらの溶媒は単独で、または、2種以上を混合して用いることが可能である。溶媒の添加量は、操作性や製膜性に影響を及ぼさない範囲内であれば特に限定されないが、乾燥処理の時間を短縮するという観点では、セラミック粒子100グラム(g)に対して500g以下であることが好ましい。   Solvents for adjusting the dispersion include water, alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and diethylene glycol, cellosolves such as methyl cellosolve, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and isophorone, N, N Examples include amides such as dimethylformamide, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, ethers such as dioxane, chlorinated solvents such as chloroform, and aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene. These solvents can be used alone or in admixture of two or more. The amount of the solvent added is not particularly limited as long as it does not affect the operability and film forming property, but from the viewpoint of shortening the drying treatment time, it is 500 g or less with respect to 100 g (g) of ceramic particles. It is preferable that

分散液を調整するバインダ樹脂は、水系および非水系のいずれも利用可能であり、様々な公知のバインダが用いられてよい。本実施の形態において用いられるバインダ樹脂の具体例としては、メチルセルロース、エチルセルロース等のセルロース系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体のポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリスチレン等のスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、あるいは、これらの共重合体等が挙げられ、これらのバインダ樹脂は単独で、または、2種以上を混合して用いることができる。バインダの添加量は、操作性や製膜性に影響を及ぼさない範囲であれば特に限定されないが、脱脂に要する時間を短縮するという観点では、セラミック粒子100gに対して500g以下であることが好ましい。   As the binder resin for adjusting the dispersion, both aqueous and non-aqueous binders can be used, and various known binders may be used. Specific examples of the binder resin used in the present embodiment include cellulose resins such as methyl cellulose and ethyl cellulose, acrylic resins such as polyethylene, polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer polyolefin, polymethyl methacrylate, and polybutyl methacrylate. Styrene resin such as polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyamide, polyester, polyether, polyvinyl alcohol, or a copolymer thereof. These binder resins may be used alone or in combination of two or more. Can be mixed and used. The amount of the binder added is not particularly limited as long as it does not affect the operability and film forming property, but is preferably 500 g or less with respect to 100 g of ceramic particles from the viewpoint of shortening the time required for degreasing. .

分散液はセパレータ本体411の内側面に塗布され、分散液の膜が当該内側面の全体に均一に形成される。なお、金属空気電池1の設計によっては、セパレータ本体411の外側面に分散液の膜が形成されてもよい。また、板状のセパレータ本体が用いられる場合には、セパレータ本体の一の主面に分散液の膜が形成される。セパレータ本体における分散液の膜の形成では、セパレータ本体のサイズや形状に合わせた適切な製膜方法(例えば、キャスティング法、ディッピング法、スプレー法等)が適宜選択される。分散液の膜を簡便に形成するという観点では、ディッピング法が用いられることが好ましい。   The dispersion is applied to the inner surface of the separator body 411, and a film of the dispersion is uniformly formed on the entire inner surface. Depending on the design of the metal-air battery 1, a dispersion film may be formed on the outer surface of the separator body 411. When a plate-like separator body is used, a dispersion film is formed on one main surface of the separator body. In the formation of the dispersion liquid film in the separator body, an appropriate film forming method (for example, a casting method, a dipping method, a spray method, etc.) according to the size and shape of the separator body is appropriately selected. From the viewpoint of easily forming a dispersion film, it is preferable to use a dipping method.

分散液の膜の焼成における焼結温度や焼結時間は、焼結が全体に亘って進行し、かつ、焼成により得られるセラミック膜の平均細孔径が0.01μm以上かつ2μm以下となる条件が採用される。本実施の形態では、当該焼結温度は、1000〜1500℃であり、焼結時間は10時間である。これにより、セパレータ本体411の内側面において、セラミック粒子の焼結によりセラミック膜が形成される。なお、焼成処理の前に、必要に応じて乾燥処理(ベーキング)が行われ、分散液の膜中の溶媒等が除去されてもよい。   The sintering temperature and sintering time in the firing of the dispersion film are such that the sintering proceeds throughout and the average pore diameter of the ceramic film obtained by firing is 0.01 μm or more and 2 μm or less. Adopted. In the present embodiment, the sintering temperature is 1000 to 1500 ° C., and the sintering time is 10 hours. Thus, a ceramic film is formed on the inner surface of the separator body 411 by sintering the ceramic particles. In addition, before a baking process, a drying process (baking) may be performed as needed, and the solvent etc. in the film | membrane of a dispersion liquid may be removed.

上記セラミック膜を下層膜として、他のセラミック膜を下層膜上にさらに形成する場合には(ステップS13)、上記ステップS12が繰り返され、下層膜の表面上に他のセラミック膜が、下層膜と同じ種類または他の種類のセラミック粒子の焼結により形成される。このとき、当該他のセラミック膜の形成に用いられるセラミック粒子の粒径は、下層膜の形成に用いられるセラミック粒子の粒径よりも小さいことが好ましく、これにより、セパレータ本体411の細孔径が比較的大きい場合でも、平均細孔径が小さいセラミック膜を容易に形成することが可能となる。ステップS12の処理は必要な回数だけ繰り返され(ステップS13)、複数のセラミック膜が積層された積層膜が多孔膜412として形成される。ステップS12の処理が1回だけ行われる場合には、多孔膜412は一のセラミック膜の単層膜となる。以上の処理により、セパレータ41が製造される。   When the ceramic film is used as a lower layer film and another ceramic film is further formed on the lower layer film (step S13), the step S12 is repeated, and another ceramic film is formed on the surface of the lower layer film with the lower layer film. It is formed by sintering the same type or other types of ceramic particles. At this time, the particle size of the ceramic particles used for forming the other ceramic film is preferably smaller than the particle size of the ceramic particles used for forming the lower layer film, so that the pore size of the separator body 411 is compared. Even in the case of a relatively large size, it becomes possible to easily form a ceramic film having a small average pore diameter. The process of step S12 is repeated as many times as necessary (step S13), and a laminated film in which a plurality of ceramic films are laminated is formed as the porous film 412. When the process of step S12 is performed only once, the porous film 412 becomes a single-layer film of one ceramic film. The separator 41 is manufactured by the above processing.

次に、セパレータの製造に係る実施例1ないし8、並びに、当該実施例1ないし8にて作製したセパレータの評価試験(過充電安定性およびサイクル耐久性の評価試験)について述べる。以下の実施例にて製造されるセパレータは一例であり、セパレータは他の処理にて製造されてもよい。   Next, Examples 1 to 8 relating to the production of the separator and evaluation tests (overcharge stability and cycle durability evaluation tests) of the separators produced in Examples 1 to 8 will be described. The separator manufactured in the following examples is an example, and the separator may be manufactured by other processing.

(実施例1)
ソルミックス(登録商標)H−37(日本アルコール販売株式会社製)3部、酢酸2−(2−n−ブトキシエトキシ)エチル(関東化学株式会社製)1部、エチルセルロース(東京化成工業株式会社製)0.14部を混合および撹拌し、アルミナ粉末(昭和電工株式会社製、商品名:A−42−6)1.28部をさらに混合および攪拌して、セラミック膜用の分散液を作製した。
Example 1
3 parts of Solmix (registered trademark) H-37 (manufactured by Nippon Alcohol Sales Co., Ltd.), 1 part of 2- (2-n-butoxyethoxy) ethyl acetate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), ethyl cellulose (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) ) 0.14 part was mixed and stirred, and 1.28 parts of alumina powder (manufactured by Showa Denko KK, trade name: A-42-6) was further mixed and stirred to prepare a dispersion for a ceramic membrane. .

外径16mm、内径12mm、長さ300mmの円筒状の多孔質アルミナ支持体をセパレータ本体として準備した。セパレータ本体の平均細孔径は10μmであり、ガス透過量は3173m/(m×hr×atm)であった。セパレータ本体の下端をキャップ部材にて封止し、上端からセパレータ本体内に上端近傍に液面が位置するまで分散液を注入し、1分間保持した。そして、キャップ部材を取り外してセパレータ本体内の分散液を回収した。このようにして、セパレータ本体の内側面に分散液の膜を形成した。セパレータ本体に対して、室温下にて20時間の静置乾燥後、50℃で3時間の乾燥を行った。その後、セパレータ本体を1450℃で4時間焼成することにより、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜を内側面上に有するセパレータ本体を得た。多孔膜であるセラミック膜の膜厚は50μmであり、平均細孔径は2.0μmであった。また、セラミック膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は2117m/(m×hr×atm)であった。 A cylindrical porous alumina support having an outer diameter of 16 mm, an inner diameter of 12 mm, and a length of 300 mm was prepared as a separator body. The average pore diameter of the separator main body was 10 μm, and the gas permeation amount was 3173 m 3 / (m 2 × hr × atm). The lower end of the separator body was sealed with a cap member, and the dispersion was poured from the upper end into the separator body until the liquid level was positioned near the upper end, and held for 1 minute. And the cap member was removed and the dispersion liquid in a separator main body was collect | recovered. In this way, a dispersion film was formed on the inner surface of the separator body. The separator body was left to dry at room temperature for 20 hours, and then dried at 50 ° C. for 3 hours. Thereafter, the separator body was fired at 1450 ° C. for 4 hours to obtain a separator body having a porous ceramic film formed of alumina on the inner surface. The film thickness of the ceramic film, which is a porous film, was 50 μm, and the average pore diameter was 2.0 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator composed of the ceramic membrane and the separator main body was 2117 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例2)
ソルミックス(登録商標)H−37(日本アルコール販売株式会社製)3部、酢酸2−(2−n−ブトキシエトキシ)エチル(関東化学株式会社製)1部、エチルセルロース(東京化成工業株式会社製)0.11部を混合および撹拌し、ジルコニア粉末(東ソー株式会社製、商品名:TZ−0)0.8部をさらに混合および攪拌して、セラミック膜用の分散液を作製した。
(Example 2)
3 parts of Solmix (registered trademark) H-37 (manufactured by Nippon Alcohol Sales Co., Ltd.), 1 part of 2- (2-n-butoxyethoxy) ethyl acetate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), ethyl cellulose (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) ) 0.11 part was mixed and stirred, and 0.8 part of zirconia powder (manufactured by Tosoh Corporation, trade name: TZ-0) was further mixed and stirred to prepare a dispersion for a ceramic film.

続いて、実施例1で作製したセパレータに対して、上記ジルコニアの分散液を用いて実施例1と同様の処理を行って、セパレータ本体の内側面のセラミック膜上に分散液の膜を形成した。実施例1と同様に乾燥処理を行った後、セパレータ本体を1000℃で4時間焼成することにより、積層膜を内側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜と、ジルコニアにて形成された多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は68μmであり、平均細孔径は0.3μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は1065m/(m×hr×atm)であった。 Subsequently, the separator produced in Example 1 was treated in the same manner as in Example 1 using the zirconia dispersion, thereby forming a dispersion film on the ceramic film on the inner surface of the separator body. . After performing a drying process in the same manner as in Example 1, the separator body was fired at 1000 ° C. for 4 hours to obtain a separator body having a laminated film on the inner surface. The laminated film is formed by laminating a porous ceramic film formed of alumina and a porous ceramic film formed of zirconia. The thickness of the laminated film, which is a porous film, was 68 μm, and the average pore diameter was 0.3 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator constituted by the laminated film and the separator main body was 1065 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例3)
実施例2で作製したセパレータに対して、実施例2と同様の処理を再度行うことにより、積層膜を内側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜と、一の焼成処理により形成されたジルコニアの多孔質セラミック膜と、他の一の焼成処理により形成されたジルコニアの多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は84μmであり、平均細孔径は0.1μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は373m/(m×hr×atm)であった。
(Example 3)
The separator manufactured in Example 2 was again subjected to the same treatment as in Example 2 to obtain a separator main body having a laminated film on the inner surface. The laminated film includes a porous ceramic film formed of alumina, a zirconia porous ceramic film formed by one baking process, and a zirconia porous ceramic film formed by another baking process. Are laminated. The film thickness of the laminated film, which is a porous film, was 84 μm, and the average pore diameter was 0.1 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator constituted by the laminated film and the separator main body was 373 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例4)
実施例1で作製したセパレータに対して、実施例1と同様の処理を再度行うことにより、積層膜を内側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、一の焼成処理により形成されたアルミナの多孔質セラミック膜と、他の一の焼成処理により形成されたアルミナの多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は98μmであり、平均細孔径は1.5μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は1534m/(m×hr×atm)であった。
Example 4
The separator manufactured in Example 1 was again subjected to the same treatment as in Example 1 to obtain a separator body having a laminated film on the inner surface. The laminated film is formed by laminating an alumina porous ceramic film formed by one firing process and an alumina porous ceramic film formed by another firing process. The film thickness of the laminated film, which is a porous film, was 98 μm, and the average pore diameter was 1.5 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator constituted by the laminated film and the separator main body was 1534 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例5)
実施例1にて作製した分散液と同様の分散液、および、実施例1にて用いたセパレータ本体と同様のセパレータ本体(セラミック膜は形成されていない。)を準備し、セパレータ本体の上端および下端をキャップ部材にて封止した。そして、容器内に貯溜された分散液中にセパレータ本体を浸漬し、1分間保持した後、セパレータ本体を引き上げた。なお、セパレータ本体の分散液への浸漬は2秒で行い、分散液からの引き上げは6秒で行った。このようにして、セパレータ本体の外側面に分散液の膜を形成した。セパレータ本体に対して、室温下にて20時間の静置乾燥後、50℃で3時間の乾燥を行った。その後、セパレータ本体を1450℃で4時間焼成することにより、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜を外側面上に有するセパレータ本体を得た。多孔膜であるセラミック膜の膜厚は53μmであり、平均細孔径は2.0μmであった。また、セラミック膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は2117m/(m×hr×atm)であった。
(Example 5)
A dispersion similar to the dispersion prepared in Example 1 and a separator main body (no ceramic film formed) similar to the separator main body used in Example 1 were prepared, and the upper end of the separator main body and The lower end was sealed with a cap member. And the separator main body was immersed in the dispersion liquid stored in the container, held for 1 minute, and then the separator main body was pulled up. The separator body was immersed in the dispersion liquid in 2 seconds, and the separator was pulled up from the dispersion liquid in 6 seconds. In this way, a dispersion film was formed on the outer surface of the separator body. The separator body was left to dry at room temperature for 20 hours, and then dried at 50 ° C. for 3 hours. Thereafter, the separator body was fired at 1450 ° C. for 4 hours to obtain a separator body having a porous ceramic film formed of alumina on the outer surface. The film thickness of the ceramic film, which is a porous film, was 53 μm, and the average pore diameter was 2.0 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator composed of the ceramic membrane and the separator main body was 2117 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例6)
実施例2にて作製した分散液と同様のジルコニアの分散液を準備した。続いて、実施例5で作製したセパレータに対して、上記ジルコニアの分散液を用いて実施例5と同様の処理を行って、セパレータ本体の外側面のセラミック膜上に分散液の膜を形成した。実施例5と同様に乾燥処理を行った後、セパレータ本体を1000℃で4時間焼成することにより、積層膜を外側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜と、ジルコニアにて形成された多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は65μmであり、平均細孔径は0.4μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は1346m/(m×hr×atm)であった。
(Example 6)
A zirconia dispersion similar to the dispersion prepared in Example 2 was prepared. Subsequently, the separator produced in Example 5 was treated in the same manner as in Example 5 using the zirconia dispersion, thereby forming a dispersion film on the ceramic film on the outer surface of the separator body. . After performing a drying process in the same manner as in Example 5, the separator body was baked at 1000 ° C. for 4 hours to obtain a separator body having a laminated film on the outer surface. The laminated film is formed by laminating a porous ceramic film formed of alumina and a porous ceramic film formed of zirconia. The thickness of the laminated film, which is a porous film, was 65 μm, and the average pore diameter was 0.4 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator constituted by the laminated film and the separator main body was 1346 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例7)
実施例6で作製したセパレータに対して、実施例6と同様の処理を再度行うことにより、積層膜を外側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、アルミナにて形成された多孔質セラミック膜と、一の焼成処理により形成されたジルコニアの多孔質セラミック膜と、他の一の焼成処理により形成されたジルコニアの多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は81μmであり、平均細孔径は0.1μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は361m/(m×hr×atm)であった。
(Example 7)
The separator manufactured in Example 6 was again subjected to the same treatment as in Example 6 to obtain a separator body having a laminated film on the outer surface. The laminated film includes a porous ceramic film formed of alumina, a zirconia porous ceramic film formed by one baking process, and a zirconia porous ceramic film formed by another baking process. Are laminated. The film thickness of the laminated film, which is a porous film, was 81 μm, and the average pore diameter was 0.1 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator composed of the laminated film and the separator main body was 361 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(実施例8)
実施例5で作製したセパレータに対して、実施例5と同様の処理を再度行うことにより、積層膜を外側面上に有するセパレータ本体を得た。当該積層膜は、一の焼成処理により形成されたアルミナの多孔質セラミック膜と、他の一の焼成処理により形成されたアルミナの多孔質セラミック膜とが積層されたものである。多孔膜である積層膜の膜厚は103μmであり、平均細孔径は1.6μmであった。また、積層膜およびセパレータ本体にて構成されるセパレータのガス透過量は1621m/(m×hr×atm)であった。
(Example 8)
The separator produced in Example 5 was again subjected to the same treatment as in Example 5 to obtain a separator body having a laminated film on the outer surface. The laminated film is formed by laminating an alumina porous ceramic film formed by one firing process and an alumina porous ceramic film formed by another firing process. The film thickness of the laminated film, which is a porous film, was 103 μm, and the average pore diameter was 1.6 μm. Moreover, the gas permeation amount of the separator constituted by the laminated film and the separator main body was 1621 m 3 / (m 2 × hr × atm).

(過充電安定性の評価試験)
実施例1ないし8にて作製したセパレータの過充電安定性について評価した。ここでは、セラミック膜を形成していない上記セパレータ本体を比較例のセパレータとして準備した。過充電安定性の評価試験では、図1と同様のコイル状の亜鉛電極(負極3)、および、直径24mm、長さ100mm、肉厚2mmの亜鉛パイプを準備した。また、0.65M(mol/L)の酸化亜鉛を含む7Mの水酸化カリウム水溶液を2Lだけ貯溜する容器を準備した。そして、水酸化カリウム水溶液中において、円筒状のセパレータ内にコイル状の亜鉛電極をセパレータと同心円状に配置し、亜鉛パイプの内側面がセパレータの外側面と対向するように亜鉛パイプをセパレータと同心円状に配置した。セパレータと外径(コイル径)8mmのコイル状の亜鉛電極との面間距離は2mmとなり、セパレータと亜鉛パイプとの面間距離は4mmとなる。
(Overcharge stability evaluation test)
The overcharge stability of the separators produced in Examples 1 to 8 was evaluated. Here, the separator body on which the ceramic film was not formed was prepared as a separator for a comparative example. In the overcharge stability evaluation test, a coiled zinc electrode (negative electrode 3) similar to that shown in FIG. 1 and a zinc pipe having a diameter of 24 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 2 mm were prepared. Moreover, the container which stores only 2L of 7M potassium hydroxide aqueous solution containing 0.65M (mol / L) zinc oxide was prepared. In a potassium hydroxide aqueous solution, a coiled zinc electrode is disposed concentrically with the separator in a cylindrical separator, and the zinc pipe is concentric with the separator so that the inner surface of the zinc pipe faces the outer surface of the separator. Arranged. The distance between the separator and the coiled zinc electrode having an outer diameter (coil diameter) of 8 mm is 2 mm, and the distance between the separator and the zinc pipe is 4 mm.

セパレータ本体の内側面上にセラミック膜を形成した実施例1ないし4のセパレータ、並びに、セラミック膜を形成していない比較例のセパレータについては、コイル状の亜鉛電極がカソード極(すなわち、亜鉛が析出する電極)となるように、電源(株式会社山本鍍金試験器製、型番:YPP15101C)の電源端子をコイル状の亜鉛電極および亜鉛パイプに接続した。また、セパレータ本体の外側面上にセラミック膜を形成した実施例5ないし8のセパレータについては、亜鉛パイプがカソード極となるように、上記電源の電源端子を亜鉛パイプおよびコイル状の亜鉛電極に接続した。そして、電流密度150mA/cmで1〜10時間の電解析出を行い、電解析出後のセパレータを観察した。 For the separators of Examples 1 to 4 in which the ceramic film was formed on the inner surface of the separator body and the separator of the comparative example in which the ceramic film was not formed, the coiled zinc electrode was the cathode electrode (that is, zinc was deposited). The power source terminal of the power source (manufactured by Yamamoto Metal Testing Co., Ltd., model number: YPP15101C) was connected to the coiled zinc electrode and the zinc pipe. For the separators of Examples 5 to 8 in which the ceramic film is formed on the outer surface of the separator body, the power supply terminal of the power supply is connected to the zinc pipe and the coiled zinc electrode so that the zinc pipe becomes a cathode electrode. did. Then, electrolytic deposition was performed at a current density of 150 mA / cm 2 for 1 to 10 hours, and the separator after electrolytic deposition was observed.

図3は、カソード極における析出金属(亜鉛)のセパレータ内部への侵出の有無を確認した結果を示す図である。図3では、最も左側の列に、セパレータの製造に係る実施例の番号(または比較例)を記し、列見出しに「セパレータへの侵出」と記す列に、析出金属の侵出の有無を示している。○は、カソード極における析出金属のセパレータ内部(内側面と外側面との間の部位)への侵出が確認されなかったことを示し、△は、析出金属のセパレータ内部への侵出はあるが、析出金属がセパレータを貫通していなかったことを示し、×は、析出金属がセパレータを貫通していたことを示す。図3では、列見出しに「膜形成面」と記す列に、セパレータ本体においてセラミック膜が形成される面を記し、列見出しに「1層目材料」と記す列にセパレータ本体に直接形成されるセラミック膜の材料を示している。また、当該セラミック膜上にセラミック膜が積層される場合に、列見出しに「2層目材料」と記す列に2層目のセラミック膜の材料を示し、列見出しに「3層目材料」と記す列に3層目のセラミック膜の材料を示している。図3では、セラミック膜の単層膜または複数のセラミック膜の積層膜である多孔膜の膜厚および平均細孔径、並びに、評価試験における電析時間も示している(後述の図10における対応する項目において同様)。なお、比較例における平均細孔径は、セパレータ本体の平均細孔径である。   FIG. 3 is a diagram showing the result of confirming whether or not the deposited metal (zinc) leached into the separator in the cathode electrode. In FIG. 3, in the leftmost column, the number of the example relating to the manufacture of the separator (or a comparative example) is written, and in the column labeled “Leaching into Separator”, the presence or absence of the leaching of the deposited metal is shown. Show. ○ indicates that no leaching of the deposited metal into the separator (a portion between the inner surface and the outer surface) at the cathode electrode was confirmed, and △ indicates that the deposited metal leached into the separator. Indicates that the deposited metal did not penetrate the separator, and x indicates that the deposited metal penetrated the separator. In FIG. 3, the surface on which the ceramic film is formed in the separator main body is indicated in the column indicated as “film formation surface” in the column heading, and is directly formed on the separator main body in the row indicated as “first layer material” in the column heading. The material of the ceramic membrane is shown. When a ceramic film is laminated on the ceramic film, the material of the second-layer ceramic film is shown in the column labeled “Second-layer material” in the column header, and “third-layer material” is listed in the column header. In the column shown, the material of the third layer ceramic film is shown. FIG. 3 also shows the film thickness and average pore diameter of a porous film that is a single layer film of ceramic film or a laminated film of a plurality of ceramic films, and the electrodeposition time in an evaluation test (corresponding to FIG. 10 described later). The same applies to items). The average pore diameter in the comparative example is the average pore diameter of the separator body.

比較例のセパレータにおいて電析時間が2時間の場合は、析出金属の比較例のセパレータ内部への侵出は確認されなかったが、電析時間が3時間の場合は、セパレータの縦断面を示す図4および図5のように、コイル状の亜鉛電極における粉状または粒子状の析出金属がセパレータの内部に侵出していることが確認された。また、電析時間が5時間の場合は、セパレータの外側面を示す図6、および、内側面を示す図7のように、析出金属がセパレータの内部を貫通し、外側面まで到達していることが確認された。   When the electrodeposition time was 2 hours in the separator of the comparative example, no leaching of the deposited metal into the separator of the comparative example was confirmed, but when the electrodeposition time was 3 hours, the vertical section of the separator is shown. As shown in FIG. 4 and FIG. 5, it was confirmed that the powdered or particulate deposited metal in the coiled zinc electrode penetrated into the separator. In addition, when the electrodeposition time is 5 hours, as shown in FIG. 6 showing the outer side of the separator and FIG. 7 showing the inner side, the deposited metal penetrates the inside of the separator and reaches the outer side. It was confirmed.

これに対し、セパレータ本体の内側面または外側面に多孔膜が形成された実施例1ないし8のセパレータでは、いずれも析出金属の内部侵入が確認されなかった。図8および図9では、10時間の電解析出後における実施例3のセパレータの横断面および内側面を示しており、図8および図9から、亜鉛電極における析出金属のセパレータ内部への侵出がないことが判る。   On the other hand, in the separators of Examples 1 to 8 in which the porous film was formed on the inner side surface or the outer side surface of the separator main body, no internal penetration of the deposited metal was confirmed. 8 and 9 show the cross section and the inner surface of the separator of Example 3 after electrolytic deposition for 10 hours. From FIGS. 8 and 9, leaching of the deposited metal in the zinc electrode into the separator is shown. It turns out that there is no.

(サイクル耐久性の評価試験)
次に、実施例1ないし8にて作製したセパレータのサイクル耐久性について評価した。ここでは、上記過充電安定性の評価試験と同様に、実施例1ないし8、並びに、比較例のセパレータに対してコイル状の亜鉛電極および亜鉛パイプを配置した。そして、セパレータ本体の内側面上にセラミック膜を形成した実施例1ないし4のセパレータ、並びに、セラミック膜を形成していない比較例のセパレータについては、コイル状の亜鉛電極を対象電極とし、セパレータ本体の外側面上にセラミック膜を形成した実施例5ないし8のセパレータについては、亜鉛パイプを対象電極として、電池性能評価装置(株式会社計測器センター製、型番:BLS5500)を用いて、対象電極における金属の析出および溶解を繰り返した。詳細には、電流密度150mA/cmの条件下において、70分間の析出の後、70分間の溶解を行う動作を1サイクルとして、150サイクルの析出および溶解を行った。その後、セパレータを観察した。
(Evaluation test for cycle durability)
Next, the cycle durability of the separators produced in Examples 1 to 8 was evaluated. Here, similarly to the evaluation test of the overcharge stability, coiled zinc electrodes and zinc pipes were arranged for the separators of Examples 1 to 8 and the comparative example. And about the separator of Examples 1 thru | or 4 which formed the ceramic film | membrane on the inner surface of a separator main body, and the separator of the comparative example which has not formed the ceramic film | membrane, let a coil-shaped zinc electrode be an object electrode, and a separator main body For the separators of Examples 5 to 8 in which the ceramic film was formed on the outer surface of the battery, using the zinc pipe as the target electrode, using a battery performance evaluation apparatus (manufactured by Keiki Keiki Center Co., Ltd., model number: BLS5500), The deposition and dissolution of the metal was repeated. Specifically, under the condition of a current density of 150 mA / cm 2 , 150 cycles of deposition and dissolution were performed with 70 cycles of dissolution followed by 70 minutes of dissolution as one cycle. Thereafter, the separator was observed.

図10は、対象電極における析出金属(亜鉛)のセパレータ内部への侵出の有無を確認した結果を示す図である。図10では、列見出しに「セパレータへの侵出」と記す列に、析出金属の侵出の有無を示している。○は、対象電極における析出金属のセパレータ内部への侵出が確認されなかったことを示し、△は、析出金属のセパレータ内部への侵出はあるが、析出金属がセパレータを貫通していなかったことを示し、×は、析出金属がセパレータを貫通していたことを示す。   FIG. 10 is a diagram showing the result of confirming whether or not the deposited metal (zinc) leached into the separator in the target electrode. In FIG. 10, the presence or absence of the leaching of the deposited metal is shown in the column labeled “Extrusion to separator” in the column heading. ○ indicates that no precipitation of the deposited metal into the separator was confirmed in the target electrode, and Δ indicates that the deposited metal did not penetrate into the separator, but the deposited metal did not penetrate the separator. X indicates that the deposited metal had penetrated the separator.

図10に示すように、比較例の3個のセパレータでは、いずれも、析出金属がセパレータの内部を貫通し、外側面まで到達していることが確認された。これに対し、セパレータ本体の内側面または外側面に多孔膜が形成されたセパレータでは、実施例1に対応するものを除き、いずれも析出金属のセパレータ内部への侵出は確認されなかった。実施例1ないし8のセパレータのうち平均細孔径が最大であり、セパレータ本体の内側面に多孔膜が形成される実施例1のセパレータでは、析出金属の内部侵入はあるが、析出金属がセパレータを貫通することはなかった。   As shown in FIG. 10, in the three separators of the comparative example, it was confirmed that the deposited metal penetrated the inside of the separator and reached the outer surface. On the other hand, in the separator in which the porous film was formed on the inner side surface or the outer side surface of the separator main body, except for the one corresponding to Example 1, no leaching of the precipitated metal into the separator was confirmed. Of the separators of Examples 1 to 8, the average pore diameter is the largest, and in the separator of Example 1 in which the porous film is formed on the inner surface of the separator body, there is an internal penetration of the precipitated metal, There was no penetration.

以上のように、セパレータ本体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径の多孔膜が、セパレータ本体の内側面または外側面に形成されるセパレータでは、過充電安定性の評価試験およびサイクル耐久性の評価試験において、電極に析出する金属がセパレータを貫通することが防止される。より詳細には、図3および図10の結果から、セパレータにおける多孔膜の平均細孔径が、2μm以下であり、多孔膜の厚さが50μm以上である場合に、電極に析出する金属がセパレータを貫通することがより確実に防止される。したがって、このようなセパレータを金属空気電池1に用いることにより、負極3の粉状または粒子状の析出金属がセパレータ41を貫通して負極3と正極2とが短絡することを防止することが実現される。   As described above, in the separator in which the porous film having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the separator body is formed on the inner surface or the outer surface of the separator body, the overcharge stability evaluation test and the cycle durability evaluation In the test, the metal deposited on the electrode is prevented from penetrating the separator. More specifically, from the results of FIG. 3 and FIG. 10, when the average pore diameter of the porous film in the separator is 2 μm or less and the thickness of the porous film is 50 μm or more, the metal deposited on the electrode Penetration is more reliably prevented. Therefore, by using such a separator for the metal-air battery 1, it is possible to prevent the powdered or particulate deposited metal of the negative electrode 3 from penetrating the separator 41 and short-circuiting the negative electrode 3 and the positive electrode 2. Is done.

また、図1の金属空気電池1では、セパレータ41が、耐電解液性、物理的・化学的な安定性(耐熱性を含む。)および電気化学的耐酸化性を有する焼結セラミックのみにより形成される。これにより、セパレータ41が電解液中に溶出したり、電解液により腐食あるいは膨潤することが抑制され、充電時に発生する酸素による劣化も抑制される。また、電池組み立て工程および電池反応サイクルにおける機械的強度も確保される。さらに、既述の粉状または粒子状の析出金属に対する耐ショート性に加え、充電時にデンドライト等が生成・成長する場合であっても、負極3と正極2との短絡を防止することができる。その結果、金属空気電池1における長期安定性を実現することができる。   Further, in the metal-air battery 1 of FIG. 1, the separator 41 is formed only of a sintered ceramic having an electrolytic solution resistance, physical and chemical stability (including heat resistance), and electrochemical oxidation resistance. Is done. Thereby, it is suppressed that the separator 41 elutes in the electrolytic solution, or is corroded or swollen by the electrolytic solution, and deterioration due to oxygen generated during charging is also suppressed. Further, the mechanical strength in the battery assembly process and the battery reaction cycle is also ensured. Furthermore, in addition to the short-circuit resistance to the powdery or particulate deposited metal described above, even when dendrite or the like is generated and grows at the time of charging, a short circuit between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 can be prevented. As a result, long-term stability in the metal-air battery 1 can be realized.

さらに、セラミックにて形成されるセパレータ41は、円筒状以外に、板状等、任意の形状に成形することが可能である。したがって、負極3および正極2をフィルム状(シート状)や板状、棒状、あるいは、筒状等、様々な形状とする場合であっても、セパレータ41を支持体として利用して、金属空気電池を容易に製造することができる。なお、図1のように、円筒型の本体11を有する金属空気電池1では、エネルギー密度を容易に向上させることが可能であり、また、複数の本体11を密に配置することも可能である(中心軸J1に垂直な断面形状が、四角形や六角形等である場合において同様。)。   Furthermore, the separator 41 formed of ceramic can be formed into an arbitrary shape such as a plate shape in addition to the cylindrical shape. Accordingly, even when the negative electrode 3 and the positive electrode 2 are formed in various shapes such as a film shape (sheet shape), a plate shape, a rod shape, or a tubular shape, the separator 41 is used as a support, and the metal-air battery Can be easily manufactured. As shown in FIG. 1, in the metal-air battery 1 having the cylindrical main body 11, the energy density can be easily improved, and a plurality of main bodies 11 can be arranged densely. (The same applies when the cross-sectional shape perpendicular to the central axis J1 is a square, a hexagon, or the like).

上記金属空気電池1は様々な変形が可能である。負極3と正極2との間に配置されるセパレータ41において、セパレータ本体411の内側面および外側面の双方に多孔膜412が形成されてもよい。すなわち、セパレータ41では、少なくとも負極3と対向する面上に多孔膜412が形成されることが重要である。   The metal-air battery 1 can be variously modified. In the separator 41 disposed between the negative electrode 3 and the positive electrode 2, the porous film 412 may be formed on both the inner surface and the outer surface of the separator body 411. That is, in the separator 41, it is important that the porous film 412 is formed on at least the surface facing the negative electrode 3.

また、金属空気電池1の設計によっては、セパレータ本体411および多孔膜412の一方または双方がセラミックに加えて、バインダー等の他の材料を含んでもよい。   Further, depending on the design of the metal-air battery 1, one or both of the separator body 411 and the porous film 412 may include other materials such as a binder in addition to the ceramic.

金属空気電池1では、必ずしも電解液を循環させる必要はない。上記セパレータ41は、亜鉛空気電池以外の金属空気電池にて用いられてよく、さらに、充電の際に負極において金属が析出する他の二次電池にて用いられてよい。   In the metal-air battery 1, it is not always necessary to circulate the electrolytic solution. The separator 41 may be used in a metal-air battery other than a zinc-air battery, and may be used in another secondary battery in which metal is deposited on the negative electrode during charging.

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。   The configurations in the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate as long as they do not contradict each other.

1 金属空気電池
2 正極
3 負極
4 電解質層
40 電解液
41 セパレータ
411 セパレータ本体
412 多孔膜
S11〜S13 ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal-air battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode 4 Electrolyte layer 40 Electrolytic solution 41 Separator 411 Separator main body 412 Porous film S11-S13 Step

Claims (9)

充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、前記負極と正極との間に配置されるセパレータであって、
セラミックにて形成される多孔質の支持体であるセパレータ本体と、
前記セパレータ本体において前記負極と対向する面上にセラミックにて形成され、前記セパレータ本体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する多孔膜と、
を備え、
前記多孔膜の前記平均細孔径が、0.01マイクロメートル以上かつ2マイクロメートル以下であり、
前記多孔膜の厚さが50マイクロメートル以上かつ200マイクロメートル以下であることを特徴とするセパレータ。
In a secondary battery in which metal is deposited at the negative electrode during charging, the separator is disposed between the negative electrode and the positive electrode,
A separator body which is a porous support formed of ceramic;
A porous membrane formed of ceramic on the surface of the separator body facing the negative electrode and having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the separator body;
With
The average pore diameter of the porous membrane is 0.01 micrometer or more and 2 micrometers or less;
A separator having a thickness of the porous film of 50 micrometers or more and 200 micrometers or less.
請求項1に記載のセパレータであって、
前記多孔膜が、複数の膜が積層された積層膜であることを特徴とするセパレータ。
The separator according to claim 1,
The separator is a laminated film in which a plurality of films are laminated.
請求項1または2に記載のセパレータであって、
前記多孔膜が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアおよびハフニアのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とするセパレータ。
The separator according to claim 1 or 2,
The separator is characterized in that the porous film contains at least one of silica, alumina, zirconia, titania and hafnia.
請求項1ないし3のいずれかに記載のセパレータであって、
前記セパレータ本体の空孔率が、30パーセント以上かつ80パーセント以下であることを特徴とするセパレータ。
The separator according to any one of claims 1 to 3,
The separator has a porosity of 30% or more and 80% or less.
請求項1ないし4のいずれかに記載のセパレータであって、
前記セパレータ本体が筒状であり、
前記セパレータ本体において、前記負極と対向する面の全周に亘って前記多孔膜が形成されることを特徴とするセパレータ。
The separator according to any one of claims 1 to 4,
The separator body is cylindrical;
In the separator body, the porous film is formed over the entire circumference of the surface facing the negative electrode.
二次電池であって、
正極と、
充電の際に金属が析出する負極と、
前記負極と前記正極との間に配置される電解質層と、
を備え、
前記電解質層が、
請求項1ないし5のいずれかに記載のセパレータを有し、
前記セパレータに電解液が充填されることを特徴とする二次電池。
A secondary battery,
A positive electrode;
A negative electrode on which metal is deposited during charging;
An electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode;
With
The electrolyte layer is
Having the separator according to any one of claims 1 to 5,
A secondary battery, wherein the separator is filled with an electrolytic solution.
充電の際に負極において金属が析出する二次電池において、前記負極と正極との間に配置されるセパレータの製造方法であって、
a)セラミックにて形成される多孔質の支持体であるセパレータ本体を準備する工程と、
b)前記セパレータ本体において前記負極と対向する面上に、前記セパレータ本体の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する多孔膜をセラミックにて形成する工程と、
を備え、
前記多孔膜の前記平均細孔径が、0.01マイクロメートル以上かつ2マイクロメートル以下であり、
前記多孔膜の厚さが50マイクロメートル以上かつ200マイクロメートル以下であることを特徴とするセパレータの製造方法。
In a secondary battery in which metal is deposited at the negative electrode during charging, a method for producing a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode,
a) preparing a separator body which is a porous support formed of ceramic;
b) forming a porous film having an average pore diameter smaller than the average pore diameter of the separator body on the surface facing the negative electrode in the separator body with ceramic;
With
The average pore diameter of the porous membrane is 0.01 micrometer or more and 2 micrometers or less;
A method for producing a separator, wherein the thickness of the porous film is 50 micrometers or more and 200 micrometers or less.
請求項7に記載のセパレータの製造方法であって、
前記b)工程が、
b1)前記セパレータ本体の前記面上にセラミック粒子の焼結により一の膜を形成する工程と、
b2)前記一の膜の表面上にセラミック粒子の焼結により他の一の膜を形成する工程と、
を有することを特徴とするセパレータの製造方法。
It is a manufacturing method of the separator according to claim 7,
Step b)
b1) forming a film on the surface of the separator body by sintering ceramic particles;
b2) forming another film on the surface of the one film by sintering ceramic particles;
A method for producing a separator, comprising:
請求項7または8に記載のセパレータの製造方法であって、
前記多孔膜が、平均粒径が0.1マイクロメートル以上かつ30マイクロメートル以下のセラミック粒子の焼結により形成されることを特徴とするセパレータの製造方法。
A separator manufacturing method according to claim 7 or 8,
A method for producing a separator, wherein the porous film is formed by sintering ceramic particles having an average particle size of 0.1 μm or more and 30 μm or less.
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