JP2015060665A - Air cell, negative electrode for air cell, and air cell unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素を正極活物質とする正極を有する空気電池、該空気電池に用いる負極、及び該空気電池のセルが複数接続された空気電池ユニットに関する。 The present invention relates to an air battery having a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material, a negative electrode used in the air battery, and an air battery unit in which a plurality of cells of the air battery are connected.
近年、負極活物質として金属単体又はその合金あるいは金属化合物を、正極活物質として酸素を利用した電池である空気電池の研究が盛んに行われている。この空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を利用するため、電池内に正極活物質を充填する必要が無く、その分、負極活物質を多量に充填することができる。そのため、理論上、空気電池は、固体の正極活物質を用いる電池よりも大きな容量を実現することができる。空気電池の負極には、例えば、亜鉛、リチウム、アルミニウム、マグネシウム、鉄等の化学的に卑な金属Mが用いられ、正極(空気極)には、炭素、金属、合金等を多孔質とし、酸素還元触媒が塗布されたガス拡散電極が用いられる。空気中の酸素がこのガス拡散電極に取り込まれることにより、下記式に示す放電反応が進行する。
負極:M→Mn++ne−
正極:O2+2H2O+4e−→4OH−
In recent years, research on air batteries, which are batteries using a single metal or an alloy or metal compound thereof as a negative electrode active material and oxygen as a positive electrode active material, has been actively conducted. Since this air battery uses oxygen in the air as the positive electrode active material, it is not necessary to fill the battery with the positive electrode active material, and a large amount of the negative electrode active material can be filled accordingly. Therefore, theoretically, an air battery can realize a larger capacity than a battery using a solid positive electrode active material. For the negative electrode of the air battery, for example, a chemically base metal M such as zinc, lithium, aluminum, magnesium, iron or the like is used. For the positive electrode (air electrode), carbon, metal, alloy or the like is made porous. A gas diffusion electrode coated with an oxygen reduction catalyst is used. When oxygen in the air is taken into the gas diffusion electrode, a discharge reaction represented by the following formula proceeds.
Negative electrode: M → M n + + ne −
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −
また、負極には、上記金属Mだけでなく、金属Mの合金や金属化合物を用いることもできる。このような負極活物質に金属化合物を用いた電池の一例として、負極活物質に、二ホウ化チタン、二ホウ化バナジウム(VB2)、ホウ化アルミニウム等の還元ホウ素含有化合物を用いた空気電池が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この特許文献1に記載された空気電池によれば、還元ホウ素含有化合物を使用することで、放電反応により多量の電子が発生し、高エネルギー密度の電池を作製できるとされている。 For the negative electrode, not only the metal M but also an alloy or metal compound of the metal M can be used. As an example of a battery using a metal compound as such a negative electrode active material, an air battery using a reduced boron-containing compound such as titanium diboride, vanadium diboride (VB 2 ), or aluminum boride as a negative electrode active material. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to the air battery described in Patent Document 1, it is said that by using a reduced boron-containing compound, a large amount of electrons are generated by a discharge reaction, and a battery having a high energy density can be produced.
しかし、上記特許文献1に記載された空気電池のように、単に、負極活物質に還元ホウ素含有化合物を用いただけでは、1つの還元ホウ素含有化合物からの電子の発生量が多いとしても、電気化学反応(放電反応)に関わる面積(負極活物質の比表面積)が小さい場合には、全体として電子の発生量が少ないため、十分な放電容量、電力及び電圧を得ることができない、という問題があった。 However, just using a reduced boron-containing compound as the negative electrode active material as in the air battery described in Patent Document 1, even if the amount of electrons generated from one reduced boron-containing compound is large, electrochemical When the area related to the reaction (discharge reaction) (the specific surface area of the negative electrode active material) is small, there is a problem in that sufficient discharge capacity, power and voltage cannot be obtained because the total amount of electrons generated is small. It was.
これに対して、負極活物質に、1重量%以上の二ホウ化バナジウム(VB2)のナノ粒子を用いた空気電池が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。この特許文献2に記載された空気電池では、負極に用いるVB2として、マイクロメートルオーダーのVB2粒子を所定の方法で粉砕したナノメートルオーダーの粒子を用いることで、電気化学反応に関わる面積(反応サイトの面積)を大きくして、放電容量、電力及び電圧を改善できるとしている。また、特許文献2には、マイクロメートルオーダーのVB2粒子の粉砕方法に特定の方法を用いることで、電子移動が促進された結果として生ずるVB2の分解のリスクを軽減するとともに、VB2ナノ粒子の粒径のバラツキが大きくなることによる負極の機能低下を防止する点についても記載されている。 On the other hand, an air battery using 1% by weight or more of vanadium diboride (VB 2 ) nanoparticles as a negative electrode active material has been proposed (see, for example, Patent Document 2). In the air battery described in Patent Document 2, as VB 2 used for the negative electrode, nanometer-order particles obtained by pulverizing micrometer-order VB 2 particles by a predetermined method are used. It is said that the discharge capacity, power and voltage can be improved by increasing the reaction site area). Patent Document 2 discloses that a specific method is used as a method for pulverizing VB 2 particles on the order of micrometers, thereby reducing the risk of decomposition of VB 2 resulting from the promotion of electron transfer and VB 2 nanometers. It also describes the point of preventing the function of the negative electrode from deteriorating due to the large variation in particle size.
ここで、特許文献2に記載された発明のように、負極活物質としてVB2を使用し、電解質として水酸化カリウム(KOH)等のアルカリ性物質を用いている場合、このようなアルカリ性物質の水溶液中に、負極活物質(負極燃料)として用いているVB2が溶出し、溶出したVB2が水溶液中の水酸化物イオンと反応することで、自己放電が起こってしまうという問題があった。特に、VB2は、自己放電速度が速い(例えば、45℃1週間で10%の自己放電、70℃1週間で35%の自己放電)という報告もある(例えば、非特許文献1を参照)ことから、自己放電を抑制する必要性が高い。それにも拘らず、上述した特許文献2に記載された発明では、VB2の自己放電については特段考慮されていないため、自己放電により放電容量が低下する恐れがあるという問題があった。 Here, when VB 2 is used as the negative electrode active material and an alkaline substance such as potassium hydroxide (KOH) is used as the electrolyte as in the invention described in Patent Document 2, an aqueous solution of such an alkaline substance is used. There is a problem that VB 2 used as a negative electrode active material (negative electrode fuel) is eluted, and the eluted VB 2 reacts with hydroxide ions in the aqueous solution to cause self-discharge. In particular, there is a report that VB 2 has a high self-discharge rate (for example, 10% self-discharge at 45 ° C. for one week and 35% self-discharge at 70 ° C. for one week) (for example, see Non-Patent Document 1). Therefore, it is highly necessary to suppress self-discharge. Nevertheless, the invention described in Patent Document 2 described above has a problem that the discharge capacity may be reduced due to self-discharge because VB 2 self-discharge is not particularly considered.
また、VB2の放電反応の生成化合物であるV2O5やB2O3は腐食性が高いことから、例えば、アルカリ環境下で反応性の高い金属製の集電体を用いている場合には当該集電体を腐食させてしまうことで、電子の移動速度が阻害される(導電性が低くなる)おそれがある。特許文献2では、上記V2O5やB2O3の腐食性についても考慮されていないため、十分な放電容量を得ることができない、という問題もあった。 In addition, since V 2 O 5 and B 2 O 3 which are compounds generated in the discharge reaction of VB 2 are highly corrosive, for example, a metal current collector having high reactivity in an alkaline environment is used. May corrode the current collector, thereby hindering the speed of movement of electrons (lowering the conductivity). In Patent Document 2, since the corrosivity of V 2 O 5 and B 2 O 3 is not taken into consideration, there is a problem that a sufficient discharge capacity cannot be obtained.
このような問題に対して、負極活物質である二ホウ化バナジウム(VB2)に1重量%未満のZrO2薄膜をコーティングすることで、自己放電を抑制する技術が提案されている(例えば、非特許文献2を参照)。この非特許文献2の技術によれば、自己放電を70℃1週間で15%にまで抑制できるとされている。 In order to solve such a problem, a technique for suppressing self-discharge by coating vanadium diboride (VB 2 ), which is a negative electrode active material, with a ZrO 2 thin film of less than 1% by weight has been proposed (for example, (Refer nonpatent literature 2). According to the technique of this nonpatent literature 2, it is supposed that self-discharge can be suppressed to 15% in 70 degreeC 1 week.
しかしながら、上記非特許文献2の技術では、ZrO2薄膜の製膜工程が複雑であり、且つ、ZrO2が高価な原料であるため、負極活物質の量産過程において製造プロセス及びコストの面で困難をもたらすことになる。また、活物質とならない(放電反応を起こさない)ZrO2をコーティングしており、その分、負極中の活物質量が減少することから、放電容量や電圧が低くなってしまう(例えば、開放電圧で1.3V、実際の回路で0.9V程度)。 However, in the technique of Non-Patent Document 2, the ZrO 2 thin film forming process is complicated and ZrO 2 is an expensive raw material, so that it is difficult in terms of manufacturing process and cost in the mass production process of the negative electrode active material. Will bring. Further, ZrO 2 that does not become an active material (does not cause a discharge reaction) is coated, and the amount of the active material in the negative electrode is reduced accordingly, so that the discharge capacity and voltage are reduced (for example, open-circuit voltage). 1.3V for the actual circuit and 0.9V for the actual circuit).
また、上記特許文献2及び非特許文献2に記載された空気電池では、マイクロメートルオーダーのVB2粒子をナノメートルオーダーの粒子に粉砕するという余分な工程とエネルギーが必要であるとともに、当該粉砕工程自体も特殊で複雑な工程であることから、工程が煩雑になるとともにコストアップの要因となっていた。 Further, in the air battery described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, an extra process and energy of pulverizing VB 2 particles of micrometer order into particles of nanometer order are necessary, and the pulverization process Since the process itself is a special and complicated process, the process becomes complicated and increases the cost.
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な工程且つ低コストで、VB2の自己放電を防止できるとともに、高い放電容量、電力及び電圧を有する空気電池を得ることを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to prevent the self-discharge of VB 2 with a simple process and low cost, and to obtain an air battery having high discharge capacity, power and voltage. Objective.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、負極活物質として水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属で二ホウ化バナジウム粒子を包摂したVB2/金属複合体を用いることにより、VB2の自己放電を防止できるとともに、高い放電容量、電力及び電圧を有する空気電池が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have reacted with hydroxide ions as negative electrode active materials to generate electrons and diboride with a metal that becomes hydroxide by the reaction. It has been found that by using a VB 2 / metal composite containing vanadium particles, self-discharge of VB 2 can be prevented and an air battery having high discharge capacity, power and voltage can be obtained. The invention has been completed.
すなわち、本発明は、負極活物質として、水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属で二ホウ化バナジウム粒子を包摂したVB2/金属複合体を含有する負極と、酸素を正極活物質とする正極と、前記負極と前記正極との間で水酸化物イオンを伝導する電解質と、を備える、空気電池である。 That is, the present invention contains, as a negative electrode active material, a VB 2 / metal composite that reacts with hydroxide ions to generate electrons and includes a vanadium diboride particle with a metal that becomes a hydroxide by the reaction. And an electrolyte that conducts hydroxide ions between the negative electrode and the positive electrode, and an air battery.
前記VB2/金属複合体の平均粒子径が、30μm以上800μm以下であることが好ましい。 The VB 2 / metal composite preferably has an average particle size of 30 μm or more and 800 μm or less.
前記金属に包摂される二ホウ化バナジウムの平均粒子径が、0.5μm以上500μm以下であることが好ましい。 The average particle diameter of vanadium diboride included in the metal is preferably 0.5 μm or more and 500 μm or less.
前記金属が、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カルシウム及びこれらの合金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属であってもよい。 The metal may be at least one metal selected from the group consisting of zinc, aluminum, magnesium, lithium, sodium, calcium, and alloys thereof.
前記VB2/金属複合体が、導電性カーボンで包摂された二ホウ化バナジウム粒子を更に前記金属で包摂したものであることが好ましい。 It is preferable that the VB 2 / metal composite further includes vanadium diboride particles encapsulated with conductive carbon and the metal.
前記二ホウ化バナジウムを包摂する導電性カーボンが、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン、グラファイト、炭素繊維、黒鉛及び活性炭からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。 The conductive carbon that includes the vanadium diboride may be at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, graphene, graphite, carbon fiber, graphite, and activated carbon.
前記負極が、前記VB2/金属複合体の平均粒子径未満の平均粒子径を有する第1導電材料を更に含有してもよい。 The negative electrode may further contain a first conductive material having an average particle size less than the average particle size of the VB 2 / metal composite.
前記負極が、前記VB2/金属複合体の平均粒子径以上の平均長さを有する第2導電材料を更に含有してもよい。 The negative electrode may further contain a second conductive material having an average length equal to or larger than an average particle diameter of the VB 2 / metal composite.
前記第1導電材料が、前記VB2/金属複合体100質量部に対して0.5質量部以上50質量部以下含有されており、前記第2導電材料が、前記VB2/金属複合体100質量部に対して0.1質量部以上30質量部以下含有されていることが好ましい。
The first conductive material is contained in an amount of 0.5 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the VB 2 / metal composite, and the second conductive material is the VB 2 /
前記第1導電材料及び前記第2導電材料が導電性カーボンであることが好ましい。 The first conductive material and the second conductive material are preferably conductive carbon.
前記第1導電材料がカーボンブラック、黒鉛及び活性炭からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性カーボンであり、前記第2導電材料がグラフェン、カーボンナノチューブ及び炭素繊維からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性カーボンであることが好ましい。 The first conductive material is at least one conductive carbon selected from the group consisting of carbon black, graphite and activated carbon, and the second conductive material is at least one conductive selected from the group consisting of graphene, carbon nanotube and carbon fiber. It is preferable that it is a property carbon.
前記負極の集電体の材質がグラファイト又はアルカリ環境下で反応不活性な金属であることが好ましい。 The material of the current collector of the negative electrode is preferably graphite or a metal that is inactive under an alkaline environment.
前記負極では、前記VB2/金属複合体を含む放電領域が互いに離隔した状態で複数に分割されていてもよい。 In the negative electrode, the discharge region containing the VB 2 / metal composite may be divided into a plurality in a state of being separated from each other.
前記負極の集電体が、互いに分離した複数の放電セルを有し、且つ、隣接する前記放電セル間には隔壁が設けられており、各々の前記放電セル内に、前記放電領域として、前記VB2/金属複合体を含有する負極活物質層を有していてもよい。 The current collector of the negative electrode has a plurality of discharge cells separated from each other, and a partition is provided between the adjacent discharge cells, and each discharge cell has the discharge region as the discharge region. the VB 2 / metal complex may have a negative electrode active material layer containing.
前記電解質が、水系又は非水系の電解液であり、前記負極と前記正極とを電気的に絶縁するセパレータをさらに備え、前記セパレータが、前記電解液を含浸可能であってもよい。 The electrolyte may be an aqueous or non-aqueous electrolytic solution, and may further include a separator that electrically insulates the negative electrode and the positive electrode, and the separator may be impregnated with the electrolytic solution.
前記負極が、前記空気電池に対して着脱可能に設けられていてもよい。 The negative electrode may be provided detachably with respect to the air battery.
また、本発明は、酸素を正極活物質とする正極を有する空気電池用の負極であって、負極活物質として、水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属で二ホウ化バナジウム粒子を包摂したVB2/金属複合体を含有する、負極である。 The present invention also relates to a negative electrode for an air battery having a positive electrode having oxygen as a positive electrode active material, wherein the negative electrode active material generates electrons by reacting with hydroxide ions and reacts with hydroxides by the reaction. containing VB 2 / metal complexes inclusion diboride, vanadium particles comprising metal, a negative electrode.
また、本発明は、上述した空気電池のセルを複数有する、空気電池ユニットである。 Moreover, this invention is an air battery unit which has multiple cells of the air battery mentioned above.
本発明によれば、負極活物質として水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属で二ホウ化バナジウム粒子を包摂したVB2/金属複合体を用いることで、簡易な工程且つ低コストで、VB2の自己放電を防止できるとともに、高い放電容量、電力及び電圧を有する空気電池を得ることが可能となる。 According to the present invention, as the negative electrode active material, a VB 2 / metal composite containing a vanadium diboride particle with a metal that reacts with hydroxide ions to generate electrons and becomes a hydroxide by the reaction is used. Therefore, it is possible to obtain an air battery having high discharge capacity, power and voltage while preventing self-discharge of VB 2 with a simple process and low cost.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面においては、同一の符号が付された構成要素は、実質的に同一の構造または機能を有するものとする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that in the present specification and drawings, components having the same reference numerals have substantially the same structure or function.
なお、本発明に係る空気電池、空気電池用負極、空気電池ユニットについては、以下の順序で説明する。
1 第1実施形態
1−1 空気電池の構成
1−2 空気電池の製造方法
1−3 空気電池ユニットの構成
1−4 空気電池ユニットの組立方法
1−5 空気電池の動作原理
1−6 空気電池及び空気電池ユニットの用途・使用方法
2 第2実施形態
2−1 空気電池の構成
2−2 空気電池の製造方法
2−3 空気電池ユニットの構成
2−4 空気電池ユニットの組立方法
The air battery, the negative electrode for air battery, and the air battery unit according to the present invention will be described in the following order.
1 First Embodiment 1-1 Configuration of Air Battery 1-2 Air Battery Manufacturing Method 1-3 Configuration of Air Battery Unit 1-4 Assembly Method of Air Battery Unit 1-5 Operating Principle of Air Battery 1-6 Air Battery And use and usage method 2 of the air battery unit 2nd Embodiment 2-1 Configuration of the air battery 2-2 Manufacturing method of the air battery 2-3 Configuration of the air battery unit 2-4 Assembly method of the air battery unit
≪第1実施形態≫
本発明の第1実施形態に係る空気電池及び空気電池ユニットについて説明する。なお、本実施形態における「空気電池ユニット」とは、空気電池の単位セル(本実施形態では、空気電池セル100)を複数接続してなるユニットを意味する。
<< First Embodiment >>
An air battery and an air battery unit according to a first embodiment of the present invention will be described. The “air battery unit” in the present embodiment means a unit formed by connecting a plurality of unit cells of the air battery (in this embodiment, the air battery cell 100).
<空気電池セル100の構成>
まず、図1〜図7を参照しながら、本実施形態に係る空気電池セル100の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る空気電池セル100の外観構成を示す斜視図である。図2は、図1に示した空気電池セル100の平面図であり、(a)は上面図、(b)は正面図、(c)は左側面図、(d)は右側面図を示している。図3は、本実施形態に係る空気電池セル100の内部構成を示す分解斜視図である。図4は、本実施形態に係る正極130の構成を示す分解斜視図である。図5は、本実施形態に係るVB2/金属複合体の構成を示す模式図であり、(a)は放電反応前の状態を、(b)は放電反応後の状態を示している。図6は、本実施形態に係る負極活物質層112中のVB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料の存在形態を示す模式図である。図7は、本実施形態の変更例に係る負極120の構成を示す斜視図である。
<Configuration of
First, the structure of the
図1〜図4に示すように、本実施形態に係る空気電池セル100は、燃料極としての負極(アノード)110と、空気(酸素)極としての正極(カソード)130と、本実施形態に係る電解質の一例としての電解質150と、必要に応じてセパレータ160と、を備える。空気電池セル100では、筐体101の内部に、板状の負極110を表側及び裏側から挟むようにして2枚のシート状の正極130が配置されている。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
より詳細には、袋状のセパレータ160により負極110の負極集電体111及び負極活物質層112全体が覆われた状態で、負極110が、内部に正極130が配置された筐体101の開口部101aから筐体101内部に収容される。さらに、負極110及び正極130が筐体101の内部に収容された状態で、開口部101aから電解質150が筐体101内部に注入される。このとき、電解質150は、セパレータ160の内部(電解質150と負極110とが接触している状態)及び外部(電解質150と正極130とが接触している状態)に存在している。以上のような状態で、キャップ105により、開口部101aが封止される。
More specifically, in the state where the negative electrode
筐体101は、図4に示すように、筐体フレーム102と、表面カバー103と、裏面カバー104とからなる。筐体フレーム102は、開口部102aを有し、この開口部102aを筐体フレーム102の表裏両面側から覆うように、表面カバー103及び裏面カバー104が筐体フレーム102に取り付けられる。具体的には、表面カバー103及び裏面カバー104の周縁部が、開口部102aの周縁部と嵌合することで、表面カバー103及び裏面カバー104が筐体フレーム102に取り付けられる。なお、本実施形態では、開口部102aの略中央部に、筐体フレーム102の高さ方向に延設された区画部材102bが設けられている。この区画部材102bは、必要に応じて設けられていればよく、後述するように、開口部102aの区画部材102bで区切られた2つの領域の夫々に、正極120が配置される。また、表面カバー103及び裏面カバー104の略中央部には、それぞれ、開口部103a及び開口部104aが設けられており、開口部103a及び開口部104aは、それぞれ、格子状の仕切り103b及び仕切り104bにより、複数の区画に分割されている。これらの仕切り103b、104bは、必要に応じて設ければよいが、仕切り103b、104bを設けることで、筐体101の機械的強度を高めたり、後述する撥水性酸素透過シート133(図4等を参照)が損傷することを抑制することができる。
As shown in FIG. 4, the
また、キャップ105は、筐体フレーム102の上部に設けられた開口部101aを覆うように、筐体フレーム102の上部と嵌合するようにして取り付けられる。キャップ105は、スライド部材106により一方向(例えば、図3のx軸方向)にスライド可能なように構成されている。スライド部材106には係合突起106aが設けられており、この係合突起106aが、キャップ105に設けられた開口部105aの周縁部に係合した状態で、キャップ105がスライド部材106に対して上記一方向にスライドすることで、キャップ105が筐体101に対して着脱可能となっている。例えば、図1〜図3に示されているキャップ105の上面に表示された“OPEN”の方向にキャップ105をスライドさせると、キャップ105を筐体101から取り外すことができ、キャップ105の上面に表示された“CLOSE”の方向にキャップ105をスライドさせると、キャップ105を筐体101に取り付けることができる。
The
なお、本実施形態では、1つの空気電池セル100が、2組の電極対(1つの負極110とその両面側に配置された2つの正極130の対)を有しているが、これは、空気電池セル100の放電容量を大きくするための構成であって、本発明に係る空気電池の用途によって比較的小さな放電容量でも使用可能な場合には、1つの空気電池セル100が、1組の電極対のみを有していてもよい。一方、本発明に係る空気電池の用途によって非常に大きな放電容量を必要とする場合には、1つの空気電池セル100が3組以上の電極対を有していてもよい。
In this embodiment, one
[負極110]
負極110は、空気電池セル100の燃料極として機能する電極であり、例えば、図3に示すように、負極集電体111と、負極活物質層112と、電極側負極端子113と、セル側負極端子114と、を主に有する。
[Negative electrode 110]
The
(負極集電体111)
負極集電体111は、導電性を有する略板状の部材であり、負極活物質を保持し、電流を負極活物質に供給する役割を有する。
(Negative electrode current collector 111)
The negative electrode
〔材質〕
このような負極集電体111の材質としては、導電性を有する材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、クロム、金、白金、銀、銅等の導電性に優れる金属や、カーボンブラック(ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等)、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の導電性カーボンを使用することができる。ただし、負極集電体111の材質としては、グラファイト又はアルカリ環境下で反応不活性な金属(例えば、真鍮等)を使用することが好ましい。負極集電体111の材質としてグラファイト又はアルカリ環境下で反応不活性な金属を使用することにより、燃料であるVB2/金属複合体が酸化還元反応しても、負極集電体111自体が酸化還元反応しなくなるため、電池の内部抵抗が上昇することを抑制できる。また、負極活物質層112には、負極活物質の導電性を付与する導電助剤として第1導電材料と第2導電材料が含まれているが、これらの導電助剤として導電性のカーボン(例えば、カーボンブラックやグラフェン)を使用した場合には、負極集電体111の材質をグラファイトとすることが好ましい。負極集電体111としてグラファイトを使用し、負極活物質層112中の導電助剤として導電性カーボンを使用することで、負極集電体111と負極活物質層112との熱膨張率が同程度となるため、放電反応等により空気電池セル100内の温度が上昇した場合に、負極活物質層112を負極集電体111から剥離し難くすることができる。
[Material]
The material of the negative electrode
〔形状〕
負極集電体111は、略板状の形状を有しているが、その表裏両面側に複数の溝部111aが設けられている。各溝部111aは、その長さ方向が負極集電体111の長手方向に直交する方向であり、その幅方向が負極集電体111の長手方向となるように設けられ、複数の溝部111aが、負極集電体111の長手方向に沿って並ぶように配置されている。また、各溝部111aが互いに離隔して配置されるように、隣り合う溝部111a間に隔壁111bが設けられている。この隔壁111bの幅(負極集電体111の長手方向の長さ)は、各溝部111aが物理的に離隔していれば特に制限されるものではない。また、溝部111aの側断面(図3のYZ平面に平行な面)の形状も特に制限されず、例えば、略矩形状、略三角形状、略多角形状、略円弧状等、任意の形状とすることができる。
〔shape〕
The negative electrode
(負極活物質層112)
負極活物質層112は、上述した負極集電体111の溝部111aに設けられ、空気電池セル100の放電の際の燃料となる負極活物質を含む層である。この負極活物質層112は、必須成分として、水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属でVB2粒子を包摂したVB2/金属複合体を含有する。ここで、本実施形態において、負極活物質(燃料)としてVB2/金属複合体を用いているのは、VB2は放電反応により11個の電子を発生させることから、エネルギー密度が高く(亜鉛空気電池の約5倍)、更には、VB2粒子を包摂する金属(以下、「包摂金属」と記載する。)も負極活物質(燃料)として機能し、放電反応(水酸化物イオンとの反応)により電子を発生させる結果、空気電池セル100の放電容量も増えるためである。理論的には、負極活物質としてVB2/金属複合体を使用すると、包摂金属の種類にもよるが、VB2 1kg当たり5000Ahを超える容量とすることが可能である。
(Negative electrode active material layer 112)
The negative electrode
また、包摂金属は、放電反応後に反応不活性な水酸化物となる。これにより、VB2粒子が反応不活性な包摂金属の水酸化物で覆われることになるため、VB2の自己放電を防止することができる。 In addition, the inclusion metal becomes a reaction-inactive hydroxide after the discharge reaction. Accordingly, this means that VB 2 particles are coated with a hydroxide of a reaction inert subsumption metal, it is possible to prevent self-discharge of VB 2.
このように、化学的に卑な金属でVB2粒子を包摂することにより、VB2の自己放電が生じるという問題を根本から解決できただけでなく、更には、VB2の放電反応の生成物であるV2O5及びB2O3が包摂金属の触媒としての効果(以下、「内部触媒効果」と記載する。)も有することから、包摂金属の放電反応も促進することができる。また、このようなVB2/金属複合体を用いることで、特許文献2のようにマイクロメートルオーダーのVB2粒子をナノメートルオーダーに粉砕するという工程を経ることなく、簡易な工程且つ低コストで、高エネルギー密度及び高放電容量を有する空気電池を得ることができる。 Thus, the inclusion of VB 2 particles with a chemically base metal not only fundamentally solved the problem of VB 2 self-discharge, but also the product of the VB 2 discharge reaction. Since V 2 O 5 and B 2 O 3, which also have an effect as an inclusion metal catalyst (hereinafter referred to as “internal catalytic effect”), can also promote the discharge reaction of the inclusion metal. In addition, by using such a VB 2 / metal composite, the process of pulverizing micrometer-order VB 2 particles to nanometer order as in Patent Document 2 can be performed with a simple process and low cost. An air battery having a high energy density and a high discharge capacity can be obtained.
また、上記のようなVB2/金属複合体を負極活物質として用いると共に、この負極活物質の導電性を補助する導電補助剤として、VB2/金属複合体の平均粒子径以上の平均長さを有する第1導電材料と、VB2/金属複合体の平均粒子径未満の平均粒子径を有する第2導電材料を用いることにより、放電時の電子移動を促進し、導電性を更に向上させることができる。 In addition, the VB 2 / metal composite as described above is used as a negative electrode active material, and an average length equal to or greater than the average particle diameter of the VB 2 / metal composite is used as a conductive aid for assisting the conductivity of the negative electrode active material. And the second conductive material having an average particle diameter less than the average particle diameter of the VB 2 / metal composite, promotes electron transfer during discharge and further improves conductivity. Can do.
ここで、本実施形態では、負極集電体111の両面に負極活物質層112が設けられており、これに対応して、後述するように、正極130も負極110の両面側に設けられている。従って、より多くの酸素を正極130の燃料として使用でき、さらには、これにより、負極活物質としてのVB2/金属複合体も効率良く反応させることができるため、放電効率を向上させることができる。なお、本発明に係る空気の電池の負極としては、負極活物質層を集電体の両面に有するもののみならず、片面のみに有するものであってもよい。
Here, in this embodiment, the negative electrode active material layers 112 are provided on both surfaces of the negative electrode
さらに、負極集電体111に負極活物質層112が設けられた構造ではなく、集電体材料とVB2/金属複合体と、第1導電材料と、第2導電材料とを含有するスラリーを焼結させ、集電体と負極活物質層を一体化させたものを本発明に係る空気電池の負極として用いてもよい。この際、負極活物質であるVB2/金属複合体や、第1導電材料及び第2導電材料が、負極中に均一に分散していることが好ましい。均一分散していることにより、一部分に集中的にVB2/金属複合体の放電反応が起こることによる内部抵抗の上昇等を抑制することができる。
Furthermore, the negative electrode
〔VB2/金属複合体〕
図5(a)に示すように、本実施形態に係る負極活物質層112に含まれるVB2/金属複合体は、空気電池セル100の負極活物質(燃料)として用いられ、上述したように、水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに当該反応により水酸化物となる金属(包摂金属)でVB2粒子が包摂されたものである。本実施形態では、図5(a)に示すように、VB2粒子の表面をカーボンナノチューブ(CNT)等の導電性カーボンで包摂し、さらにその表面を亜鉛(Zn)等の包摂金属で包摂しているが、導電性カーボンは必ずしも使用しなくてもよい。
[VB 2 / metal composite]
As shown in FIG. 5A, the VB 2 / metal composite contained in the negative electrode
このような包摂金属としては、水酸化物イオンと反応して電子を発生させる(すなわち、本空気電池における負極活物質としての機能を有する)とともに、当該反応により水酸化物となる金属(すなわち、放電反応後に放電反応に対する活性が無い金属水酸化物となる)であれば特に制限されるものではない。本実施形態で使用可能な包摂金属の具体例としては、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カルシウム及びこれらの合金等が挙げられ、これらは、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 As such an inclusion metal, it reacts with hydroxide ions to generate electrons (that is, has a function as a negative electrode active material in the present air battery), and a metal that becomes hydroxide by the reaction (that is, The metal hydroxide is not particularly limited as long as it becomes a metal hydroxide having no activity for the discharge reaction after the discharge reaction. Specific examples of inclusion metals that can be used in the present embodiment include zinc, aluminum, magnesium, lithium, sodium, calcium, and alloys thereof. These may be used alone or in combination of two or more. May be used.
以上のような包摂金属を用いることで、包摂金属自身の放電反応により電子が発生する分、負極活物質としてVB2を単独で用いる場合よりも発生する電子の量が多くなることから、放電容量を更に高めることができる。また、包摂金属の放電反応により、図5(b)に示すように[Zn(OH4)]2−等の金属水酸化物を生成するが、この金属水酸化物は、放電反応に対する活性が無いことから、このような反応不活性な物質によりVB2の表面が覆われ、VB2が保護されることから、VB2の自己放電を防止することができる。さらに、VB2の放電反応の結果、図5(b)に示すようにV2O5及びB2O3が生成されるが、これらの生成物が包摂金属の放電反応の触媒としての効果(以下、「内部触媒効果」と記載する。)も有することから、包摂金属の放電反応も促進することができる。 By using the inclusion metal as described above, since the amount of electrons generated by the discharge reaction of the inclusion metal itself is larger than when VB 2 is used alone as the negative electrode active material, the discharge capacity is increased. Can be further increased. In addition, as shown in FIG. 5 (b), a metal hydroxide such as [Zn (OH 4 )] 2− is generated by the discharge reaction of the inclusion metal, and this metal hydroxide has an activity for the discharge reaction. Therefore, the surface of VB 2 is covered with such a reaction-inactive substance, and VB 2 is protected, so that self-discharge of VB 2 can be prevented. Furthermore, as a result of the discharge reaction of VB 2 , V 2 O 5 and B 2 O 3 are generated as shown in FIG. 5B. These products are effective as a catalyst for the discharge reaction of the inclusion metal ( Hereinafter, it is also referred to as “internal catalytic effect.”), The discharge reaction of the inclusion metal can also be promoted.
ここで、VB2/金属複合体が、導電性カーボンで包摂されたVB2粒子を更に包摂金属で包摂したものであることが好適である。この導電性カーボンは、VB2粒子表面の界面活性を高めてVB2粒子表面への包摂金属の吸着を促進する機能を有する。すなわち、導電性カーボンがVB2粒子と包摂金属との間に存在することで、包摂金属がVB2粒子の表面に吸着しやすくなる。また、導電性カーボンは、VB2の放電反応で発生した電子が包摂金属まで到達する際の経路としての役割も有する。すなわち、導電性カーボンがVB2粒子と包摂金属との間に存在することで、VB2の放電反応により発生した電子が、導電性カーボン及び包摂金属を通って、正極まで伝達され易くなる。 Here, it is preferable that the VB 2 / metal composite is obtained by further including VB 2 particles encapsulated with conductive carbon with an encapsulating metal. The conductive carbon has a function to increase the surface activity of VB 2 particle surface to facilitate the adsorption of inclusion metal to VB 2 particle surface. That is, since the conductive carbon exists between the VB 2 particles and the inclusion metal, the inclusion metal is easily adsorbed on the surface of the VB 2 particles. Conductive carbon also has a role as a path when electrons generated by the discharge reaction of VB 2 reach the inclusion metal. That is, when conductive carbon exists between the VB 2 particles and the inclusion metal, electrons generated by the discharge reaction of VB 2 are easily transmitted to the positive electrode through the conductive carbon and the inclusion metal.
以上のような役割を有するVB2を包摂する導電性カーボンとしては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン等のナノサイズの導電性カーボンや、グラファイト、炭素繊維、黒鉛及び活性炭等が挙げられ、これらを単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの導電性カーボンのうち、ナノサイズの導電性カーボンが好適であり、更に、比表面積が大きくVB2粒子の表面を密に覆うことができるとともに、導電性に優れるという点で、カーボンナノチューブを使用することが特に好適である。 Examples of the conductive carbon including VB 2 having the above role include nano-sized conductive carbon such as carbon nanotube, carbon black, graphene, graphite, carbon fiber, graphite, activated carbon, and the like. These can be used individually or in combination of 2 or more types. Among these conductive carbons, nano-sized conductive carbon is suitable, and furthermore, the specific surface area is large and the surface of the VB 2 particles can be covered densely, and the carbon nanotubes are excellent in conductivity. It is particularly preferred to use it.
また、本実施形態に係るVB2/金属複合体は、マイクロメートルオーダーの粒子径を有する粒子であることが好適である。本実施形態では、上述した特許文献2に記載された電池のように、マイクロメートルオーダーの粒子径を有するVB2粒子をナノメートルオーダーの粒子径になるまで粉砕することなく、そのまま用いることができる。これは、本実施形態では、VB2の導電性を補助する導電助剤として、特定の形状及びサイズを有する第1導電材料及び第2導電材料を用いていることから、VB2の粒子径が大きくても、負極活物質層112(ひいては負極110全体として)が十分な導電性を有することができるためである。なお、このように十分な導電性を有することができる詳細な理由については後述する。
In addition, the VB 2 / metal composite according to this embodiment is preferably a particle having a particle diameter on the order of micrometers. In the present embodiment, as in the battery described in Patent Document 2 described above, VB 2 particles having a particle size on the micrometer order can be used as they are without being pulverized until reaching a particle size on the nanometer order. . This is, in the present embodiment, as a conductive additive to aid the conductivity of VB 2, from the fact that by using a first conductive material and the second conductive material having a specific shape and size, the particle size of VB 2 is This is because the negative electrode active material layer 112 (and thus the entire
本実施形態に係るVB2/金属複合体の粒子径としては、具体的には、平均粒子径が30μm以上800μm以下であることが好ましい。平均粒子径が30μm未満であると、VB2粒子を金属で包摂する場合に包摂することが困難となる(複合体の製造が困難となる)ため好ましくない。一方、平均粒子径が800μmを超えると、比表面積が小さくなり放電反応に使用される反応サイトの面積が小さくなり、大電流放電が困難であるため好ましくない。また、電池性能の観点から、VB2/金属複合体の平均粒子径は、50μm以上であることが好ましく、100μm以上であることがより好ましい。一方、電池の放電特性と製造コストの観点から、VB2/金属複合体の平均粒子径は、700μm以下であることが好ましく、500μm以下であることがより好ましい。 Specifically, the particle diameter of the VB 2 / metal composite according to this embodiment is preferably an average particle diameter of 30 μm or more and 800 μm or less. When the average particle size is less than 30 μm, it is not preferable because inclusion of VB 2 particles with metal becomes difficult (complex production becomes difficult). On the other hand, when the average particle diameter exceeds 800 μm, the specific surface area is small, the area of the reaction site used for the discharge reaction is small, and large current discharge is difficult. From the viewpoint of battery performance, the average particle size of the VB 2 / metal composite is preferably 50 μm or more, and more preferably 100 μm or more. On the other hand, from the viewpoint of battery discharge characteristics and production cost, the average particle size of the VB 2 / metal composite is preferably 700 μm or less, and more preferably 500 μm or less.
この場合に、包摂金属に包摂されるVB2粒子の平均粒子径は、0.5μm以上500μm以下であることが好ましい。当該平均粒子径の下限値は、1μmであることがより好ましく、2μmであることが更に好ましい。一方、平均粒子径の上限値は、100μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることが更に好ましい。 In this case, the average particle diameter of the VB 2 particles included in the included metal is preferably 0.5 μm or more and 500 μm or less. The lower limit value of the average particle diameter is more preferably 1 μm, and further preferably 2 μm. On the other hand, the upper limit value of the average particle diameter is more preferably 100 μm or less, and further preferably 10 μm or less.
なお、本実施形態におけるVB2粒子及びVB2/金属複合体の平均粒子径としては、走査型電子顕微鏡により任意の100個の粒子を撮影し、撮影した写真を画像解析することで100個の粒子の粒子径を測定し、これらを平均した値を用いることとする。 Incidentally, the average particle diameter of VB 2 particles and VB 2 / metal complex in the present embodiment, the scanning electron microscope by taking any 100 particles of 100 by image analysis of pictures taken The particle diameter of the particles is measured, and a value obtained by averaging these is used.
〔第1及び第2導電材料〕
本実施形態に係る負極活物質層112に含まれるVB2/金属複合体は、それ自体の導電性が比較的低く、このような粒子を固めて使用すると内部抵抗が大きくなってしまうため、空気電池セル100の性能が低下してしまう場合がある。そこで、本実施形態では、負極活物質層112中に、負極活物質として用いるVB2/金属複合体の導電性を補助して内部抵抗を小さくするために、導電助剤として、第1導電材料及び第2導電材料が含まれていることが好適である。すなわち、導電助剤である第1導電材料及び第2導電材料は、VB2や包摂金属の放電反応により発生した電子を集電体に伝導し易くするという役割を有する。
[First and second conductive materials]
The VB 2 / metal composite contained in the negative electrode
ここで、図6を参照しながら、負極活物質層112中におけるVB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料の存在形態について説明する。図6に示すように、第2導電材料は、隣接又は近接する複数のVB2/金属複合体粒子間を橋架けして、複数のVB2/金属複合体粒子間の電子移動を促進する役割を有する。また、第1導電材料は、第2導電材料により橋架けされたVB2/金属複合体粒子の間やその周囲の空間を埋めるように存在し、VB2/金属複合体粒子間又はVB2/金属複合体粒子と第2導電材料との間の電子移動を促進する役割を有する。この詳細な機構は明らかではないが、本発明者らは、第1導電材料及び第2導電材料をVB2/金属複合体とともに用いることで、VB2/金属複合体の放電反応により発生した電子が流れるネットワークやチャンネルのようなものが形成されるため、電子移動が促進されるものと推測している。このように、第1導電材料及び第2導電材料は、負極活物質としてのVB2/金属複合体の導電性を補助する導電助剤としての役割を有している。なお、第1導電材料及び第2導電材料は、後述するバインダの働きを補助する、すなわち、VB2/金属複合体粒子同士の結着を助ける役割も有する。
Here, the presence form of the VB 2 / metal composite, the first conductive material, and the second conductive material in the negative electrode
このように、第2導電材料は、主に、隣接又は近接する複数のVB2/金属複合体粒子間を橋架けする役割を有することから、隣接又は近接する少なくとも2つのVB2/金属複合体粒子に届くように、VB2/金属複合体粒子の半径の2倍以上、すなわち、VB2/金属複合体粒子の平均粒子径以上の平均長さを有することが必要である。ここでの第2導電材料の「平均長さ」とは、第2導電材料(粒子)の長さ、幅、高さ、直径(楕円であれば長径)等を含む一次元的な長さを第2導電材料の粒子数で除した数平均長さを表している。本実施形態では、第2導電材料(粒子)の長さ、幅、高さ、直径(楕円であれば長径)等のうち、少なくとも最大の長さを示すパラメータの数平均値が、VB2/金属複合体粒子の平均粒子径以上であればよい。より確実にVB2/金属複合体粒子間を橋架けするためには、第2導電材料の平均長さは、VB2/金属複合体粒子の平均粒子径の1.5倍以上であることが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。一方、第2導電材料が大き過ぎると、VB2/金属複合体粒子や第2導電材料との結着力が低下することから、第2導電材料の平均長さは、VB2/金属複合体粒子の平均粒子径の50倍以下であることが好ましい。なお、第2導電材料の平均長さとしては、走査型電子顕微鏡により任意の100個の粒子を撮影し、撮影した写真を画像解析することで100個の粒子の粒子径を測定し、これらを平均した値を用いることとする。 As described above, the second conductive material mainly has a role of bridging between a plurality of adjacent or adjacent VB 2 / metal composite particles, and thus, at least two adjacent or adjacent VB 2 / metal composites are used. to reach the particle, VB 2 / metal composite particle radius of 2 times or more, i.e., it is necessary to have an average length on the mean particle size or less of the VB 2 / metal composite particles. Here, the “average length” of the second conductive material means a one-dimensional length including the length, width, height, diameter (long diameter in the case of an ellipse), etc. of the second conductive material (particles). The number average length divided by the number of particles of the second conductive material is represented. In the present embodiment, the number average value of parameters indicating at least the maximum length among the length, width, height, diameter (long diameter if elliptical) of the second conductive material (particle) is VB 2 / What is necessary is just to be more than the average particle diameter of metal composite particles. In order to more reliably bridge between the VB 2 / metal composite particles, the average length of the second conductive material may be 1.5 times or more the average particle diameter of the VB 2 / metal composite particles. Preferably, it is 2 times or more. On the other hand, if the second conductive material is too large, the binding force with the VB 2 / metal composite particles and the second conductive material is reduced, so the average length of the second conductive material is VB 2 / metal composite particles. The average particle diameter is preferably 50 times or less. In addition, as an average length of the second conductive material, an arbitrary 100 particles are photographed with a scanning electron microscope, and the particle size of the 100 particles is measured by image analysis of the photographed images. The average value is used.
第2導電材料としても使用可能な物質としては、導電性を有していれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、クロム、金、白金、銀、銅等の導電性に優れる金属や、カーボンブラック(ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等)、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の導電性カーボンを用いることができる。これらのうち、VB2/金属複合体粒子の結着力を高めたり、内部抵抗を低減したりする等の観点から、金属よりも導電性カーボンを用いることが好ましい。さらに、VB2/金属複合体粒子の橋架けをするのに適した形状であることから、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等のアスペクト比の大きな粒子を用いることが特に好ましい。 The substance that can also be used as the second conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, the conductive material such as aluminum, stainless steel, nickel, chromium, gold, platinum, silver, copper, etc. Metal having excellent resistance, conductive carbon such as carbon black (furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, etc.), graphene, graphite, carbon nanotube, carbon nanohorn, and the like can be used. Among these, it is preferable to use conductive carbon rather than metal from the viewpoint of increasing the binding force of the VB 2 / metal composite particles or reducing the internal resistance. Furthermore, since the VB 2 / metal composite particles have a shape suitable for bridging, it is particularly preferable to use particles having a large aspect ratio such as graphene, carbon nanotubes, and carbon nanohorns.
また、第1導電材料は、主に、第2導電材料により橋架けされたVB2/金属複合体粒子の間やその周囲の空間を埋める役割を有することから、VB2/金属複合体粒子の間に入り込めるように、VB2/金属複合体粒子の平均粒子径未満の平均粒子径を有することが必要である。第1導電材料とVB2/金属複合体粒子との結着力を高めるためには、第1導電材料の粒子径が小さい方がよく、具体的には、平均粒子径が5μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。一方、第1導電材料の粒子径が小さ過ぎると、負極活物質層112の形成時の作業性が低下することから、平均粒子径が0.1μm以上であることが好ましく、0.3μm以上であることがより好ましい。なお、第1導電材料の平均粒子径としては、走査型電子顕微鏡により任意の100個の粒子を撮影し、撮影した写真を画像解析することで100個の粒子の粒子径を測定し、これらを平均した値を用いることとする。
In addition, since the first conductive material mainly has a role of filling the space between and around the VB 2 / metal composite particles bridged by the second conductive material, the VB 2 / metal composite particles It is necessary to have an average particle size that is less than the average particle size of the VB 2 / metal composite particles so as to be able to intervene. In order to increase the binding force between the first conductive material and the VB 2 / metal composite particles, it is better that the particle diameter of the first conductive material is small. Specifically, the average particle diameter may be 5 μm or less. Preferably, it is 1 μm or less. On the other hand, if the particle diameter of the first conductive material is too small, the workability during formation of the negative electrode
第1導電材料としても使用可能な物質としては、第2導電材料と同様に、導電性を有していれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、クロム、金、白金、銀、銅等の導電性に優れる金属や、カーボンブラック(ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等)、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の導電性カーボンを用いることができる。これらのうち、VB2/金属複合体粒子の結着力を高めたり、内部抵抗を低減したりする等の観点から、金属よりも導電性カーボンを用いることが好ましい。さらに、第2導電材料により橋架けされたVB2/金属複合体粒子の間やその周囲の空間を埋めるのに適した形状であることから、カーボンブラック等のアスペクト比が1に近い(球形に近い)粒子を用いることが特に好ましい。また、カーボンブラックの中でも、導電性が特に高いことから、アセチレンブラックを用いることが好適である。 The substance that can also be used as the first conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity like the second conductive material. For example, aluminum, stainless steel, nickel, chromium, gold, platinum Metals having excellent conductivity such as silver and copper, and conductive carbon such as carbon black (furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, etc.), graphene, graphite, carbon nanotube, and carbon nanohorn can be used. Among these, it is preferable to use conductive carbon rather than metal from the viewpoint of increasing the binding force of the VB 2 / metal composite particles or reducing the internal resistance. Furthermore, since the shape is suitable for filling the space between and around the VB 2 / metal composite particles bridged by the second conductive material, the aspect ratio of carbon black or the like is close to 1 (spherical) It is particularly preferred to use (close) particles. Among carbon blacks, acetylene black is preferably used because of its particularly high conductivity.
また、第2導電材料としてグラフェン等の導電性カーボンを用い、第1導電材料としてカーボンブラック等の導電性カーボンを用い、且つ、上述した負極集電体111の材料としてグラファイト等の導電性カーボンを用いた場合には、上述したように、負極集電体111と負極活物質層112に共にカーボンが含まれることから、両者の熱膨張率が同程度となるため、放電反応等により空気電池セル100内の温度が上昇した場合にも、負極集電体111と負極活物質層112との間に隙間が生ずることを抑制したり、負極活物質層112を負極集電体111から剥離し難くしたりすることができる。
Further, conductive carbon such as graphene is used as the second conductive material, conductive carbon such as carbon black is used as the first conductive material, and conductive carbon such as graphite is used as the material of the negative electrode
なお、第1導電材料と第2導電材料は必ずしも両方とも含まれていないと、導電性向上の効果が得られないわけではなく、少なくとも第1導電材料が含まれていれば、導電性の向上効果が得られる。 Note that if both the first conductive material and the second conductive material are not necessarily included, the effect of improving the conductivity cannot be obtained. If at least the first conductive material is included, the conductivity is improved. An effect is obtained.
〔バインダ〕
負極活物質層112には、上述したVB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料を結着させるためのバインダも含まれている。このバインダの種類は、特に限定されるものではなく、活物質層の製造に用いられる公知のバインダを用いることができる。本実施形態に係るバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルピロリドン(PVP)等を用いることができる。電解質として、例えば、KOH等の水溶液を用いる場合には、バインダとしては、水溶性の材料や耐アルカリ性の低い材料を使用しないことが好ましい。
[Binder]
The negative electrode
〔その他の成分〕
負極活物質層112には、その他、空気電池、燃料電池、その他の二次電池の負極材料として使用可能な公知の成分を含めることができる。
[Other ingredients]
In addition, the negative electrode
〔各粒子の分散状態〕
本実施形態では、VB2/金属複合体粒子、第1導電材料及び第2導電材料が均一に分散されていることが好ましい。これにより、VB2/金属複合体粒子と第1及び第2導電材料との接触点が多くなることから、電子移動を促進する効果が高くなり、導電性を高くすることができる。なお、均一分散状態を得るためにはビーズミル、ボールミール、超音波等の撹拌機能を持つ機械を用いて、VB2/金属複合体粒子、第1導電材料及び第2導電材料を含むスラリーの分散処理をすることが望ましい。
[Dispersed state of each particle]
In the present embodiment, it is preferable that the VB 2 / metal composite particles, the first conductive material, and the second conductive material are uniformly dispersed. Accordingly, since the contact point with the VB 2 / metal composite particles and the first and second conductive material is increased, the effect of promoting electron transfer increases, thereby increasing the conductivity. In order to obtain a uniformly dispersed state, a slurry containing VB 2 / metal composite particles, the first conductive material, and the second conductive material is dispersed using a machine having a stirring function such as a bead mill, a ball meal, or an ultrasonic wave. It is desirable to process.
〔各成分の含有量〕
負極活物質層112における第1導電材料の含有量は、VB2/金属複合体100質量部に対して0.5質量部以上50質量部以下であることが好ましい。第1導電材料の含有量が0.5質量部未満であると、電子移動を促進させる効果が不足し、十分な導電性が得られない結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。第1導電材料の含有量が50質量部を超えると、導電助剤の分散性が悪くなったり、バインダによるVB2/金属複合体と導電助剤との結着力が低下したりするため、やはり十分な導電性が得られない結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。また、VB2/金属複合体を十分に含めることができないため、エネルギー密度が低下する結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。より好適には、負極活物質層112における第1導電材料の含有量は、VB2/金属複合体100質量部に対して3質量部以上15質量部以下であるか、あるいは、負極活物質層112における第1導電材料の含有率が3〜15質量%である。
[Content of each component]
The content of the first conductive material in the negative electrode
負極活物質層112に第2導電材料を含む場合、当該第2導電材料の含有量は、VB2/金属複合体100質量部に対して0.1質量部以上30質量部以下であることが好ましく、0.1質量部以上10質量部以下であることがより好ましい。第2導電材料の含有量が0.1質量部未満であると、電子移動を促進させる効果が不足し、十分な導電性が得られない結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。第2導電材料の含有量が50質量部を超えると、導電助剤の分散性が悪くなったり、バインダによるVB2/金属複合体と導電助剤との結着力が低下したりするため、やはり十分な導電性が得られない結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。また、VB2/金属複合体を十分に含めることができないため、エネルギー密度が低下する結果、空気電池セル100の放電容量が不十分となってしまう恐れがある。より好適には、負極活物質層112における第2導電材料の含有量は、VB2/金属複合体100質量部に対して0.2質量部以上5質量部以下であるか、あるいは、負極活物質層112における第2導電材料の含有率が0.2〜5質量%である。
When the second conductive material is included in the negative electrode
また、負極活物質層112が第1導電材料と第2導電材料の両方を含む場合、第1導電材料と第2導電材料との質量比(第1導電材料の質量/第2導電材料の質量)が、3以上50以下であることが好ましく、5以上20以下であることがより好ましい。上記質量比が3未満であると、長繊維導電助剤のネットワークが十分に形成できないため好ましくなく、50超としても、導電性は変わらないため経済性の観点から好ましくない。
In the case where the negative electrode
また、負極活物質層112におけるバインダの含有量は、VB2/金属複合体及び導電助剤の含有量に応じて適宜決めればよく、例えば、バインダがVB2/金属複合体及び導電助剤以外の残部(負極活物質層112におけるVB2/金属複合体、導電助剤及びバインダの合計の含有量が100質量%)となるようにすればよい。
Further, the binder content in the negative electrode
(電極側負極端子113、セル側負極端子114)
負極110は、上述した負極集電体111及び負極活物質層112に加えて、更に、電極側負極端子113及びセル側負極端子114を有する。電極側負極端子113は、負極集電体111に取り付けられた本体部113aと、本体部113aに連設された端子部113bとからなる。本体部113aは、略矩形板状の形状を有し、その一側の辺部がネジ115等により負極集電体111に固定されている。また、本体部113aの集電部111に固定された辺とは別の辺部から突出するように、細長い板状の端子部113bが連設されている。この端子部113bは、セル側負極端子114と端子支持部材116を介して電気的に接続されている。
(Electrode side
In addition to the negative electrode
セル側負極端子114は、端子受け部114aと、端子部114bとからなる。端子受け部114aには、端子支持部材116が固定される。端子支持部材116は、上面側に切れ込み116aが形成されており、端子受け部114aに固定された端子支持部材116の切れ込み116aに電極側負極端子113の端子部113bが嵌め込まれる。このとき、電極側負極端子113、セル側負極端子114、端子支持部材116の全てが金属等の導電性の材質であるため、電極側負極端子113とセル側負極端子114とが電気的に接続される。
The cell-side
また、セル側負極端子114の端子部114bは、筐体フレーム102の一辺に設けられた貫通孔102cに挿入され、ワッシャーやナット等(ともに図示せず。)により筐体フレーム102に固定される。
The
なお、本実施形態では、電極側負極端子113とセル側負極端子114とを確実に電気的に接続するために、電極側負極端子113の端子部113bの厚みと略同一の幅の切れ込み116aを有する端子支持部材116を用いているが、上記確実な電気的接続が可能であれば、端子支持部材116を用いなくてもよい。
In this embodiment, in order to reliably connect the electrode-side
(負極120)
ここで、本実施形態に係る負極としては、上述した複数の溝部111aが形成された負極集電体111を有する負極110のような構成だけでなく、例えば、図7に示すような、複数の凹部121aが碁盤目状に配置された集電体121を有する負極120のような構成であってもよい。なお、図7では、集電体121の形状をわかりやすくするため、負極活物質層の図示が省略されている。本変更例に係る負極120における負極活物質層は、各凹部121a内に設ければよい。
(Negative electrode 120)
Here, the negative electrode according to the present embodiment includes not only the configuration of the
この負極120は、2枚の略矩形板状の集電体121A、121B(以下、集電体121A、121Bをまとめて「集電体121」と記載する場合もある。)で、スペーサ122を挟持する(サンドイッチする)構造を有している。このような構成とすることで、集電体121の片面のみに凹部121aを形成すればよいので、負極120(特に、集電体121)の加工が容易となる。
The
〔集電体121〕
集電体121の材質は上述した負極集電体111と同様であるので、集電体121の形状について説明する。集電体121のその一方の面に複数の凹部121aが設けられている。各凹部121aは、集電体121の表面に碁盤目状に設けられ、複数の凹部121aが、集電体121の長手方向及び幅方向に沿って並ぶように配置されている。また、各凹部121aが互いに離隔して配置されるように、隣り合う凹部121a間に隔壁121bが設けられている。上述した負極110においては、隔壁111bは、各溝部111aの互いに向かい合う二辺に沿って設けられていたが、負極120における隔壁121bは、略矩形状の凹部121aの四辺を囲うように設けられている。また、この隔壁121bの幅は、各凹部121aが物理的に離隔していれば特に制限されるものではない。
[Current collector 121]
Since the material of the
〔スペーサ122〕
スペーサ122は、2枚の集電体121に挟持された略矩形状の部材である。スペーサ122の材料としては、負極活物質であるVB2の放電反応により発生した電子を正極130まで伝達するため、金属や導電性カーボン等の導電性材料が用いられる。また、スペーサ122の一の頂点部には、セル側負極端子114に接続される電極側負極端子123が連設されている。電極側負極端子123は、スペーサ122と同じか又は異なる導電性材料で形成され、電極側負極端子113とほぼ同様の形状を有し、端子支持部材116の切れ込み116aに嵌め込まれる。
[Spacer 122]
The
(放電領域)
本実施形態に係る負極110では、VB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料を含む負極活物質層112が、本実施形態に係る放電領域となっている。この場合、負極活物質層112が設けられた複数の溝部111aが、互いに分離した複数の放電セルとして機能しており、隔壁111bが、隣接する放電セル間に設けられる隔壁として機能している。このように、隣接する放電セル間に設けられた隔壁により、放電領域(負極活物質層112)が互いに(物理的に)離隔した状態で複数に分割されている。すなわち、各放電セル内に、放電領域として、VB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料を含む負極活物質層112が設けられている。また、本実施形態の変更例に係る負極120においても同様に、VB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料を含む負極活物質層(図示せず。)が、本実施形態に係る放電領域となっている。この場合は、負極活物質層が設けられた複数の凹部121aが、互いに分離した複数の放電セルとして機能しており、隔壁121bが、隣接する放電セル間に設けられる隔壁として機能している。このように、変更例に係る負極120においても、隣接する放電セル間に設けられた隔壁により、放電領域(負極活物質層)が互いに(物理的に)離隔した状態で複数に分割されている。なお、放電領域の個数は、集電体(本実施形態では、負極集電体111、121)全体の面積(表面又は裏面の面積)により適宜調整すればよい。
(Discharge area)
In the
ここで、一般的な集電体としては、平坦面を有する板状のものか、網(格子)状のものが使用されている。しかし、平坦面を有する板状の場合、平坦面の一部分が電解液等により腐食したり、集電体に活物質が均一に塗布されていなかった場合には、内部の局部放電が発生するため、放電効率が低下してしまう、という問題があった。また、網状の場合には、負極活物質(例えば、亜鉛等)の反応による体積膨張等により網の隙間から負極活物質が飛び出したり、網の一部分が腐食してしまった場合に網状の集電体から負極活物質が剥離してしまったりする結果、放電効率が低下する、という問題があった。 Here, as a general current collector, a plate-like one having a flat surface or a net (lattice) -like one is used. However, in the case of a plate having a flat surface, if a part of the flat surface is corroded by an electrolytic solution or the active material is not uniformly applied to the current collector, an internal local discharge occurs. There is a problem that the discharge efficiency is lowered. In the case of a net-like structure, a net-like current collector is collected when the negative electrode active material jumps out of the mesh gap due to volume expansion due to the reaction of the negative electrode active material (for example, zinc) or a part of the net is corroded. As a result of the negative electrode active material peeling off from the body, there is a problem that the discharge efficiency is lowered.
そこで、上記のような問題を抑制するために、本実施形態に係る負極110及びその変更例に係る負極120は、上述したように、VB2/金属複合体、第1導電材料及び第2導電材料を含む放電領域が互いに離隔した状態で複数に分割された構造を有している。このような構造とすることにより、負極活物質層の周囲(負極110では2つの側面及び底面の合計3面、負極120では4つの側面及び底面の合計5面)を集電体が囲う形態となるため、負極活物質(VB2/金属複合体)と集電体とが接触し易い状態となり、電子移動が促進される。加えて、放電領域、すなわち、負極活物質層が複数の領域に分割されていることから、活物質の反応サイトが負極活物質層の表面と4側面の合計5面となるため、比表面積が大きくなる。従って、放電効率が向上する。
Therefore, in order to suppress the problems as described above, the
また、複数の放電セルが存在するため、たとえ一部の放電セルにおいて不具合(例えば、負極集電体111の腐食や、反応熱の発生に伴う負極集電体111と負極活物質層112との剥離等により、電池の内部抵抗が上昇する等)が生じた場合でも、各放電領域は物理的に離隔された状態となっており、燃料の反応はそれぞれの放電領域で独立に起こるため、その他の放電セルでは正常な動作(放電反応)が担保され、不具合が生じた放電セルの影響が出ることはほとんど無い。従って、本実施形態に係る負極110、120を用いることで、電池全体での動作の安定性を高め、その結果、理論値に近い放電容量とすることが可能となる。
In addition, since there are a plurality of discharge cells, some of the discharge cells may malfunction (for example, the negative electrode
(負極110の着脱)
本実施形態に係る負極110(負極120)は、上述したように、筐体101の内部に収容されるが、空気電池セル100に対して着脱可能に設けられている。これにより、負極110の負極活物質(燃料)であるVB2/金属複合体が放電反応により消費(酸化)されたとしても、負極110を筐体101から取り出して酸化されたVB2等を還元して負極活物質(燃料)であるVB2等を再生したり、負極110自体を交換したりすることが可能となる。
(Removal of negative electrode 110)
As described above, the negative electrode 110 (negative electrode 120) according to the present embodiment is housed inside the
[正極130]
正極130は、空気電池セル100の酸素極(酸素を正極活物質とする電極)として機能する電極であり、例えば、図4に示すように、筐体101内に収容された負極110の表面側と裏面側にそれぞれ、正極130A及び正極130B(以下、まとめて「正極130」と記載する場合がある。)が配置されている。正極130A、130Bは、それぞれ、正極集電体132と、撥水性酸素透過シート133と、触媒層134と、を主に有する。2つの負極130A、130Bの外側(最表面側及び再裏面側)は、それぞれ、表面カバー103及び裏面カバー104で覆われる。
[Positive electrode 130]
The
(正極集電体132)
正極集電体132は、略長方形状の枠状部材であり、その略中央部(枠内部)に開口部132aを有する。空気電池セル100の組立後は、この開口部132aには撥水性酸素透過シート133が位置する。また、1つの空気電池セル100の中には、2つの負極110に対応して、正極集電体132が、正極130Aと正極130Bのそれぞれに2つずつ設けられている。
(Positive electrode current collector 132)
The positive electrode
この正極集電体132は、電子を正極活物質である酸素に供給する役割を有する。このような正極集電体132の材質としては、導電性を有する材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、クロム、金、白金、銀、銅等の導電性に優れる金属や、カーボンブラック(ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等)、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の導電性カーボンを使用することができる。これらの中でも、正極集電体132として、ステンレスを使用することが好適であり、ニッケルメッキされたSUS304を使用することがより好適である。
The positive electrode
正極集電体132の長辺部の略中央部分には、正極端子137が設けられている。正極端子137は、筐体フレーム102の一辺の略中央部(図4に示した例では、上述した貫通孔102cの下方)に設けられた貫通孔102dに挿入され、ワッシャーやナット等(ともに図示せず。)により筐体フレーム102に固定される。また、図4に示した例では、正極端子137は、正極130Aの正極集電体132と、正極131Bの正極集電体132のそれぞれに1つずつ設けられている(正極130Aでは、正極集電体132の図の奥側の長辺部に設けられており、正極130Bでは、正極集電体132の図の手前側の長辺部に設けられている)。しかし、正極端子137は、正極130A、130Bの双方で合わせて2つ設けられていればよく、例えば、正極130Aの正極集電体132の手前側と奥側の両方に正極端子137が設けられ、正極130Bの正極集電体132には正極端子137が設けられていなくてもよい。
A
(撥水性酸素透過シート133)
撥水性酸素透過シート133は、空気電池セル100の外部の空気(酸素)を空気電池セル100の内部へ取り込む際の空気(酸素)のチャネルとなる酸素取込部としての機能と、筐体101内に充填された電解質150がKOH水溶液等の電解液である場合に電解液の外部への漏出を防止する電解液漏出防止部としての機能とを有する。このような機能を実現するため、撥水性酸素透過シート133には、撥水性を有し、且つ、電解液や当該液中に存在する水酸化物イオンは通さないが、空気(酸素)は通す程度の空隙や孔を有する多孔質の材料が用いられる。空気電池セル100内部への酸素の供給量は、この撥水性酸素透過シート133の空隙率等により調整することができる。空隙率は、空気電池セル100の用途に応じて適宜必要量の酸素を供給できるように定めれば良いが、空隙率を30%以上95%以下とすることが好適である。具体的には、例えば、空気電池セル100の用途に応じて、30%以上50%以下、あるいは、70%以上95%以下とすることができる。
(Water repellent oxygen permeable sheet 133)
The water-repellent oxygen
ここで、撥水性を有する材料(以下、「撥水性材料」と記載する。)としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が挙げられる。なお、後述する触媒層134(紛体シート)の崩れを防止するために、撥水性酸素透過シート133には、ポリビニルアルコール(PVA)等を塗工することが好ましい。
Here, examples of the material having water repellency (hereinafter referred to as “water-repellent material”) include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like. In order to prevent collapse of a catalyst layer 134 (a powder sheet) described later, it is preferable to apply polyvinyl alcohol (PVA) or the like to the water repellent oxygen
また、本実施形態では、撥水性酸素透過シート133は、PTFE等の撥水性材料に加えて、導電性を高めるために導電性カーボンを含有していてもよい。ここで、撥水性材料と導電性カーボンとの配合比は、撥水性材料が多過ぎると空気(酸素)の透過性が低下し、導電性カーボンが多過ぎると電解液が漏出してしまう恐れがあるため、撥水性と酸素透過性とのバランスを考慮して、両者の配合比を決定すればよい。
In the present embodiment, the water repellent oxygen
さらに、本実施形態に係る撥水性酸素透過シート133は、活性炭を含有していてもよい。活性炭は、酸素還元能と導電性を兼ね備えるため、正極130における放電反応の触媒及び導電材としての役割を有する。
Furthermore, the water-repellent oxygen
なお、本実施形態に係る撥水性酸素透過シート133に、PTFE等の撥水性材料を用いているのは、電解質150が電解液である場合に、電解液が空気電池セル100の外部に漏出しないようにするためであり、ゲル状や固体状の電解質を用いた場合には、電解液漏出防止部としての機能は不要であり、PTFE等の撥水性材料を用いる必要はない。この場合には、酸素取込部としての機能を少なくとも有していればよいので、撥水性材料の代わりに所定の空隙率を有する高分子材料等を用いることができる。このような高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が挙げられる。
Note that the water-repellent oxygen
また、撥水性酸素透過シート133は、正極集電体132の開口部132aに位置するように設置され、空気電池セル100の組立後は、筐体101の表面カバー103の開口部103a及び裏面カバー104の開口部104aから外部に露出した形となる。
The water-repellent oxygen
(触媒層134)
触媒層134は、撥水性酸素透過シート133から空気電池セル100内部に取り込まれた空気中の酸素を反応させる触媒(酸素の還元剤)を有する層であり、具体的には、触媒粉末を触媒保持体135に層状に保持させることにより形成される。触媒保持体135は、図示してはいないが、撥水性酸素透過シート133から取り込まれた空気が通過できるように所定の開口部を有する。具体的な形状としては特に制限されるものではないが、例えば、触媒保持体135は、網状の形状を有している。また、触媒保持体135は、触媒層134で発生した電子が伝達されるように、導電性を有する材料で形成されることが好ましい。
(Catalyst layer 134)
The
また、触媒層134は、撥水性酸素透過シート133から取り込まれた空気中の酸素を還元し、電子を発生させる。発生した電子は、触媒保持体135、正極集電体132、正極端子137の順に伝達され、正極端子137と接続されたセル側負極端子114を通って負極110まで到達し、負極110での放電反応に利用される。また、触媒層134は、撥水性酸素透過シート133から取り込まれた空気が通過できるように、メッシュ構造を有している。
Further, the
触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はされないが、例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化亜鉛(ZnO2)、酸化バナジウム(V2O5)、白金(Pt)等を用いることができる。 The catalyst is not particularly limited as long as it can reduce oxygen. For example, manganese dioxide (MnO 2 ), zinc oxide (ZnO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), platinum (Pt), or the like is used. be able to.
また、電解質150が電解液である場合には、触媒層134に撥水性を持たせて、電解液の漏出をより効果的に防止するために、触媒層134が、PTFE等の撥水性材料を含んでいてもよい。この場合、例えば、撥水性材料は粉末状で用いられ、この粉末と触媒粉末とを練り固めたものを触媒層134として用いればよい。
Further, when the
[電解質150]
電解質150は、負極110と正極130との間で水酸化物イオンを伝導する役割を有する。電解質150としては、水酸化物イオンを伝導可能なものであればよく、例えば、水系電解液(例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液)、非水系電解液(例えば、強アルカリのアルコール溶液等)、固体電解質等(例えば、金属酸化物)、公知の電解質を特に制限なく使用することができる。ただし、液状の電解質(電解液)の場合には、液漏れの問題があり、また、水酸化カリウム水溶液等の電解液は温度依存性が高くなるため、空気電池セル100の作動温度により電圧が変動するという問題もある。従って、このような問題を防止する観点からは固体電解質を用いることが好適である。
[Electrolyte 150]
The
[セパレータ160]
上述した電解質150が、水系又は非水系の電解液の場合には、空気電池セル100は、負極110と正極130とを電気的に絶縁するセパレータ160をさらに備える。なお、電解質150が固体電解質の場合には、空気電池セル100は、セパレータ160を備えていても備えていなくてもよい。
[Separator 160]
When the
このセパレータ160は、負極110と正極130とが接触することによる短絡を防止するために、負極110と正極130とを電気的に絶縁可能な絶縁体で形成されていることが必要である。また、セパレータ160は、電解液(電解質150)に溶出したVB2をセパレータ160の外部に放出しないように溶解したVB2を透過させず、かつ、正極130で発生した水酸化物イオンを電解質150を通じて負極110に伝達するために水酸化物イオンを透過させる材質で形成されている。さらには、セパレータ160は、電解液(電解質150)を含浸可能な材質で形成されることで、負極110から電解液中へのVB2の溶出を抑制するためにセパレータ160内部の電解液の量を少なくしても、セパレータ160に含浸された電解液を通じて負極110が水酸化物イオンを受け取ることができる。なお、本実施形態においては、VB2粒子が包摂金属により覆われているため、VB2の電解液への溶出の問題は起こりにくい。
The
以上のようなセパレータ160の機能を実現するためのセパレータ160の材料としては、例えば、ビニロン、セルロース、レーヨン、ポリビニルアルコール(PVA)等を単独で又は複数種組み合わせて用いることができる。
As a material of the
また、セパレータ160は、上述したように、水酸化物イオンの透過性を有していることが必要であることから、セパレータ160には、所定のポア径を有する多孔質の材料を用いることが好ましい。ポア径は、大き過ぎると電解質(電解液)150中に溶出したVB2がセパレータ160の外部に漏れ出してしまう恐れがあり、小さ過ぎると水酸化物イオンを透過することができないことから、適度な大きさとすることが好ましい。例えば、概ね10μm前後のポア径を有していれば、電解質(電解液)150中に溶出したVB2が漏れ出さず、且つ、水酸化物イオンを透過することができる。
Further, as described above, since the
[負極110と正極130の接続方法の他の例]
次に、図8を参照しながら、本実施形態に係る負極110と正極130との接続方法の変更例について説明する。図8は、本実施形態の別の変更例に係る負極110と正極130の接続方法を示す斜視図である。
[Other Examples of Connection Method of
Next, a modified example of the connection method between the
上述した例では、1つの空気電池セル100内の負極110と正極130とは電気的に接続されていないものであった。一方、図8に示すように、1つの空気電池セル100内の負極110と正極130とを直列に接続し、空気電池セル100の単位セル当たりの出力電圧を高くするようにしてもよい。この場合、空気電池セル100に収容されている2つの負極110(110A、110B)のうち、一方の負極110Aの電極側負極端子113b(110A)が、隣接する正極130Bの正極集電体132と接することで、負極110Aと正極130Bとが直列に接続される。また、他方の負極110Bの電極側負極端子113b(110B)は、負極ハーネス端子118Aを介して線状の負極ハーネス117の一端と接続され、負極ハーネス117の他端は、負極ハーネス端子118Bを介してセル側負極端子119と接続される。負極ハーネス117は、負極110と正極130の直列化による耐電圧のために設けられる。また、セル側負極端子119は、上述したセル側負極端子114と同様の機能を有するものである。
In the example described above, the
<空気電池セル100の製造方法>
以上、本実施形態に係る空気電池セル100の構成を詳細に説明したが、続いて、図3、図4、図9及び図10を参照しながら、上述した構成を有する空気電池セル100の製造方法について詳細に説明する。図9は、本実施形態に係る負極110の製造方法を示す説明図であり、図10は、本実施形態に係るVB2/金属複合体の製造装置の構成を示す模式図である。
<Method for Manufacturing
The configuration of the
[負極110の製造]
まず、負極110の製造工程について説明する。初めに、図9(a)に示すように、上述した負極活物質層112の材料、すなわち、所定配合比のVB2/金属複合体及びバインダ(さらに必要に応じて、第1導電材料、第2導電材料及び他の添加剤)を混練し、図9(b)に示すように、負極活物質材料のスラリー(活物質スラリー)を作製する。
[Manufacture of Negative Electrode 110]
First, the manufacturing process of the
ここで、VB2/金属複合体の製造工程について詳細に説明する。予め、VB2粒子を所定濃度のCNT等の導電性カーボンを含む導電性カーボン分散溶液に添加した後、緩やかに撹拌する。得られたVB2と導電性カーボンを含むスラリーをスプレードライ法等で処理し、CNT等の導電性カーボンで包摂したVB2粒子(例えば、VB2/CNT粒子)を得ることができる。次いで、この導電性カーボンで包摂したVB2粒子を所定配合比で包摂金属の粉末と混合し、プレスすることで所定形状(例えば、円柱型)のVB2/金属複合体を得ることができる。さらに、この複合体を粒子状とするために、図10に示す複合体製造装置500を用いる。
Here, the manufacturing process of the VB 2 / metal composite will be described in detail. In advance, VB 2 particles are added to a conductive carbon dispersion containing conductive carbon such as CNT at a predetermined concentration, and then gently stirred. The obtained slurry containing VB 2 and conductive carbon can be processed by a spray drying method or the like to obtain VB 2 particles (for example, VB 2 / CNT particles) encapsulated with conductive carbon such as CNT. Next, the VB 2 particles encapsulated with the conductive carbon are mixed with the encapsulated metal powder in a predetermined compounding ratio and pressed to obtain a VB 2 / metal composite having a predetermined shape (for example, a cylindrical shape). Furthermore, in order to make this composite into a particulate form, a
具体的には、まず、溶解室501内の溶解炉502内に、上述したようにして作製した所定形状の(粒子状でない)VB2/金属複合体を投入し、包摂金属のみが溶融する温度に加熱する。すると、溶解炉502内では、溶融した包摂金属中に導電性カーボンで包摂したVB2粒子が存在する状態となる。ここで、例えば、導電性カーボンとしてCNT、グラフェン、カーボンブラック等を用い、包摂金属としてZnを用いた場合には、ZnよりもVB2/CNT粒子の方が比重が小さいため、VB2/CNT粒子が溶融Znの上方に浮遊したような状態となる。次に、このようにして浮遊しているVB2/CNT粒子をルツボ503に移動させると、ルツボ503には、表面に溶融Znが付着したVB2/CNT粒子が充填されることになる。
Specifically, first, a predetermined shape (non-particulate) VB 2 / metal composite prepared as described above is charged into the
さらに、この表面に溶融Znが付着したVB2/CNT粒子をノズル505から噴霧室507内に向けて噴射する。ノズル505から噴射するVB2/CNT粒子の量は、調圧バルブ509により、高圧エア供給装置511から供給されるガス(このガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスであることが好適である。)の流量を制御することで調整する。このようにして、ノズル505からVB2/CNT粒子が噴射されると、噴霧室507内にてVB2/CNT粒子の表面に付着した溶融Znが自然冷却され、粉末収集器513に落下するまでの間にZnが凝固し、VB2/CNT粒子の表面がZn等の包摂金属により包摂されたVB2/金属複合体粒子が、粉末収集器513に収集される。
Further, VB 2 / CNT particles having molten Zn adhered to the surface are sprayed from the
最後に、粉末収集器513に収集されたVB2/金属複合体粒子のうち、所定粒子径以下のものをサイクロン分離器515に移し(粒子径の大き過ぎるVB2/金属複合体粒子は粉末収集器513内に残留し、除去される。)、サイクロン分離器515にて、所定粒径以下(粒子径が小さすぎるもの)は、複合体製造装置500外へ除去され、適度な粒子径を有するもののみが、細粉末収集器517に収集される。このようにして、細粉末収集器517で収集されたVB2/金属複合体粒子を負極活物質材料として用いる。
Finally, among the VB 2 / metal composite particles collected by the
次いで、以上のようにして作製された活物質スラリーを、図9(c)に示すように、負極集電体111の溝部111aに塗工(キャスト)する。塗工方法としては、特に制限はされないが、例えば、刷毛塗り、アプリケーターを使用した方法、プレス等の方法を用いることができる。また、塗工時に活物質スラリーを振動させることで、負極活物質を負極集電体111上に安定させる、言い換えると、負極活物質を均一に且つ隙間なく溝部111aに塗工することが可能となる。なお、活物質スラリーを振動させる方法としては、例えば、振とう機(バイブレータ)を使用した方法が挙げられる。最後に、負極集電体111の溝部111aに塗工された活物質スラリーを乾燥させることで、活物質スラリーが負極集電体111に強固に付着するとともに固化し、図9(d)に示すように、負極集電体111の溝部111aに負極活物質層112が形成される。このときの乾燥方法は特に制限されないが、例えば、常温で所定時間放置して長時間かけて乾燥させてもよく、公知の加熱乾燥炉を用いて短時間に乾燥させてもよい。以上のようにして、負極110を製造することができる。
Next, the active material slurry produced as described above is applied (cast) to the
なお、負極集電体111の両面に負極活物質層112を設ける場合には、活物質スラリーを均一にムラなく溝部111aに塗工するため、一方の面に活物質スラリーを塗工して乾燥させた後に、他方の面に活物質スラリーを塗工することが好ましい。
In the case where the negative electrode
[正極130の製造]
次に、正極130の製造工程について説明する。初めに、触媒層134を形成するための材料、すなわち、酸素の還元機能を有する触媒(例えば、MnO2)を必須成分とし、必要に応じて撥水性材料(例えば、PTFE)等の添加剤を用意し、これらを粉末状にしたものを練り固めて触媒層材料とする。次いで、この触媒層材料を触媒保持体135の表面に保持させることで、触媒保持体135の表面に触媒層134を形成させる。触媒層134は、触媒保持体135の両面に形成してもよく、片面のみに形成してもよい。
[Manufacture of positive electrode 130]
Next, the manufacturing process of the
次いで、触媒層134が形成された触媒保持体135の一方の面に、上述した撥水性酸素透過シート133を貼り付ける。電解質150として固体電解質を用いる場合には、撥水性酸素透過シート133の代わりに、撥水性を有しない酸素透過シート(図示せず。)を用いてもよい。さらに、撥水性酸素透過シート133及び触媒層134が保持された触媒保持体135を、正極集電体132に固定することで、正極130を製造することができる。
Next, the above-described water-repellent oxygen
本実施形態では、正極130は、筐体101の表面側に設置するためのものとして2つ、裏面側に設置するためのものとして2つの合計4つ製造される。
In the present embodiment, a total of four
[空気電池セル100の製造]
次に、上述したようにして製造された負極110及び正極130を用いて空気電池セル100を製造する工程について説明する。初めに、図4に示すように、筐体フレーム102の貫通孔102cに負極110のセル側負極端子114の端子部114bを挿入し、ワッシャーやナット等(図示せず。)により固定する。次いで、4つの正極130をフレーム102の開口部102aの表面側及び裏面側にそれぞれ2つずつ嵌め込む。この際、正極端子137を貫通孔102dに挿入し、ワッシャーやナット等(図示せず。)により固定する。さらに、正極130の外面を覆うように、表面カバー103及び裏面カバー104を筐体フレーム102の固定することで、正極130が内部に設置された筐体101を得る。このとき、筐体101の内部には、負極110を収容するためのスペース(隙間)が存在している。
[Manufacture of air battery cell 100]
Next, a process for manufacturing the
続いて、図3及び図4に示すように、端子支持部材116を、セル側負極端子114の端子受け部114aに設置する。また、負極110の負極集電体111及び負極活物質層112の周囲が袋状のセパレータ160で覆われる(電極側負極端子113の部分はセパレータ160で覆われない)ように、セパレータ160内に負極110を収容する。次いで、セパレータ160で周囲が覆われた負極110を、正極130が内部に設置された開口部101aを通して筐体101の内部に収容する。このとき、電極側負極端子113の端子部113bが、端子支持部材116の切れ込み116aと嵌合するようにする。
Subsequently, as shown in FIGS. 3 and 4, the
続いて、正極130及び負極110が設置された筐体101の内部に電解質150を充填する。さらに、キャップ105により筐体101の開口部101aを封止することで、空気電池セル100を製造することができる。
Subsequently, an
<空気電池ユニット10の構成>
次に、図11及び図12を参照しながら、上述した空気電池セル100を複数接続した空気電池ユニット10の構成について説明する。図11は、本実施形態に係る空気電池ユニット10の全体構成を示す斜視図である。図12は、図11に示した空気電池ユニットの平面図であり、(a)は上面図、(b)は正面図、(c)は左側面図、(d)は右側面図を示している。
<Configuration of
Next, a configuration of the
(全体構成)
図11及び図12に示すように、空気電池ユニット10は、上述した空気電池セル100を複数有する。図11及び図12に示した例では、5つの空気電池セル100A、100B、100C、100D、100Eを接続した例について記載されているが、空気電池セル100の個数に関しては特に制限されるものではない。また、図11及び図12に示した例では、複数の空気電池セル100が直列に接続された例を示しているが、接続方法は、直列でも並列でもいずれでも構わない。
(overall structure)
As shown in FIGS. 11 and 12, the
本実施形態に係る空気電池ユニット10では、隣り合う空気電池セル100の負極110と正極130がバスバー11により接続されている。より具体的には、バスバー11は、例えば、空気電池セル100Aの正極端子137と、当該空気電池セル100Aと隣り合う空気電池セル100Bのセル側負極端子114とを接続する。また、バスバー11の一端は、ナット12により空気電池セル100の正極端子137の先端に固定され、バスバー11の他端は、ナット13により空気電池セル100のセル側負極端子114の先端に固定される。なお、バスバーとは、一般には、電線等に替わって使用される棒状の金属の総称であるが、電線等の断面が円形であるのに対し、バスバーの断面は細長い長方形であるので放熱効果を持つ他、表面積が電線等よりも大きくなるため表面電流が大きい光束システムでより有利となる。
In the
さらに、バスバー11により接続された複数の空気電池セル100(100A,100B,100C,100D,100E)を束ねて固定するため、複数の空気電池セル100は、ボルト15により締結されている。ボルト15は、棒状であり、その長さは、バスバー11により接続された複数の空気電池セル100の合計の厚みよりも長くなっている。このボルト15は、複数の空気電池セル100の筐体フレーム102に設けられたボルト穴101b(図1等を参照)を貫通し、その両端がナット16、17により締結されることで、複数の空気電池セル100がずれないように固定する。このボルト15の本数(ボルト穴101bの個数)が多いほど、複数の空気電池セル100はより強固に固定される。例えば、本実施形態では、幅方向の両側に2箇所ずつ合計4か所でボルト15により締結されているため、複数の空気電池セル100が非常に強固に固定されている。
Furthermore, in order to bundle and fix the plurality of air battery cells 100 (100A, 100B, 100C, 100D, 100E) connected by the
(制御部)
また、本実施形態に係る空気電池ユニット10は、複数の空気電池セル100の接続を直列と並列とで切り替えるための制御部(図示せず。)を有していてもよい。複数の空気電池セル100を直列に接続すると出力電圧が高くなり、複数の空気電池セル100を並列に接続すると放電容量が大きくなる。従って、制御部が、空気電池ユニット10の用途に応じて、複数の空気電池セル100の接続方法を直列と並列とで切り替えることにより、例えば、高い出力電圧を必要とする用途の場合には直列とし、大きな放電容量を必要とする用途の場合には並列とすることができる。これにより、一つの空気電池ユニット10を様々な用途に利用することができるようになる。
(Control part)
Moreover, the
<空気電池ユニット10の組立方法>
次に、図13を参照しながら、上述した構成を有する空気電池ユニット10の組立方法について説明する。図13は、本実施形態に係る空気電池ユニット10の組立方法を示す分解斜視図である。
<Assembly method of
Next, an assembling method of the
図13に示すように、複数の空気電池セル100(100A,100B,100C,100D,100E)に対して、隣り合う空気電池セル100(例えば、空気電池セル100Aと空気電池セル100B)の正極端子137(例えば、空気電池セル100Aの正極端子137)とセル側負極端子114(例えば、空気電池セル100Bのセル側負極端子114)とをバスバー11により接続し、正極端子137の先端をナット12により、セル側負極端子114の先端をナット13で締結することにより、バスバー11を空気電池セル100に固定する。これを隣り合う全ての空気電池セル100に対して行う。
As shown in FIG. 13, with respect to a plurality of air battery cells 100 (100A, 100B, 100C, 100D, 100E), positive terminals of adjacent air battery cells 100 (for example,
また、複数の空気電池セル100(100A,100B,100C,100D,100E)をその厚み方向に並べるように配置した後に、各空気電池セル100に設けられたボルト穴101bを貫通するように、ボルト15を挿入する。このとき、ボルト15が、空気電池セル100A,100B,100C,100D,100Eの全てのボルト穴101bを貫通するようにする。さらに、ボルト15の両端をナット16、17で締め付けることで、複数の空気電池セル100(100A,100B,100C,100D,100E)を締結固定する。
Moreover, after arrange | positioning the several air battery cell 100 (100A, 100B, 100C, 100D, 100E) to arrange in the thickness direction, it is volt | bolt so that the
以上のようにして、複数の空気電池セル100が接続された本実施形態に係る空気電池ユニット10を製造することができる。なお、上記のバスバー11による接続と、ボルト15による締結固定とは、いずれを先に行っても差し支えない。
As described above, the
<空気電池セル100の動作原理>
続いて、図14を参照しながら、本実施形態に係る空気電池セル100の動作原理について説明する。図14は、本実施形態に係る空気電池セル100の動作原理を説明するための模式図である。
<Operation Principle of
Next, the operation principle of the
図14に示すように、本実施形態に係る空気電池セル100は、負極集電体111の両面に負極活物質層112が設けられており、それぞれの負極活物質層112に対向するように、正極130が配置されている。正極130と負極110との間には、電解質150が充填される。また、正極130は、集電体132上に、空気電池セル100の外部の空気中の酸素を取り込むための撥水性酸素透過シート133と、この撥水性酸素透過シート133から取り込んだ酸素の還元能を有する触媒層134が積層された構造を有している。なお、電解質150が電解液でなければ、撥水性酸素透過シート133の代わりに、撥水性を有さない酸素を透過可能なシートや層を用いてもよい。
As shown in FIG. 14, the
このような空気電池セル100において、外部から、撥水性酸素透過シート133を通して空気中の酸素(O2)が取り込まれると、まず、正極130では、触媒層134において下記式(1)のように酸素の還元反応が放電反応として起こる。
正極:O2+2H2O+4e−→4OH− (1)
In such an
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (1)
式(1)のようにして正極130で発生した水酸化物イオン(OH−)は、集電体132に伝達され、さらに、電解質150を通って、負極110(負極集電体111及び負極活物質層112)に到達する。そうすると、負極110では、負極活物質層112において下記式(2)及び(3)のように、正極活物質であるVB2及び包摂金属(例えば、下記式(3)では、Znの反応式を示す。)と水酸化物イオンとが反応することにより、VB2の酸化反応が放電反応として起こる。
負極:VB2+11OH−→1/2V2O5+B2O3+11/2H2O+11e−
(2)
Zn+4OH−→[Zn(OH)4]2−+2e− (3)
Hydroxide ions (OH − ) generated at the
Negative electrode: VB 2 + 11OH − → 1 / 2V 2 O 5 + B 2 O 3 + 11 / 2H 2 O + 11e −
(2)
Zn + 4OH − → [Zn (OH) 4 ] 2 + 2e − (3)
このように、負極110では、放電反応により、負極活物質(燃料)であるVB2 1モル当たり11個と包摂金属であるZn1モル当たり2個という大量の電子(e−)が発生するため、エネルギー密度が高く、本実施形態に係る空気電池セル100は、単位体積当たりの放電容量が非常に高いものとなる。また、このとき、負極活物質層112中には、負極活物質であるVB2及び包摂金属の他に、この負極活物質の導電性を補助する導電助剤として、第1導電材料及び第2導電材料が含まれていると、この大量に発生した電子を効率よく伝達することができる。従って、本実施形態に係る空気電池セル100によれば、理論値に近い放電容量を実現することができる。
Thus, in the
<空気電池セル100及び空気電池ユニット10の用途・使用方法>
続いて、上述した空気電池セル100及び空気電池ユニット10の用途や使用方法について説明する。
<Use and usage of
Then, the use and usage method of the
本実施形態に係る空気電池セル100及び空気電池ユニット10は、エネルギー密度が高く、放電容量が大きいことから、様々な用途への適用が可能であるが、例えば、自動車のバッテリ、照明用の補助電源、災害時におけるバックアップ電源、PCやモバイル機器等のバッテリ、その他一般的な空気電池、燃料電池、リチウム二次電池等の代替用途等に使用することができる。この場合、開放電圧を高めるために、所定の昇圧回路と組み合わせたり、多数の空気電池セル100を接続した空気電池ユニット10を使用することが好適である。また、空気電池セル100及び空気電池ユニット10を所定の昇圧回路と組み合わせることにより、開放電圧も高めることができるため、非常用バッテリ等にも使用することができる。なお、炭坑で用いるための電源としても用いることができる。炭坑用途では、水素が発生したり燃焼したりするような電池を使用することができないことから、本実施形態に係る空気電池セル100及び空気電池ユニット10の使用が好適である。
The
≪第2実施形態≫
次に、本発明の第2実施形態に係る空気電池及び空気電池ユニットについて説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, an air battery and an air battery unit according to a second embodiment of the present invention will be described.
<空気電池セル100の構成>
まず、図15〜図17を参照しながら、本実施形態に係る空気電池セル200の構成について説明する。図15は、本実施形態に係る空気電池セル200の外観構成を示す斜視図である。図16は、図15に示した空気電池セル200の平面図であり、(a)は上面図、(b)は正面図、(c)は左側面図、(d)は右側面図、(e)は(c)の破線丸囲み部分の拡大図を示している。図17は、本実施形態に係る空気電池セル200の内部構成を示す分解斜視図である。
<Configuration of
First, the structure of the
図15〜図17に示すように、本実施形態に係る空気電池セル200は、燃料極としての負極(アノード)210と、空気(酸素)極としての正極(カソード)230と、本実施形態に係る電解質の一例としての電解質(図示せず。)と、セパレータ260と、を備える。空気電池セル200では、板状の負極210を表側及び裏側からセパレータ260を介して挟むようにして2枚のシート状の正極230が配置されている。
As shown in FIGS. 15 to 17, an
より詳細には、空気電池セル200は、負極210、正極230及びセパレータ260が、正極230、セパレータ260、負極210、セパレータ260、正極230の順に積層された構造を有している。そして、これら積層された負極210、正極230及びセパレータ260を固定するために、クリップ状の挟着部材201が、負極210、正極230及びセパレータ260をそれらの縁部から挟み込むようにして固定している。この挟着部材201は、図16(e)に示すように、その先端部分に屈曲部201aを有しており、この屈曲部201aの内側(正極集電体232側)に突出した部分が、正極集電体232の表面に圧接することで、負極210、正極230及びセパレータ260を挟着する。また、正極230の表面には、挟着部材201により挟着された際に、当該挟着部材201の内部に位置するように、複数の突起232bが設けられている。この突起232bが挟着部材201のストッパーの役割を有することにより、挟着部材201が脱離し難くなっている。
More specifically, the
なお、電解質(電解液)は、空気電池セル200が、後述するユニット筐体21(図18〜20を参照)の内部に収容された状態で、空気電池セル200の周囲に存在している。また、本実施形態では、上述した第1の実施形態とは異なり、1つの空気電池セル200が、1組の電極対(1つの負極110とその両面側に配置された2つの正極130の対)を有している。
The electrolyte (electrolytic solution) is present around the
[負極210]
負極210は、空気電池セル200の燃料極として機能する電極であり、例えば、図17に示すように、負極集電体211と、負極活物質層212と、負極端子214と、を主に有する。
[Negative electrode 210]
The
(負極集電体211)
負極集電体211は、導電性を有する略板状の部材であり、負極活物質を保持し、電流を負極活物質に供給する役割を有する。
(Negative electrode current collector 211)
The negative electrode
〔材質〕
負極集電体211の材質としては、上述した第1の実施形態に係る負極集電体111と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[Material]
Since the material of the negative electrode
〔形状〕
負極集電体211は、略板状の形状を有しているが、第1の実施形態とは異なり、溝部や凹部等は設けられていない。
〔shape〕
The negative electrode
(負極活物質層212)
負極活物質層212は、上述した負極集電体211の表面(両面)に設けられ、空気電池セル200の放電の際の燃料となる負極活物質を含む層である。この負極活物質層212は、の成分やその他の構成については、上述した第1の実施形態に係る負極活物質層112と同様であるので、ここでは説明を省略する。
(Negative electrode active material layer 212)
The negative electrode
(負極端子214)
負極210は、上述した負極集電体211及び負極活物質層212に加えて、更に、負極端子214を有する。負極端子214は、負極集電体211の一の頂点部から外側に突出するようにして設けられた細長い板状の部材である。この負極端子214は、上述した電極側負極端子113やセル側負極端子114と同様に、導電性を有する材料で形成されるのは勿論である。この負極端子214は、電源又は他の空気電池セル200の正極端子237や負極端子214等と電気的に接続される。
(Negative electrode terminal 214)
The
[正極230]
正極230は、空気電池セル200の酸素極(酸素を正極活物質とする電極)として機能する電極であり、例えば、図17に示すように、負極210の表面側と裏面側にそれぞれ1つずつ配置されている。正極230は、正極集電体232と、酸素透過・触媒層233と、を主に有する。
[Positive electrode 230]
The
(正極集電体232)
正極集電体232は、略長方形状の枠状部材であり、その略中央部(枠内部)に開口部232aを有する。空気電池セル200の組立後は、この開口部232aには酸素透過・触媒層233が位置する。
(Positive electrode current collector 232)
The positive electrode
この正極集電体232は、電子を正極活物質である酸素に供給する役割を有する。このような正極集電体232の材質としては、上述した第1の実施形態に係る正極集電体132と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
The positive electrode
正極集電体232の長辺部の略中央部分には、正極端子237が設けられている。正極端子237は、電源又は他の空気電池セル200の正極端子237や負極端子214等と電気的に接続される。
A
(酸素透過・触媒層233)
酸素透過・触媒層233は、図示してはいないが、基本的には第1の実施形態と同様であり、触媒保持体135に対応する部材に、触媒層134に対応する層を保持させた後に、その上から撥水性酸素透過シート133に対応するシートを貼り付けたものである。従って、この酸素透過・触媒層233は、上述した撥水性酸素透過シート133の機能と、触媒層134の機能を有するものである。その他の構成については、撥水性酸素透過シート133及び触媒層134と同様であるので、ここでは説明を省略する。
(Oxygen permeation / catalyst layer 233)
Although not shown, the oxygen permeation /
[セパレータ260]
本実施形態では、負極210と正極230とを積層させていることから、第1の実施形態と異なり、電解質が電解液(液状)であるか否かに関わらず、短絡を防止する為に必用となる。このセパレータ260の機能は、上述したセパレータ160と同様である。また、セパレータ260の材料としては、セパレータ160と同様の材料以外に、一般に電池に使用されるセパレータと同じような絶縁体を用いることができる。
[Separator 260]
In this embodiment, since the
<空気電池セル200の製造方法>
以上、本実施形態に係る空気電池セル200の構成を詳細に説明したが、続いて、図17を参照しながら、上述した構成を有する空気電池セル200の製造方法について詳細に説明する。
<Method for Manufacturing
The configuration of the
[負極210の製造]
まず、負極210の製造工程について説明する。初めに、上述した負極活物質層212の材料、すなわち、所定配合比のVB2/金属複合体及びバインダ(さらに必要に応じて第1導電材料、第2導電材料及び他の添加剤)を混練し、負極活物質材料のスラリー(活物質スラリー)を作製する。次いで、このようにして作製された活物質スラリーを、負極集電体211の表面(両面)に塗工(キャスト)する。最後に、負極集電体211の表面に塗工された活物質スラリーを乾燥させることで、活物質スラリーが負極集電体211に強固に付着するとともに固化し、図17に示すように、負極集電体211の表面に負極活物質層212が形成される。なお、活物質スラリーの塗工方法、乾燥方法等については、上述した第1の実施形態と同様である。
[Manufacture of Negative Electrode 210]
First, the manufacturing process of the
[正極230の製造]
次に、正極230の製造工程について説明する。初めに、酸素透過・触媒層233を、撥水性酸素透過シート133及び触媒層134が保持された触媒保持体135と同様にして作製する。次いで、このようにして作製された酸素透過・触媒層233を、正極集電体232に固定することで、正極230を製造することができる。
[Manufacture of Positive Electrode 230]
Next, the manufacturing process of the
[空気電池セル200の製造]
次に、上述したようにして製造された負極210及び正極230を用いて空気電池セル200を製造する工程について説明する。初めに、図17に示すように、正極230、セパレータ260、負極210、セパレータ260、正極230の順に積層する。次いで、積層された負極210、正極230及びセパレータ260の長辺側の縁部を挟着部材201で挟み込むようにして挟着部材201を取り付けることで、負極210、正極230及びセパレータ260が固定される。ここで、図17では、4つの挟着部材201を用いて負極210、正極230及びセパレータ260を固定しているが、これらが脱離しないように固定できる強度を確保できれば、挟着部材201の個数は3つ以下でもよく、強度が足りなければ、5つ以上としてもよい(幅方向の固定強度のバランスを保つためには、挟着部材201の個数を偶数とすることが好適である)。以上のようにして、空気電池セル200を製造することができる。
[Manufacture of air battery cell 200]
Next, the process of manufacturing the
<空気電池ユニット20の構成>
次に、図18及び図19を参照しながら、上述した空気電池セル200を複数接続した空気電池ユニット20の構成について説明する。図18は、本実施形態に係る空気電池ユニット20の全体構成を示す斜視図である。図19は、図18に示した空気電池ユニットの平面図であり、(a)は上面図、(b)は正面図、(c)は右側面図を示している。
<Configuration of
Next, the configuration of the
(全体構成)
図18及び図19に示すように、空気電池ユニット20は、上述した空気電池セル200を複数有する。図18及び図19に示した例では、16枚の空気電池セル200を接続した例について記載されているが、空気電池セル200の個数に関しては特に制限されるものではない。
(overall structure)
As shown in FIGS. 18 and 19, the
本実施形態に係る空気電池ユニット20は、ユニット筐体21内に複数の空気電池セル200が収容された状態となっており、この状態で、隣り合う空気電池セル200の負極210と正極230(あるいは負極210と負極210、正極230と正極230)がバスバー(図示せず。)等により接続される。ユニット筐体21は、その内部に、空気電池セル200を収容するための収容溝22を複数有している。この収容溝22の幅は、空気電池セル200全体の厚みよりもやや大きな幅となっており、所定の遊びを有して、空気電池セル200が収容溝22内で固定されるようになっている。また、ユニット筐体21には、電源25及び空気電池ユニット20の出力電圧を管理するための回路が配置された電圧管理基板26が設けられている。
The
(制御部)
また、本実施形態に係る空気電池ユニット20は、上述した第1の実施形態に係る空気電池ユニット10と同様に、複数の空気電池セル100の接続を直列と並列とで切り替えるための制御部(図示せず。)を有していてもよい。この制御部の構成は第1の実施形態と同様である。また、制御部は、上述した電圧管理基板26の一部に設けられていてもよいし、別途の回路基板あるいは外部装置として設けられていてもよい。
(Control part)
Moreover, the
<空気電池ユニット20の組立方法>
次に、図20を参照しながら、上述した構成を有する空気電池ユニット20の組立方法について説明する。図20は、本実施形態に係る空気電池ユニット20の組立方法を示す分解斜視図である。
<Assembly method of
Next, a method for assembling the
図20に示すように、まず、複数の空気電池セル200のそれぞれを、ユニット筐体21に設けられた複数の収容溝22のそれぞれに挿入し、ユニット筐体21内に複数の空気電池セル200を収容する。次いで、図示してはいないが、ユニット筐体21内に収容された複数の空気電池セル200及び電源25をバスバー(図示せず。)や導線等により接続することで、複数の空気電池セル200が接続された本実施形態に係る空気電池ユニット20を製造することができる。
As shown in FIG. 20, first, each of the plurality of
なお、本実施形態に係る空気電池セル200の動作原理や、空気電池セル200及び空気電池ユニット20の用途・使用方法は、上述した第1の実施形態と同様である。
Note that the operating principle of the
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に具体的に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。 Next, although an example and a comparative example explain the present invention still more concretely, the present invention is not limited at all by these examples.
[Znで包摂したVB2複合体(VB2/Zn複合体)の作製]
平均粒子径が0.5〜10μmのVB2粉末1000gを、カーボンナノチューブ(CNT)5質量%を含むCNT分散溶液1000mLに添加した後、緩やかに約2時間撹拌した。得られたVB2とCNTを含むスラリーをスプレードライ法で処理し、平均粒子径が約3〜300μmのCNTで包摂したVB2粒子(VB2/CNT粒子)が得られた。次に、得られたVB2/CNT粒子を、平均粒子径50〜500μm亜鉛粉末と、質量比1/2(VB2/CNT粒子:亜鉛=1:2)で緩やかに混合した後、420℃、30MPaで30秒間プレスし、直径30mm、長さ100mmの円柱型のVB2/Zn複合体を作製した。更に、図10に示したVB2/金属複合体製造装置500を用いた粉末加工プロセスを経て、亜鉛で包摂したVB2粉末、すなわち、平均粒子径が100〜500μmのVB2/Zn複合体粒子を作製した。
[Preparation of Zn-incorporated VB 2 complex (VB 2 / Zn complex)]
After adding 1000 g of VB 2 powder having an average particle size of 0.5 to 10 μm to 1000 mL of a CNT dispersion solution containing 5 mass% of carbon nanotubes (CNT), the mixture was gently stirred for about 2 hours. The obtained slurry containing VB 2 and CNT was treated by a spray drying method to obtain VB 2 particles (VB 2 / CNT particles) encapsulated with CNT having an average particle diameter of about 3 to 300 μm. Next, the obtained VB 2 / CNT particles were gently mixed with zinc powder having an average particle diameter of 50 to 500 μm at a mass ratio of 1/2 (VB 2 / CNT particles: zinc = 1: 2), and then 420 ° C. And 30 MPa for 30 seconds to prepare a cylindrical VB 2 / Zn composite having a diameter of 30 mm and a length of 100 mm. Furthermore, VB 2 powder encapsulated with zinc through a powder processing process using the VB 2 / metal
[負極の作製]
以上のようにして得られたVB2/Zn複合体粒子と、カーボンブラックと、バインダとしてPVDFと、を質量比でそれぞれ、84%、8%、8%の割合で混練し、負極活物質のスラリーを作製した。次いで、このスラリーを図9等に示した形状を有するグラファイト製の集電体の溝部に刷毛を用いて塗布し、自然乾燥させた。これを集電体両面について行うことで、集電体の両面に負極活物質等が形成された負極を得た。
[Production of negative electrode]
The VB 2 / Zn composite particles obtained as described above, carbon black, and PVDF as a binder were kneaded at a mass ratio of 84%, 8%, and 8%, respectively. A slurry was prepared. Next, this slurry was applied to the grooves of a graphite current collector having the shape shown in FIG. 9 and the like using a brush and allowed to dry naturally. By performing this on both sides of the current collector, a negative electrode having a negative electrode active material or the like formed on both sides of the current collector was obtained.
[空気電池の作製]
また、MnO2(30質量%)とPTFE(25質量%)とカーボンブラック(5質量%)と活性炭(40質量%)とを粉末状にしたものを練り固めて触媒層材料とした。次いで、この触媒層材料をステンレス(SUS304 ニッケルメッキ)製の金網に保持させ、この一方の面にPTFE製のシートを貼り付け、さらに、これをSPCC製のフレームに固定することで、正極とした。
[Production of air battery]
Further, a powder of MnO 2 (30% by mass), PTFE (25% by mass), carbon black (5% by mass), and activated carbon (40% by mass) was kneaded and made into a catalyst layer material. Next, the catalyst layer material is held on a metal mesh made of stainless steel (SUS304 nickel plating), a PTFE sheet is pasted on one surface thereof, and further fixed to a frame made of SPCC to obtain a positive electrode. .
以上のように作製した負極及び正極を用いて、図3及び図4を用いて上述したようにして空気電池セルを作製した。なお、電解液として、濃度86質量%の水酸化カリウム水溶液を用い、セパレータとして、セルロースとレーヨンとPVAとを含む織布(厚み200μm)を用いた。このセパレータのポア径は11μm、サイズは幅260mm×200mmであった。
Using the negative electrode and the positive electrode manufactured as described above, an air battery cell was manufactured as described above with reference to FIGS. In addition, the potassium hydroxide aqueous solution with a density | concentration of 86 mass% was used as electrolyte solution, and the woven fabric (
[単一の空気電池セルでの放電特性の評価]
以上のようにして作製した単一の空気電池セル(単セル)を用いて、30Aの定電流放電を行うことで、放電特性を評価した。その結果を下記表1に、放電カーブを図21に示す。図21は、本実施例における単セルでの放電カーブを示すグラフである。なお、図21では、横軸が放電時間を示し、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が電流の値を示している。また、図の実践で示した曲線が電圧の変化を示し、破線で示した曲線が電流の変化を示している。
[Evaluation of discharge characteristics with a single air battery cell]
Using a single air battery cell (single cell) produced as described above, the discharge characteristics were evaluated by performing a 30 A constant current discharge. The results are shown in Table 1 below, and the discharge curve is shown in FIG. FIG. 21 is a graph showing a discharge curve in a single cell in this example. In FIG. 21, the horizontal axis represents the discharge time, the left vertical axis represents the voltage, and the right vertical axis represents the current value. Moreover, the curve shown by the practice of a figure shows the change of a voltage, and the curve shown with the broken line has shown the change of an electric current.
表1及び図21に示すように、単セルの場合にも、1V以上の電圧を9時間近く維持でき、0.8V以上の電圧を11時間以上維持でき、0.3V以上の電圧を12時間以上維持できていた。さらに、1V以上の平均電圧を12時間以上維持できていた。これは、実用上十分な値といえる。また、VB2/Zn複合体粒子を負極活物質として使用していることからエネルギー密度が非常に高く、放電容量や放電電力量も非常に高いものとなった。 As shown in Table 1 and FIG. 21, even in the case of a single cell, a voltage of 1 V or higher can be maintained for nearly 9 hours, a voltage of 0.8 V or higher can be maintained for 11 hours or longer, and a voltage of 0.3 V or higher can be maintained for 12 hours. I was able to maintain it. Furthermore, the average voltage of 1V or more could be maintained for 12 hours or more. This is a practically sufficient value. In addition, since the VB 2 / Zn composite particles are used as the negative electrode active material, the energy density is very high, and the discharge capacity and the discharge power amount are also very high.
[10セルの空気電池ユニットでの放電特性の評価]
また、以上のようにして作製した単セルを、図13で説明したようにして10個接続することで、図11等に示すような10個の空気電池セルを有する空気電池ユニット(10セル)を作製した。この10セルの空気電池ユニットを用いて、定電流放電を行うことで、放電特性を評価した。なお、本10セルでの評価においては、初め30Aの定電流放電を行い、電圧が降下した後に電流値を20Aに変更して定電流放電を行い、更に電圧が降下した後に電流値を10Aに変更して定電流放電を行った。その結果を下記表2に、放電カーブを図22に示す。図22は、本実施例における10セルでの放電カーブを示すグラフである。なお、図22では、横軸が放電時間を示し、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が電流の値を示している。また、図の実線で示した曲線が電圧の変化を示し、破線で示した曲線が電流の変化を示している。
[Evaluation of discharge characteristics of 10-cell air battery unit]
In addition, an air battery unit (10 cells) having 10 air battery cells as shown in FIG. 11 and the like is obtained by connecting 10 single cells produced as described above as described in FIG. Was made. The discharge characteristics were evaluated by performing constant current discharge using the 10-cell air battery unit. In this 10-cell evaluation, a constant current discharge of 30 A was first performed, the current value was changed to 20 A after the voltage dropped, a constant current discharge was performed, and the current value was changed to 10 A after the voltage dropped further. A constant current discharge was performed with the change. The results are shown in Table 2 below, and the discharge curve is shown in FIG. FIG. 22 is a graph showing a discharge curve in 10 cells in this example. In FIG. 22, the horizontal axis represents the discharge time, the left vertical axis represents the voltage, and the right vertical axis represents the current value. Moreover, the curve shown with the continuous line of the figure has shown the change of a voltage, and the curve shown with the broken line has shown the change of an electric current.
表2及び図22に示すように、10セルの場合にも、30Aの定電流放電を10時間以上維持することができた。また放電容量も300Ah以上と非常に高く、平均電圧も11V以上と実用上十分な値を示していた。このような放電性能を有する空気電池ユニットであれば、例えば、電気自動車用のバッテリとしても使用可能なレベルである。また、このような高放電容量及び電圧を必要としない用途では、20Aの定電流で更に30分、10Aの定電流で更に1時間程度、電池としての使用が可能であることがわかった。 As shown in Table 2 and FIG. 22, even in the case of 10 cells, a constant current discharge of 30 A could be maintained for 10 hours or more. Further, the discharge capacity was very high at 300 Ah or more, and the average voltage was 11 V or more, which was a practically sufficient value. If it is an air battery unit which has such discharge performance, it is a level which can be used also as a battery for electric vehicles, for example. In addition, it was found that in applications that do not require such a high discharge capacity and voltage, the battery can be used for a further 30 minutes at a constant current of 20A and for another hour at a constant current of 10A.
なお、VB2粒子を包摂する導電性カーボンとして、CNTの代わりに、カーボンブラック及びグラフェンを用い、カーボンブラックで包摂したVB2粒子及びグラフェンで包摂したVB2粒子も作成し、これらについても上記と同様の放電特性の評価を行ったが、いずれも放電容量はCNTを用いた場合よりもやや低いものの、実用上十分な高い放電容量を有していた。 As conductive carbon subsumes VB 2 particles, instead of the CNT, a carbon black and graphene, also subsumed the VB 2 particles VB 2 particles and graphene inclusion with carbon black prepared, as above also for these The same discharge characteristics were evaluated. In either case, the discharge capacity was slightly lower than that in the case of using CNT, but the discharge capacity was high enough for practical use.
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述した形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で当業者が想到し得る他の形態または各種の変更例についても本発明の技術的範囲に属するものと理解される。 The preferred embodiment of the present invention has been described above with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, it is understood that other forms or various modifications that can be conceived by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims belong to the technical scope of the present invention.
10、20 空気電池ユニット
11 バスバー
15 ボルト
21 ユニット筐体
22 収容溝
100、200 空気電池セル
101 筐体
102 筐体フレーム
103 表面カバー
104 裏面カバー
105 キャップ
106 スライド部材
110、120、210 負極
111、121、211 負極集電体
111a 溝部
121a 凹部
112、212 負極活物質層
113、123 電極側負極端子
114 セル側負極端子
116 端子支持部材
130、230 正極
132、232 正極集電体
133 撥水性酸素透過シート
134 触媒層
135 触媒保持体
137、237 正極端子
150 電解液
160、260 セパレータ
201 挟着部材
233 酸素透過・触媒層
10, 20
Claims (18)
酸素を正極活物質とする正極と、
前記負極と前記正極との間で水酸化物イオンを伝導する電解質と、
を備える、空気電池。 As a negative electrode active material, a negative electrode containing a VB 2 / metal composite containing vanadium diboride particles in a metal that reacts with hydroxide ions to generate electrons and becomes a hydroxide by the reaction;
A positive electrode using oxygen as a positive electrode active material;
An electrolyte that conducts hydroxide ions between the negative electrode and the positive electrode;
An air battery comprising:
前記第2導電材料が、前記VB2/金属複合体100質量部に対して0.1質量部以上30質量部以下含有されている、請求項8に記載の空気電池。 The first conductive material is contained in an amount of 0.5 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the VB 2 / metal composite,
The air battery according to claim 8, wherein the second conductive material is contained in an amount of 0.1 parts by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the VB 2 / metal composite.
各々の前記放電セル内に、前記放電領域として、前記VB2/金属複合体を含有する負極活物質層を有する、請求項13に記載の空気電池。 The negative electrode current collector has a plurality of discharge cells separated from each other, and a partition is provided between the adjacent discharge cells,
The air battery according to claim 13, wherein each discharge cell has a negative electrode active material layer containing the VB 2 / metal composite as the discharge region.
前記負極と前記正極とを電気的に絶縁するセパレータをさらに備え、
前記セパレータが、前記電解液を含浸可能である、請求項1〜14のいずれか一項に記載の空気電池。 The electrolyte is an aqueous or non-aqueous electrolyte;
A separator that electrically insulates the negative electrode from the positive electrode;
The air battery according to claim 1, wherein the separator can be impregnated with the electrolytic solution.
負極活物質として、水酸化物イオンと反応して電子を発生させるとともに前記反応により水酸化物となる金属で二ホウ化バナジウム粒子を包摂したVB2/金属複合体を含有する、負極。 A negative electrode for an air battery having a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material,
A negative electrode containing, as a negative electrode active material, a VB 2 / metal composite that reacts with hydroxide ions to generate electrons and includes a vanadium diboride particle with a metal that becomes a hydroxide by the reaction.
The air battery unit which has two or more cells of the air battery as described in any one of Claims 1-16.
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