JP2015069960A - Lithium air secondary battery - Google Patents

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JP2015069960A JP2013206326A JP2013206326A JP2015069960A JP 2015069960 A JP2015069960 A JP 2015069960A JP 2013206326 A JP2013206326 A JP 2013206326A JP 2013206326 A JP2013206326 A JP 2013206326A JP 2015069960 A JP2015069960 A JP 2015069960A
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政彦 林
Masahiko Hayashi
政彦 林
正也 野原
Masaya Nohara
正也 野原
薫 朝倉
Kaoru Asakura
薫 朝倉
博人 北林
Hiroto Kitabayashi
博人 北林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium air secondary battery which is low in the charge voltage, small in the difference between charge and discharge voltages, and even after the repetition of charge and discharge cycles, small in the reduction in discharge capacity, and which allows a lithium air secondary battery to work as a high-capacity secondary battery.SOLUTION: A lithium air secondary battery according to the present invention comprises: an air electrode; a negative electrode; and an organic electrolytic solution in contact with the air electrode and the negative electrode. The air electrode includes a conductive material, a catalyst and a binding agent. The negative electrode includes metallic lithium or a lithium-containing substance. The organic electrolytic solution includes a lithium salt, and an organic solvent. The catalyst of the air electrode includes a ruthenium oxide. The organic solvent of the organic electrolytic solution includes tetraethylene glycol dimethyl ether.

Description

本発明はリチウム空気二次電池に関する。特に本発明は、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの従来の二次電池よりも小型軽量で、かつ遙かに大きい放電容量を実現できるリチウム空気二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium air secondary battery. In particular, the present invention relates to a lithium-air secondary battery that is smaller and lighter than a conventional secondary battery such as a lead-acid battery or a lithium ion battery, and that can realize a much larger discharge capacity.

正極活物質として空気中の酸素を用いるリチウム空気二次電池は、電池外部から常に酸素が供給され、電池内に大量の負極活物質である金属リチウムを充填することができる。このため、電池の単位体積当たりの放電容量の値を非常に大きくできることが報告されている。   A lithium-air secondary battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material is always supplied with oxygen from the outside of the battery, and a large amount of metallic lithium, which is a negative electrode active material, can be filled in the battery. For this reason, it has been reported that the value of the discharge capacity per unit volume of the battery can be greatly increased.

これまでに非特許文献1や非特許文献2に報告されているように、正極であるガス拡散型空気極に種々の触媒を添加することにより、放電容量、サイクル特性などの電池性能の改善が試みられている。   As reported in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 so far, by adding various catalysts to the gas diffusion type air electrode as the positive electrode, battery performance such as discharge capacity and cycle characteristics can be improved. Has been tried.

ガス拡散型空気極の電極触媒として遷移金属酸化物が検討されている。例えば、上記文献では、非特許文献1においてλ−MnOなどの遷移金属酸化物が、非特許文献2では主に酸化鉄(Fe)、コバルト酸化物(Co)などの遷移金属酸化物が検討されている。これらの文献には、以下のようなリチウム空気二次電池の電池特性の試験の結果が示されている。 Transition metal oxides have been studied as electrode catalysts for gas diffusion air electrodes. For example, in the above document, transition metal oxides such as λ-MnO 2 are used in Non-Patent Document 1, and in Non-Patent Document 2, mainly iron oxide (Fe 2 O 3 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), and the like are used. Transition metal oxides have been investigated. These documents show the results of the battery characteristic test of the lithium air secondary battery as follows.

非特許文献1に開示されている二次電池では、充放電サイクルは可能であったが、4サイクル後に放電容量は約1/4に低下し、二次電池としての性能は低いものであった。また、非特許文献1に開示されている二次電池では、充電電圧が、約4.0Vであり、平均放電電圧の2.7Vと比較して非常に大きく、エネルギー効率が低いという課題がある。   In the secondary battery disclosed in Non-Patent Document 1, a charge / discharge cycle was possible, but after 4 cycles, the discharge capacity was reduced to about 1/4, and the performance as a secondary battery was low. . Further, the secondary battery disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem that the charging voltage is about 4.0 V, which is very large compared to the average discharge voltage of 2.7 V, and the energy efficiency is low. .

一方、非特許文献2では、9種類の触媒を検討し、空気極に含まれるカーボンの重量当たりで1000〜3000mAh/gの非常に大きな放電容量が得られている。しかしながら、充放電を繰り返すと、放電容量の低下が著しく、例えば、Coの場合、10サイクルで容量維持率が約65%となる。このように、非特許文献2のリチウム空気二次電池でも著しい容量の減少が見られ、二次電池としての十分な特性は得られていない。また、ほとんどの場合で平均放電電圧は2.5V程度であり、一方、充電電圧は4.0〜4.5Vを示し、最も低いものでも3.9V程度である。このため、非特許文献2のリチウム空気二次電池は充放電のエネルギー効率は低い。 On the other hand, in Non-Patent Document 2, nine types of catalysts are examined, and a very large discharge capacity of 1000 to 3000 mAh / g is obtained per weight of carbon contained in the air electrode. However, when charge and discharge are repeated, the discharge capacity is remarkably reduced. For example, in the case of Co 3 O 4 , the capacity retention rate becomes about 65% in 10 cycles. As described above, the lithium-air secondary battery of Non-Patent Document 2 also shows a significant decrease in capacity, and sufficient characteristics as a secondary battery are not obtained. In most cases, the average discharge voltage is about 2.5 V, while the charging voltage is 4.0 to 4.5 V, and the lowest is about 3.9 V. For this reason, the lithium-air secondary battery of Non-Patent Document 2 has low charge / discharge energy efficiency.

なお、非特許文献1及び2を含む多くの報告では、リチウム空気二次電池の有機電解液として、LiClO、LiPF、LiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド)などのリチウム塩を、炭酸プロピレンなどの炭酸エステル系溶媒に1.0mol/l程度の濃度で溶解した溶液が用いられている。 In many reports including Non-Patent Documents 1 and 2, lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiTFSI (lithium bistrifluoromethanesulfonylimide), propylene carbonate, or the like is used as the organic electrolyte of the lithium air secondary battery. A solution dissolved in a carbonate ester solvent at a concentration of about 1.0 mol / l is used.

J. Read, Journal of The Electrochemical Society, Vol.149, pp.A1190-A1195 (2002).J. Read, Journal of The Electrochemical Society, Vol.149, pp.A1190-A1195 (2002). Aurelie Debart et al., Journal of Power Sources, Vol.174, pp.1177 (2007).Aurelie Debart et al., Journal of Power Sources, Vol.174, pp.1177 (2007).

本発明は、リチウム空気二次電池を、高容量二次電池として作動させ、低充電電圧かつ充放電の電圧差が小さく、充放電サイクルを繰り返しても放電容量低下が小さいリチウム空気二次電池を提供することを目的とする。   The present invention operates a lithium-air secondary battery as a high-capacity secondary battery, and has a low charge voltage, a small voltage difference between charge and discharge, and a small decrease in discharge capacity even after repeated charge and discharge cycles. The purpose is to provide.

本発明によるリチウム空気二次電池は、空気極、負極、並びに、前記空気極及び前記負極に接する有機電解液を含み、
前記空気極は、導電性材料、触媒及び結着剤を含み、
前記負極は、金属リチウム又はリチウム含有物質を含み、
前記有機電解液は、リチウム塩と有機溶媒を含み、
前記空気極の触媒はルテニウム酸化物を含み、かつ、前記有機電解液の有機溶媒はテトラエチレングリコールジメチルエーテルを含むことを特徴とする。
The lithium air secondary battery according to the present invention includes an air electrode, a negative electrode, and an organic electrolyte in contact with the air electrode and the negative electrode,
The air electrode includes a conductive material, a catalyst, and a binder,
The negative electrode includes metallic lithium or a lithium-containing material,
The organic electrolyte contains a lithium salt and an organic solvent,
The air electrode catalyst includes ruthenium oxide, and the organic solvent of the organic electrolyte includes tetraethylene glycol dimethyl ether.

本発明の一実施形態では、前記ルテニウム酸化物は、RuO、RuO、Ru、SrRuO又はSrRuOから選択されることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the ruthenium oxide is selected from RuO 2 , RuO 4 , Ru 2 O 3 , Sr 2 RuO 4, or SrRuO 3 .

また、本発明の一実施形態では、前記有機電解液の溶媒は、テトラエチレングリコールジメチルエーテルであることを特徴とする。本発明の別の実施形態では、前記有機電解液の有機溶媒は、第一及び第二成分を含む混合溶媒であり、前記第一成分がテトラエチレングリコールジメチルエーテルであり、前記第二成分が炭酸エステル系溶媒の少なくとも一種を含む。本実施形態では、前記混合溶媒において、炭酸エステル系溶媒の含有量が、混合溶媒の全体積に基づいて、5〜35体積%であることが好ましい。更に、本実施形態では、前記混合溶媒において、炭酸エステル系溶媒の含有量が、混合溶媒の全体積に基づいて、10〜30体積%であることがより好ましい。更に、本発明の一実施形態では、前記炭酸エステル系溶媒は、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、又は炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)から選択されることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the solvent of the organic electrolyte is tetraethylene glycol dimethyl ether. In another embodiment of the present invention, the organic solvent of the organic electrolyte solution is a mixed solvent containing a first component and a second component, the first component is tetraethylene glycol dimethyl ether, and the second component is a carbonate ester. It contains at least one kind of system solvent. In the present embodiment, in the mixed solvent, the content of the carbonate ester solvent is preferably 5 to 35% by volume based on the total volume of the mixed solvent. Furthermore, in this embodiment, in the mixed solvent, the content of the carbonate ester solvent is more preferably 10 to 30% by volume based on the total volume of the mixed solvent. Furthermore, in one embodiment of the present invention, the carbonate solvent is dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate (MBC), Diethyl carbonate (DEC), ethyl propyl carbonate (EPC), ethyl isopropyl carbonate (EIPC), ethyl butyl carbonate (EBC), dipropyl carbonate (DPC), diisopropyl carbonate (DIPC), dibutyl carbonate (DBC), ethylene carbonate (EC), It is selected from propylene carbonate (PC) or 1,2-butylene carbonate (1,2-BC).

上述した本発明のリチウム空気二次電池によって、電池性能の改善を達成することができる。   With the above-described lithium-air secondary battery of the present invention, battery performance can be improved.

本発明のリチウム空気二次電池の構成を採用することによって、低充電電圧で、かつ充放電の電圧差が小さい二次電池を提供できる。また、上記構成で、充放電サイクルを繰り返しても放電容量の低下が小さく、高エネルギー密度のリチウム空気二次電池を供することが可能となる。そして、このような優れた特性を有するリチウム空気二次電池は、電気自動車、スマートフォン等のモバイル機器といった、電気機器を含めた各種駆動系の駆動時間を大幅に延長することができる。   By adopting the configuration of the lithium-air secondary battery of the present invention, it is possible to provide a secondary battery with a low charging voltage and a small voltage difference between charging and discharging. Further, with the above configuration, even when the charge / discharge cycle is repeated, the reduction in discharge capacity is small, and a high energy density lithium-air secondary battery can be provided. And the lithium air secondary battery which has such an outstanding characteristic can extend the drive time of various drive systems including electric equipments, such as mobile devices, such as an electric vehicle and a smart phone, significantly.

本発明によるリチウム空気二次電池の概略図である。1 is a schematic view of a lithium air secondary battery according to the present invention. 実施例において測定に用いたリチウム空気二次電池の構造を示すための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for showing the structure of the lithium air secondary battery used for measurement in an example. 実施例1のリチウム空気二次電池の初回の充放電曲線を示すグラフである。2 is a graph showing an initial charge / discharge curve of the lithium-air secondary battery of Example 1. FIG.

以下に、図面を参照しつつ、本願に係るリチウム空気二次電池の一実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of a lithium-air secondary battery according to the present application will be described in detail with reference to the drawings.

[リチウム空気二次電池の構成]
本発明に係るリチウム空気二次電池100は、図1に示されるように、空気極102、負極104及び有機電解質106を少なくとも含み、前記空気極102が正極として機能する。
[Configuration of lithium-air secondary battery]
As shown in FIG. 1, the lithium-air secondary battery 100 according to the present invention includes at least an air electrode 102, a negative electrode 104, and an organic electrolyte 106, and the air electrode 102 functions as a positive electrode.

より具体的には、前記空気極102は、触媒、導電性材料及び結着剤を構成要素に含むことができる。負極104は金属リチウム又はリチウムイオンを放出及び吸収することができるリチウム含有合金などの物質を構成要素とすることができる。また、これらの空気極と負極との間に有機電解液が配置されうる。   More specifically, the air electrode 102 may include a catalyst, a conductive material, and a binder as components. The negative electrode 104 can be composed of a material such as a lithium-containing alloy capable of releasing and absorbing metallic lithium or lithium ions. Moreover, an organic electrolyte solution can be disposed between the air electrode and the negative electrode.

以下に上記の各構成要素について説明する。なお、本明細書において、電解液とは、電解質が液体形態である場合をいう。   Each of the above components will be described below. In the present specification, the electrolytic solution refers to a case where the electrolyte is in a liquid form.

(I)空気極(正極)
本発明では、前記空気極は、触媒、導電性材料、結着剤等を含むことができる。
(I) Air electrode (positive electrode)
In the present invention, the air electrode may include a catalyst, a conductive material, a binder, and the like.

(I−1)触媒
本発明のリチウム空気二次電池では、空気極の触媒としてルテニウム酸化物を含む。特に、前記空気極は、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)の両反応に対して高活性な酸化ルテニウム(RuO)を電極触媒として含むことが好ましい。酸化ルテニウムを含むことで、本発明のリチウム空気二次電池は、二次電池としての性能を高めることができる。
(I-1) Catalyst In the lithium air secondary battery of the present invention, ruthenium oxide is included as a catalyst for the air electrode. In particular, the air electrode preferably contains ruthenium oxide (RuO 2 ), which is highly active for both oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) reactions, as an electrode catalyst. By including ruthenium oxide, the lithium air secondary battery of the present invention can enhance the performance as a secondary battery.

本発明のリチウム二次電池の空気極では、電解液/電極触媒/ガス(酸素)の三相部分において、電極反応が進行する。即ち、空気極102中に有機電解液106が浸透し、同時に大気中の酸素ガスが供給され、電解液−電極触媒−ガス(酸素)が共存する三相部位が形成される。前記電極触媒が高活性であれば、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)がスムーズに進行し、電池性能は大きく向上することになる。   In the air electrode of the lithium secondary battery of the present invention, the electrode reaction proceeds in the three-phase portion of electrolyte / electrode catalyst / gas (oxygen). That is, the organic electrolyte solution 106 penetrates into the air electrode 102, and oxygen gas in the atmosphere is supplied at the same time, so that a three-phase site where electrolyte solution-electrode catalyst-gas (oxygen) coexists is formed. If the electrode catalyst is highly active, oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) proceed smoothly and battery performance is greatly improved.

空気極での反応は次のように表すことができる。
2Li+(1/2)O+2e → LiO (1)
2Li+O+2e → Li (2)
The reaction at the air electrode can be expressed as follows.
2Li + + (1/2) O 2 + 2e → Li 2 O (1)
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (2)

上式中のリチウムイオン(Li)は、負極から電気化学的酸化により有機電解液中に溶解し、この有機電解液中を空気極表面まで移動してきたものである。また、酸素(O)は、大気(空気)中から空気極内部に取り込まれたものである。なお、負極から溶解する材料(Li)、空気極で析出する材料(LiO)、及び空気(O)を図1の構成要素と共に示した。 Lithium ions (Li + ) in the above formula are dissolved in the organic electrolytic solution from the negative electrode by electrochemical oxidation, and move through the organic electrolytic solution to the air electrode surface. Oxygen (O 2 ) is taken into the air electrode from the atmosphere (air). The material that dissolves from the negative electrode (Li +), the material to be deposited at the cathode (LiO 2), and showed air (O 2) together with the components of FIG.

空気極(正極)の電極触媒として好ましい酸化ルテニウム(RuO)中のルテニウムは、+4、+3などの価数を有するイオンで存在しうる。また、酸化ルテニウムを合成する際の条件によっては、酸化ルテニウム内に酸素を取り込むことができる空孔(本明細書では酸素空孔とも称する)が存在する場合もある。 Ruthenium in ruthenium oxide (RuO 2 ), which is preferable as an electrode catalyst for the air electrode (positive electrode), can exist as ions having a valence of +4, +3, and the like. Further, depending on conditions for the synthesis of ruthenium oxide, there may be a vacancy (also referred to as an oxygen vacancy in this specification) capable of taking oxygen into the ruthenium oxide.

このような酸化ルテニウムは、正極活物質である酸素との相互作用が強いので、多くの酸素種を酸化ルテニウム表面上に吸着でき、又は酸素空孔内に酸素種を吸蔵することができる。   Since such ruthenium oxide has a strong interaction with oxygen which is a positive electrode active material, many oxygen species can be adsorbed on the surface of ruthenium oxide, or oxygen species can be occluded in oxygen vacancies.

このように、酸化ルテニウム表面上に吸着された、又は酸素空孔内に吸蔵された酸素種は、上記式(1)及び式(2)の酸素源(活性な中間反応体)として酸素還元反応に使用され、上記反応が容易に進むようになる。また、式(1)及び式(2)の逆反応である充電反応に対しても、上記の酸化ルテニウムは活性を有している。従って、電池の充電、つまり、空気極上での酸素発生反応も効率よく進行する。このように、酸化ルテニウムは、電極触媒として有効に機能する。   Thus, the oxygen species adsorbed on the surface of ruthenium oxide or occluded in the oxygen vacancies is used as an oxygen source (active intermediate reactant) of the above formulas (1) and (2) for the oxygen reduction reaction. The above reaction can easily proceed. Moreover, said ruthenium oxide has activity also with respect to the charging reaction which is a reverse reaction of Formula (1) and Formula (2). Therefore, charging of the battery, that is, the oxygen generation reaction on the air electrode proceeds efficiently. Thus, ruthenium oxide functions effectively as an electrode catalyst.

本発明のリチウム空気二次電池では、電池の効率を上げるために、電極反応を引き起こす反応部位(上記の電解液/電極触媒/空気(酸素)の三相部分)がより多く存在することが望ましい。このような観点から、本発明では、上述の三相部位が電極触媒表面に多量に存在することが重要であり、使用する触媒は比表面積が高いことが望ましい。本発明では、例えば酸化ルテニウムは、比表面積が30m/g以上であることが好適である。 In the lithium-air secondary battery of the present invention, in order to increase the efficiency of the battery, it is desirable that there are more reaction sites (the above-described three-phase portion of electrolyte / electrode catalyst / air (oxygen)) that cause an electrode reaction. . From this point of view, in the present invention, it is important that the above-mentioned three-phase sites are present in a large amount on the surface of the electrode catalyst, and it is desirable that the catalyst used has a high specific surface area. In the present invention, for example, ruthenium oxide preferably has a specific surface area of 30 m 2 / g or more.

本発明で好ましく使用される酸化ルテニウムは、各種方法で入手することができる。例えば、酸化ルテニウムは、固相法や液相法などの公知のプロセスを用いる、各種合成法で得ることができる。   The ruthenium oxide preferably used in the present invention can be obtained by various methods. For example, ruthenium oxide can be obtained by various synthetic methods using known processes such as a solid phase method and a liquid phase method.

例えば、ルテニウムの金属塩化物(RuCl)や金属硝酸塩[Ru(NO]を用いる液相法により酸化ルテニウム前駆体を調製し、次いでこの前駆体を熱処理する方法を挙げることができる。本発明では、この液相法を含む方法で酸化ルテニウムを調製することが望ましい。液相法の具体的な手順は、水溶液を蒸発乾固する方法、前記水溶液にアルカリ水溶液を滴下する沈殿法、ルテニウム金属のアルコキシドを加水分解する方法などに代表されるものがある。 For example, a method of preparing a ruthenium oxide precursor by a liquid phase method using a metal chloride of ruthenium (RuCl 3 ) or a metal nitrate [Ru (NO 3 ) 3 ] and then heat-treating this precursor can be mentioned. In the present invention, it is desirable to prepare ruthenium oxide by a method including this liquid phase method. Specific procedures of the liquid phase method include a method in which an aqueous solution is evaporated to dryness, a precipitation method in which an alkaline aqueous solution is dropped into the aqueous solution, and a method in which a ruthenium metal alkoxide is hydrolyzed.

次に、液相法で得られた酸化ルテニウム前駆体を熱処理する。液相法で得られた酸化ルテニウム前駆体は、多くの場合、結晶化が進んでいないためアモルファス状態である。このアモルファス状態の前駆体を100℃以上の温度で熱処理を行うことにより、結晶性の酸化ルテニウムを得ることができる。このようにして得られた酸化ルテニウムは、本発明のリチウム空気二次電池の空気極の電極触媒として用いた場合においても高い性能を示す。   Next, the ruthenium oxide precursor obtained by the liquid phase method is heat-treated. In many cases, the ruthenium oxide precursor obtained by the liquid phase method is in an amorphous state because crystallization has not progressed. Crystalline ruthenium oxide can be obtained by heat-treating this amorphous precursor at a temperature of 100 ° C. or higher. The ruthenium oxide thus obtained exhibits high performance even when used as an electrode catalyst for the air electrode of the lithium-air secondary battery of the present invention.

ここで、上述したように、本発明では、酸化ルテニウムの比表面積は、30m/g以上であることが好ましいが、これは、液相法で酸化ルテニウムを調製した場合、熱処理後の値である。 Here, as described above, in the present invention, the specific surface area of ruthenium oxide is preferably 30 m 2 / g or more, but this is a value after heat treatment when ruthenium oxide is prepared by a liquid phase method. is there.

なお、熱処理により製造した酸化ルテニウムは、その比表面積が著しく低下し、10m/g程度しか得られない場合がある。特に高温で焼成した場合に比表面積が低下する。このような比表面積の低下を防ぐため、上記のアモルファス前駆体を上述の通り100℃以上の温度で熱処理することが好ましく、100〜200℃程度の比較的低温で熱処理を行うことがより好ましい。また、この熱処理の時間は、0.5〜24時間、好ましくは1〜5時間である。このような温度範囲及び処理時間の熱処理で、比表面積の高い酸化ルテニウムを得ることができる。即ち、アモルファス状態の酸化ルテニウム前駆体を比較的低温で熱処理して得られた酸化ルテニウム粉末は、焼結がほとんど進んでいないため、結晶性は低いものの、ナノサイズの微結晶状態であり、100m/g程度の非常に大きな比表面積を有することができる。従って、本発明の電極触媒として用いた場合、触媒として好適であり、優れた電池性能を実現することができる。 In addition, the specific surface area of ruthenium oxide produced by heat treatment is significantly reduced, and only about 10 m 2 / g may be obtained. In particular, the specific surface area decreases when fired at a high temperature. In order to prevent such a decrease in specific surface area, the amorphous precursor is preferably heat-treated at a temperature of 100 ° C. or higher as described above, and more preferably heat-treated at a relatively low temperature of about 100 to 200 ° C. Moreover, the time of this heat processing is 0.5 to 24 hours, Preferably it is 1 to 5 hours. Ruthenium oxide having a high specific surface area can be obtained by heat treatment in such a temperature range and treatment time. That is, the ruthenium oxide powder obtained by heat-treating an amorphous ruthenium oxide precursor at a relatively low temperature is hardly sintered, and thus has a low crystallinity, but is in a nano-sized microcrystalline state, and is 100 m. It can have a very large specific surface area of about 2 / g. Therefore, when used as an electrode catalyst of the present invention, it is suitable as a catalyst and can realize excellent battery performance.

本発明では、空気極の触媒は、上記酸化ルテニウム(RuO)以外に、他のルテニウム酸化物、例えば、四酸化ルテニウム(RuO)、Ru等を使用することができる。或いは、SrRuO、SrRuOなどのルテニウムを含む金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書において、上記酸化ルテニウム、四酸化ルテニウム(RuO)、Ru等、ルテニウムを含む金属酸化物を総称して「ルテニウム酸化物」と称する。更に、ルテニウム自体に関しては、その同位体も使用することができる。本発明のリチウム二次電池では、空気極の触媒として、低温での合成が可能な酸化ルテニウム(RuO)が好適である。 In the present invention, in addition to the ruthenium oxide (RuO 2 ), other ruthenium oxides such as ruthenium tetroxide (RuO 4 ) and Ru 2 O 3 can be used as the air electrode catalyst. Alternatively, a metal oxide containing ruthenium such as Sr 2 RuO 4 or SrRuO 3 can be used. In this specification, metal oxides containing ruthenium such as ruthenium oxide, ruthenium tetroxide (RuO 4 ), Ru 2 O 3 and the like are collectively referred to as “ruthenium oxide”. Furthermore, with respect to ruthenium itself, its isotopes can also be used. In the lithium secondary battery of the present invention, ruthenium oxide (RuO 2 ) that can be synthesized at a low temperature is suitable as a catalyst for the air electrode.

(I−2)導電性材料
本発明では、空気極に導電性材料を含むことができる。導電性材料には、例えばカーボンを例示することができる。具体的には、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類、活性炭類、グラファイト類、カーボン繊維類などを挙げることができる。空気極中で反応部位を十分に確保するために、カーボンは比表面積が大きなものが適している。具体的には、BET比表面積で300m/g以上の値を有しているものが望ましい。これらのカーボンは、例えば市販品として、又は公知の合成により入手することが可能である。
(I-2) Conductive material In this invention, a conductive material can be included in an air electrode. An example of the conductive material is carbon. Specific examples include carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, activated carbons, graphites, and carbon fibers. In order to secure sufficient reaction sites in the air electrode, carbon having a large specific surface area is suitable. Specifically, a material having a BET specific surface area of 300 m 2 / g or more is desirable. These carbons can be obtained, for example, as commercial products or by known synthesis.

本発明のリチウム空気二次電池では、上述のように、空気極に使用する触媒及びカーボンの比表面積は、所定の値を有することが望ましい。本発明では、比表面積の測定は、市販の装置を用いて行うことができる。例えば、比表面積は、市販の測定装置を用いて、液体窒素を冷却媒として使用するような手順で測定することができる。   In the lithium air secondary battery of the present invention, as described above, it is desirable that the specific surface area of the catalyst and carbon used for the air electrode have a predetermined value. In the present invention, the specific surface area can be measured using a commercially available apparatus. For example, the specific surface area can be measured by a procedure using liquid nitrogen as a cooling medium using a commercially available measuring device.

(I−3)結着剤(バインダー)
空気極は結着剤(バインダー)を含むことができる。この結着剤は、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴムなどを例として挙げることができる。これらの結着剤は、粉末として又は分散液として用いることができる。
(I-3) Binder (binder)
The air electrode can contain a binder (binder). The binder is not particularly limited, and examples thereof include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and styrene butadiene rubber. These binders can be used as a powder or as a dispersion.

(I−4)空気極の調製
空気極は以下のように調製することができる。触媒であるルテニウム酸化物粉末、カーボン粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなバインダー粉末を混合し、この混合物をチタンメッシュ等の支持体上に圧着することにより、空気極を成形することができる。また、前述の混合物を有機溶剤等の溶媒中に分散してスラリー状にして、金属メッシュ又はカーボンクロスやカーボンシート上に塗布し乾燥することによって、空気極を形成することができる。
(I-4) Preparation of air electrode An air electrode can be prepared as follows. An air electrode can be formed by mixing a catalyst such as ruthenium oxide powder, carbon powder and a binder powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and pressing the mixture onto a support such as a titanium mesh. it can. Moreover, an air electrode can be formed by disperse | distributing the above-mentioned mixture in solvents, such as an organic solvent, and making it into a slurry form, apply | coating on a metal mesh or a carbon cloth, or a carbon sheet, and drying.

本発明のリチウム空気二次電池において、空気極中での触媒含有量は、1〜50重量%、より好ましくは5〜30重量%であることが望ましい。   In the lithium air secondary battery of the present invention, the catalyst content in the air electrode is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight.

また、電極の強度を高め電解液の漏洩を防止するために、冷間プレスだけでなく、ホットプレスを適用することによっても、より安定性に優れた空気極を作製することができる。   Moreover, in order to increase the strength of the electrode and prevent leakage of the electrolytic solution, it is possible to produce a more stable air electrode by applying not only a cold press but also a hot press.

空気極は、これを構成する電極の片面は大気に曝され、もう一方の面は電解液と接する。   In the air electrode, one surface of the electrode constituting the air electrode is exposed to the atmosphere, and the other surface is in contact with the electrolytic solution.

(II)負極
本発明のリチウム空気二次電池は、負極に負極活物質を含む。この負極活性物質は、リチウム二次電池の負極材料として用いることができる材料であれば特に制限されない。例えば、金属リチウムを挙げることができる。或いは、リチウム含有物質として、リチウムイオンを放出及び吸蔵することができる物質である、リチウムと、シリコン又はスズとの合金、或いはLi2.6Co0.4Nなどのリチウム窒化物を例として挙げることができる。
(II) Negative Electrode The lithium air secondary battery of the present invention contains a negative electrode active material in the negative electrode. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can be used as a negative electrode material for a lithium secondary battery. For example, metallic lithium can be mentioned. Alternatively, examples of the lithium-containing substance include lithium and silicon or tin alloy, or lithium nitride such as Li 2.6 Co 0.4 N, which is a substance that can release and occlude lithium ions. be able to.

なお、上記のシリコン又はスズの合金を負極として用いる場合、負極を合成する時にリチウムを含まないシリコン又はスズなどを用いることもできる。しかし、この場合には、空気電池の作製に先立って、化学的手法又は電気化学的手法(例えば、電気化学セルを組んで、リチウムとシリコン又はスズとの合金化を行う方法)によって、シリコン又はスズが、リチウムを含む状態にあるように処理しておく必要がある。具体的には、作用極にシリコン又はスズを含み、対極にリチウムを用い、有機電解液中で還元電流を流すことによって合金化を行う等の処理をしておくことが好ましい。   In addition, when using said silicon or tin alloy as a negative electrode, the silicon | silicone or tin etc. which do not contain lithium can also be used when synthesize | combining a negative electrode. However, in this case, prior to the production of the air battery, a chemical method or an electrochemical method (for example, a method in which an electrochemical cell is assembled and lithium and silicon or tin are alloyed) is used to form silicon or silicon. It is necessary to treat so that tin is in a state containing lithium. Specifically, it is preferable that the working electrode contains silicon or tin, the counter electrode is lithium, and a treatment such as alloying is performed by flowing a reducing current in the organic electrolyte.

本発明のリチウム空気二次電池の負極は、公知の方法で形成することができる。例えば、リチウム金属を負極とする場合には、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形することで、負極を作製すればよい。   The negative electrode of the lithium air secondary battery of the present invention can be formed by a known method. For example, when lithium metal is used as the negative electrode, the negative electrode may be produced by stacking a plurality of metal lithium foils into a predetermined shape.

ここで、放電時の負極(金属リチウム)の反応は以下のように表すことができる。   Here, the reaction of the negative electrode (metallic lithium) during discharge can be expressed as follows.

(放電反応)
Li→Li+e (3)
(Discharge reaction)
Li → Li + + e (3)

なお、充電時の負極においては、式(3)の逆反応であるリチウムの析出反応が起こる。   In addition, in the negative electrode at the time of charge, the lithium precipitation reaction which is the reverse reaction of Formula (3) occurs.

(III)電解質(有機電解液)
本発明のリチウム空気二次電池は電解質を含む。この電解質は、空気極(正極)及び負極間でリチウムイオンの移動が可能なものであればよい。本発明では、リチウムイオンを含む金属塩を適切な溶媒に溶解した有機電解液を使用することができる。具体的には、溶質の金属塩には、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、過塩素酸リチウム(LiClO)、LiTFSI[(CFSONLi]などを挙げることができる。また、溶媒は、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)又はこれを少なくとも含む混合溶媒を挙げることができる。
(III) Electrolyte (organic electrolyte)
The lithium air secondary battery of the present invention includes an electrolyte. This electrolyte should just be what can move a lithium ion between an air electrode (positive electrode) and a negative electrode. In the present invention, an organic electrolytic solution in which a metal salt containing lithium ions is dissolved in an appropriate solvent can be used. Specific examples of the solute metal salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and LiTFSI [(CF 3 SO 2 ) 2 NLi]. Examples of the solvent include tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) or a mixed solvent containing at least this.

本発明では、電解質(有機電解液)の溶媒は、TEGDMEを少なくとも含む。本発明の一実施形態では、有機電解液の溶媒は、TEGDMEの単独溶媒である。別の実施形態では、有機電解液の溶媒は、第一成分としてTEGDMEを含み、第二成分として炭酸エステル系溶媒を少なくとも1種含む。炭酸エステル系溶媒は、例えば、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)などを用いることができる。本発明では、EC、PC、DMC等の炭酸エステル系溶媒が特に望ましい。   In the present invention, the solvent of the electrolyte (organic electrolyte solution) includes at least TEGDME. In one embodiment of the present invention, the solvent of the organic electrolyte is a single solvent for TEGDME. In another embodiment, the solvent of the organic electrolyte includes TEGDME as the first component and at least one carbonate ester solvent as the second component. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate (MBC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl propyl carbonate. (EPC), ethyl isopropyl carbonate (EIPC), ethyl butyl carbonate (EBC), dipropyl carbonate (DPC), diisopropyl carbonate (DIPC), dibutyl carbonate (DBC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), carbonic acid 1, 2-butylene (1,2-BC) or the like can be used. In the present invention, carbonate ester solvents such as EC, PC, DMC are particularly desirable.

本発明では、TEGDMEと炭酸エステル系溶媒の混合割合は、混合溶媒全体の体積を基準にして、好ましくは5〜35体積%、より好ましくは10〜30体積%の炭酸エステル系溶媒を含む。本発明では、10〜30体積%の割合で炭酸エステル系溶媒を含むことで、TEGDME単独の場合よりも更に電池の性能を改善することができる。   In the present invention, the mixing ratio of TEGDME and the carbonate ester solvent preferably includes 5 to 35% by volume, more preferably 10 to 30% by volume of the carbonate ester solvent based on the total volume of the mixed solvent. In this invention, the performance of a battery can be improved further by containing a carbonate ester solvent at a rate of 10 to 30% by volume, compared with the case of TEGDME alone.

(IV)他の要素
本発明のリチウム空気二次電池は、上記構成要素に加え、セパレータ、電池ケース、金属メッシュ(例えばチタンメッシュ)などの構造部材、その他のリチウム空気二次電池に要求される要素を含むことができる。これらは、従来公知のものを使用することができる。
(IV) Other Elements The lithium air secondary battery of the present invention is required for structural members such as separators, battery cases, metal meshes (for example, titanium mesh), and other lithium air secondary batteries in addition to the above components. Can contain elements. Conventionally known ones can be used.

以下に添付図面を参照して、本発明に係るリチウム空気二次電池の実施例を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。   Embodiments of a lithium-air secondary battery according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following Example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.

(実施例1)
(酸化ルテニウムの調製)
本発明のリチウム二次電池の空気極において電極触媒として用いる酸化ルテニウム(RuO)粉末は、以下のようにして合成した。
Example 1
(Preparation of ruthenium oxide)
Ruthenium oxide (RuO 2 ) powder used as an electrode catalyst in the air electrode of the lithium secondary battery of the present invention was synthesized as follows.

市販の塩化ルテニウム(RuCl)(関東化学社製)を蒸留水に溶解し、攪拌しながら、室温で徐々に水酸化ナトリウム水溶液(1mol/l)をpH7.0になるまで徐々に滴下して、水酸化ルテニウム(アモルファス状態)の沈殿を得た。沈殿は、吸引ろ過により回収し、塩素が残留しないように、蒸留水による洗浄を5回繰り返した。得られた粉末は、大気中、100℃で12時間熱処理した。熱処理後の粉末の生成相の同定は、X線回折(XRD)測定を用いて行った。 Commercially available ruthenium chloride (RuCl 3 ) (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is dissolved in distilled water, and while stirring, an aqueous sodium hydroxide solution (1 mol / l) is gradually added dropwise until pH 7.0 is reached. A precipitate of ruthenium hydroxide (amorphous state) was obtained. The precipitate was collected by suction filtration, and washed with distilled water five times so that no chlorine remained. The obtained powder was heat-treated in air at 100 ° C. for 12 hours. The formation phase of the powder after the heat treatment was identified using X-ray diffraction (XRD) measurement.

熱処理後の粉末は、XRD測定より酸化ルテニウム(RuO、PDFファイルNo.40−1290)単相であることを確認した。なお、得られた酸化ルテニウムの比表面積は、125m/gであった。 Powder after the heat treatment, it was confirmed that ruthenium oxide than XRD measurement is (RuO 2, PDF files Nanba40-1290) single phase. In addition, the specific surface area of the obtained ruthenium oxide was 125 m < 2 > / g.

次に、得られた酸化ルテニウム(RuO)粉末を用いて空気極及びこの空気極を用いたリチウム空気二次電池セルを以下のようにして作製した。 Next, using the obtained ruthenium oxide (RuO 2 ) powder, an air electrode and a lithium-air secondary battery cell using the air electrode were produced as follows.

(空気極の調製)
酸化ルテニウム(RuO)粉末、ケッチェンブラック粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末を5:57:38の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕混合し、ロール成形して、シート状電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径23mmの円形に切り抜き、チタンメッシュ上にプレスすることにより、ガス拡散型の空気極を得た。
(Preparation of air electrode)
Ruthenium oxide (RuO 2 ) powder, ketjen black powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder in a weight ratio of 5:57:38 are sufficiently pulverized and mixed using a milling machine, roll molded, and sheet Electrode (thickness: 0.5 mm) was produced. The sheet electrode was cut into a circle having a diameter of 23 mm and pressed onto a titanium mesh to obtain a gas diffusion type air electrode.

(リチウム二次電池セルの調製)
図2に示す断面構造を有する円柱形のリチウム空気二次電池セルを作製した。図2は、リチウム空気二次電池セルの断面図である。リチウム空気電池セルは、露点が−60℃以下の乾燥空気中で、以下の手順で作製した。
(Preparation of lithium secondary battery cell)
A cylindrical lithium-air secondary battery cell having the cross-sectional structure shown in FIG. 2 was produced. FIG. 2 is a cross-sectional view of a lithium air secondary battery cell. The lithium air battery cell was produced in the following procedure in dry air having a dew point of −60 ° C. or less.

上記の方法で調整した空気極(正極)1を、PTFEで被覆された空気極支持体2の凹部に配置し、空気極固定用のPTFEリング3で固定した。なお、空気極1と空気極支持体2が接触する部分は、電気的接触をとるためにPTFEによる被覆を施さないものとした。また、空気極1と空気とが接触する電極の有効面積は2cmとした。 The air electrode (positive electrode) 1 prepared by the above method was placed in the concave portion of the air electrode support 2 covered with PTFE, and fixed with the PTFE ring 3 for fixing the air electrode. The portion where the air electrode 1 and the air electrode support 2 are in contact with each other is not covered with PTFE in order to make electrical contact. Moreover, the effective area of the electrode which the air electrode 1 and air contact was 2 cm < 2 >.

次に、空気極1と大気が接触する面とは逆の面に、リチウム二次電池用のセパレータ5を凹部の底面に配置した。続いて、図2に示すような負極固定用座金7に負極8である厚さ150μmの4枚の金属リチウム箔(有効面積:2cm)を同心円上に重ねて圧着した。続いて、負極固定用のPTFEリング6を、空気極1を設置する凹部と対向する逆の凹部に配置し、中央部に金属リチウムが圧着された負極固定用座金7を更に配置した。続いて、Oリング9を、図2に示すように正極支持体2の底部に配置した。 Next, a separator 5 for a lithium secondary battery was disposed on the bottom surface of the recess on the surface opposite to the surface where the air electrode 1 and the atmosphere contacted. Subsequently, four metal lithium foils (effective area: 2 cm 2 ) having a thickness of 150 μm as the negative electrode 8 were stacked on the concentric circle and bonded to the negative electrode fixing washer 7 as shown in FIG. Subsequently, the negative electrode fixing PTFE ring 6 was disposed in a concave portion opposite to the concave portion in which the air electrode 1 is disposed, and a negative electrode fixing washer 7 having metallic lithium bonded thereto was further disposed in the center. Subsequently, the O-ring 9 was disposed at the bottom of the positive electrode support 2 as shown in FIG.

次に、セルの内部(正極1と負極8との間)に、有機電解液10を充填し、負極支持体11を被せて、セル固定用ねじ12で、セル全体を固定した。有機電解液10は、1mol/lのLiTFSI/TEGDME溶液を用いた。   Next, the inside of the cell (between the positive electrode 1 and the negative electrode 8) was filled with the organic electrolyte solution 10, covered with the negative electrode support 11, and the entire cell was fixed with the cell fixing screws 12. As the organic electrolyte 10, a 1 mol / l LiTFSI / TEGDME solution was used.

続いて、正極端子4を正極支持体2に設置し、負極端子13を負極支持体11に設置した。   Subsequently, the positive electrode terminal 4 was installed on the positive electrode support 2, and the negative electrode terminal 13 was installed on the negative electrode support 11.

(電池性能)
以上の手順で調製したリチウム空気二次電池セルの電池性能を測定した。なお、図2に示す正極端子4及び負極端子13を、電池性能の測定試験に用いた。
(Battery performance)
The battery performance of the lithium air secondary battery cell prepared by the above procedure was measured. In addition, the positive electrode terminal 4 and the negative electrode terminal 13 shown in FIG. 2 were used for the battery performance measurement test.

電池のサイクル試験は、充放電測定システム(Bio Logic社製)を用いて、空気極1の有効面積当たりの電流密度で0.1mA/cmを通電し、開回路電圧から電池電圧が、2.0Vに低下するまで放電電圧の測定を行った。電池の充電試験は、放電時と同じ電流密度で、放電時間と同一の時間だけ行った。電池の充放電試験は、通常の生活環境下で行った。充放電容量は空気極(カーボン+酸化ルテニウム+PTFE)重量当たりの値(mAh/g)で表した。 In the battery cycle test, a charge / discharge measurement system (manufactured by Bio Logic) was used, and a current density of 0.1 mA / cm 2 per effective area of the air electrode 1 was applied. The discharge voltage was measured until the voltage dropped to 0.0V. The battery charge test was performed at the same current density as during discharge and for the same time as discharge time. The charge / discharge test of the battery was performed in a normal living environment. The charge / discharge capacity was expressed as a value (mAh / g) per weight of the air electrode (carbon + ruthenium oxide + PTFE).

初回の放電及び充電曲線を図3に示す。平均充放電電圧は、図中に示すように、全放電容量の中間値時の放電電圧及び充電電圧と定義する。表1に、本実施例の性能を、まとめて示した。   The initial discharge and charge curves are shown in FIG. As shown in the figure, the average charge / discharge voltage is defined as a discharge voltage and a charge voltage at an intermediate value of the total discharge capacity. Table 1 summarizes the performance of this example.

Figure 2015069960
Figure 2015069960

図3に示されるように、酸化ルテニウム(RuO)を空気極触媒に用いたときの平均放電電圧は2.62Vであり、初回放電容量は870mAh/gであることが分かる。また、平均放電電圧と平均充電電圧の差(ΔV)は、1.04Vであった。このΔVの値は、非特許文献1及び2で報告されたものよりも低い値であることがわかった。 As shown in FIG. 3, it can be seen that when ruthenium oxide (RuO 2 ) is used for the air electrode catalyst, the average discharge voltage is 2.62 V and the initial discharge capacity is 870 mAh / g. Moreover, the difference (ΔV) between the average discharge voltage and the average charge voltage was 1.04V. The value of ΔV was found to be lower than those reported in Non-Patent Documents 1 and 2.

放電容量のサイクル依存性を表1に示す。表1に示されるように、本実施例(実施例1)では充放電サイクルを100回繰り返しても、放電容量維持率は約80%であり、高い値を示した。   Table 1 shows the cycle dependency of the discharge capacity. As shown in Table 1, in this example (Example 1), even when the charge / discharge cycle was repeated 100 times, the discharge capacity retention rate was about 80%, indicating a high value.

(実施例2〜3)
本実施例では、電解液の有機溶媒として以下の混合溶媒を使用した例を示す。
(Examples 2-3)
In this example, an example in which the following mixed solvent is used as the organic solvent of the electrolytic solution is shown.

(実施例2):TEGDME:PC(体積比)=70:30(体積比)
(実施例3):TEGDME:EC:DMC(体積比)=70:15:15(体積比)
(Example 2): TEGDME: PC (volume ratio) = 70: 30 (volume ratio)
(Example 3): TEGDME: EC: DMC (volume ratio) = 70: 15: 15 (volume ratio)

電解液以外の条件は、全て実施例1と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。   A cell was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the electrolytic solution, and the battery performance was evaluated.

本実施例の測定結果を、表1に併せて示した。表1に示されるように、放電電圧の高電圧化及び充電電圧の低電圧化、並びに、サイクル特性の改善が実現されていることが分かる。このように、TEGDME溶媒と炭酸エステル系溶媒の混合溶媒を用いることで、本発明のリチウム空気二次電池の電池性能を更に向上できることが確認された。   The measurement results of this example are also shown in Table 1. As shown in Table 1, it can be seen that the discharge voltage is increased, the charging voltage is decreased, and the cycle characteristics are improved. Thus, it was confirmed that the battery performance of the lithium air secondary battery of the present invention can be further improved by using a mixed solvent of a TEGDME solvent and a carbonate ester solvent.

(実施例4〜7)
本実施例では、本発明による炭酸エステル系溶媒の混合割合の有効性を検証するために、TEGDME−ECの混合溶媒を評価した。本実施例では、以下の各混合溶媒を用いた。
(実施例4): TEGDME:EC(体積比)=95:5(体積比)
(実施例5): TEGDME:EC(体積比)=90:10(体積比)
(実施例6): TEGDME:EC(体積比)=70:30(体積比)
(実施例7): TEGDME:EC(体積比)=65:35(体積比)
(Examples 4 to 7)
In this example, in order to verify the effectiveness of the mixing ratio of the carbonate-based solvent according to the present invention, the mixed solvent of TEGDME-EC was evaluated. In this example, the following mixed solvents were used.
(Example 4): TEGDME: EC (volume ratio) = 95: 5 (volume ratio)
(Example 5): TEGDME: EC (volume ratio) = 90: 10 (volume ratio)
(Example 6): TEGDME: EC (volume ratio) = 70: 30 (volume ratio)
(Example 7): TEGDME: EC (volume ratio) = 65: 35 (volume ratio)

電解液以外の条件は、全て実施例1と同様にして、セルを作製し、電池性能の評価を行った。本実施例の測定結果を、表1に併せて示した。   A cell was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the electrolytic solution, and the battery performance was evaluated. The measurement results of this example are also shown in Table 1.

(結果)
実施例1で示されたように、空気極(正極)にRuOを用い、電解質の溶媒としてTEGDMEを用いることで、従来型のリチウム空気二次電池に比べ、優れた電池特性(充放電電圧、充放電容量、サイクル特性等)を実現できることが明らかとなった。
(result)
As shown in Example 1, by using RuO 2 for the air electrode (positive electrode) and using TEGDME as the electrolyte solvent, the battery characteristics (charge / discharge voltage) are superior to those of conventional lithium air secondary batteries. It was revealed that charge / discharge capacity, cycle characteristics, etc.) can be realized.

また、実施例2〜7の結果を総合すると、表1に示したように、混合溶媒中のTEGDMEに対する炭酸エステル系溶媒の体積比率が5〜35%の範囲で実施例1と同程度の電池特性を実現できることがわかる。更に、混合溶媒中のTEGDMEに対する炭酸エステル系溶媒の体積比率が10〜30%の範囲にある実施例5又は6、及び実施例2又は3において、実施例1を上回って、充放電時のエネルギー効率やサイクル特性が特に優れていることがわかる。   In addition, when the results of Examples 2 to 7 are summarized, as shown in Table 1, a battery similar to that of Example 1 in a volume ratio of the carbonate ester solvent to TEGDME in the mixed solvent is in the range of 5 to 35% It can be seen that the characteristics can be realized. Furthermore, in Example 5 or 6 and Example 2 or 3 in which the volume ratio of the carbonate ester solvent to TEGDME in the mixed solvent is in the range of 10 to 30%, the energy at the time of charging and discharging exceeds Example 1. It can be seen that the efficiency and cycle characteristics are particularly excellent.

(比較例)
本願発明に対する比較例として、空気極の触媒にマンガン酸化物(MnO)を用いた例、及び、有機電解液に公知である1mol/l LiTFSI/EC−DMC(体積比で1:1)を用いた例を以下に示す。
(Comparative example)
As a comparative example for the present invention, an example in which manganese oxide (MnO 2 ) is used as a catalyst for an air electrode, and a 1 mol / l LiTFSI / EC-DMC (1: 1 by volume) that is known as an organic electrolyte are used. The example used is shown below.

(比較例1)
空気極用の触媒として、公知であるマンガン酸化物(MnO)を用いて、リチウム空気二次電池セルを実施例1と同様にして作製した。また、マンガン酸化物(MnO)は市販試薬(関東化学社製)を用いた。触媒以外の電池の作製条件及びサイクル試験の条件は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
A lithium air secondary battery cell was produced in the same manner as in Example 1 using a known manganese oxide (MnO 2 ) as a catalyst for the air electrode. Further, manganese oxide (MnO 2) was a commercially available reagent (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.). The production conditions of the battery other than the catalyst and the conditions of the cycle test are the same as in Example 1.

(比較例2)
有機電解液として、公知である1mol/l LiTFSI/EC−DMC(体積比で1:1)を用いて、リチウム空気二次電池セルを実施例1と同様にして作製した。また、有機電解液は市販試薬(富山化学製)を用いた。有機電解液以外の電池の作製条件及びサイクル試験の条件は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 2)
A lithium air secondary battery cell was produced in the same manner as in Example 1 using 1 mol / l LiTFSI / EC-DMC (1: 1 by volume) as the organic electrolyte. Moreover, the organic electrolyte used the commercial reagent (made by Toyama Chemical). Battery fabrication conditions and cycle test conditions other than the organic electrolyte are the same as in Example 1.

上記比較例のリチウム空気二次電池の電池性能を表1に記す。表1に示されるように、いずれの比較例でも、初回放電容量は1,000mAh/gを超える大きな値であったが、充放電のサイクルを繰り返すと、放電容量は著しく減少し、100サイクル後には約100mAh/gの小さな値しか得られなかった。   The battery performance of the lithium air secondary battery of the comparative example is shown in Table 1. As shown in Table 1, in any of the comparative examples, the initial discharge capacity was a large value exceeding 1,000 mAh / g. However, when the charge / discharge cycle was repeated, the discharge capacity decreased significantly, and after 100 cycles. Only a small value of about 100 mAh / g was obtained.

これらの比較例と比べ、本発明によるリチウム空気電池は優れた性能を有することは明らかである。   Compared to these comparative examples, it is clear that the lithium-air battery according to the present invention has excellent performance.

以上の結果より、本発明のリチウム空気二次電池の触媒及び有機溶媒の組み合わせが、優れた電池性能の実現に大きく寄与していることが示された。ここで、二種類の溶媒を組み合わせることにより特に特性がよくなる理由は明確ではないが、誘電率が高い炭酸エステル溶媒によりLi塩のイオンへの解離が促進されることが考えられる。また、炭酸エステルの比率が増えすぎると、TEGDMEによる電池特性の改善の効果が減少してしまい、特性が低下するものと考えられる。   From the above results, it was shown that the combination of the catalyst and the organic solvent of the lithium-air secondary battery of the present invention greatly contributed to the realization of excellent battery performance. Here, the reason why the characteristics are particularly improved by combining two kinds of solvents is not clear, but it is considered that dissociation of Li salt into ions is promoted by a carbonate ester solvent having a high dielectric constant. Moreover, when the ratio of carbonate ester increases too much, the effect of the battery characteristic improvement by TEGDME will decrease, and it will be thought that a characteristic falls.

本発明では特に、空気極の触媒として酸化ルテニウムを用い、有機電解液としてテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)単独、又は、TEGDME及び炭酸エステル系溶媒の少なくとも一種を含む混合溶媒(例えば、炭酸エステル系溶媒の含有量が混合溶媒の全体積に基づいて5〜35体積%)を併用することで、電池性能の改善を実現できる。また、このような構成において、前記有機電解液として、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)及び炭酸エステル系溶媒の少なくとも一種を含む混合溶媒、特に、炭酸エステル系溶媒の含有量が混合溶媒の全体積を基準にして10〜30体積%のものを用いることで、更なる電池性能の改善が達成できる。   In the present invention, in particular, ruthenium oxide is used as an air electrode catalyst, and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) alone or a mixed solvent containing at least one of TEGDME and a carbonate ester solvent as an organic electrolyte (for example, a carbonate ester solvent). The battery performance can be improved by using together 5 to 35% by volume based on the total volume of the mixed solvent. In such a configuration, as the organic electrolyte, a mixed solvent containing at least one of tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and a carbonate ester solvent, in particular, the content of the carbonate ester solvent is the total volume of the mixture solvent. By using 10 to 30% by volume of the standard, further improvement in battery performance can be achieved.

本発明によるリチウム空気電池の構成を用いることにより、低充電電圧で作動し、充放電サイクル性能に優れた高エネルギー密度・リチウム空気二次電池を作製することができ、電気自動車や様々な電子機器の駆動源として有効利用することができる。   By using the configuration of the lithium-air battery according to the present invention, it is possible to produce a high energy density / lithium-air secondary battery that operates at a low charge voltage and has excellent charge / discharge cycle performance. It can be effectively used as a drive source.

1 空気極(正極)
2 正極支持体(PTFE被覆)
3 正極固定用リング(PTFEリング)
4 空気極端子
5 セパレータ
6 負極固定用リング(PTFEリング)
7 負極固定用座金
8 負極
9 Oリング
10 有機電解液
11 負極支持体
12 セル固定ねじ(PTFE被覆)
13 負極端子
100 リチウム空気二次電池
102 空気極
104 負極
106 有機電解質
1 Air electrode (positive electrode)
2 Positive electrode support (PTFE coating)
3 Positive electrode fixing ring (PTFE ring)
4 Air electrode terminal 5 Separator 6 Negative electrode fixing ring (PTFE ring)
7 Washer for fixing negative electrode 8 Negative electrode 9 O-ring 10 Organic electrolyte 11 Negative electrode support 12 Cell fixing screw (PTFE coating)
13 Negative terminal 100 Lithium air secondary battery 102 Air electrode 104 Negative electrode 106 Organic electrolyte

Claims (7)

空気極、負極及び前記空気極と前記負極に接する有機電解液を含むリチウム空気二次電池であって、
前記空気極は、導電性材料、触媒及び結着剤を含み、
前記負極は、金属リチウム又はリチウム含有物質を含み、
前記有機電解液は、リチウム塩と有機溶媒を含み、
前記空気極の触媒はルテニウム酸化物を含み、かつ、前記有機電解液の有機溶媒はテトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む
ことを特徴とするリチウム空気二次電池。
A lithium-air secondary battery comprising an air electrode, a negative electrode, and an organic electrolyte in contact with the air electrode and the negative electrode,
The air electrode includes a conductive material, a catalyst, and a binder,
The negative electrode includes metallic lithium or a lithium-containing material,
The organic electrolyte contains a lithium salt and an organic solvent,
The lithium air secondary battery, wherein the air electrode catalyst includes ruthenium oxide, and the organic solvent of the organic electrolyte includes tetraethylene glycol dimethyl ether.
前記ルテニウム酸化物が、RuO、RuO、Ru、SrRuO又はSrRuOから選択されることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム空気二次電池。 2. The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the ruthenium oxide is selected from RuO 2 , RuO 4 , Ru 2 O 3 , Sr 2 RuO 4, or SrRuO 3 . 前記有機電解液の溶媒が、テトラエチレングリコールジメチルエーテルであることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the solvent of the organic electrolyte is tetraethylene glycol dimethyl ether. 前記有機電解液の有機溶媒は、第一及び第二成分を含む混合溶媒であり、前記第一成分がテトラエチレングリコールジメチルエーテルであり、前記第二成分が炭酸エステル系溶媒の少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム空気二次電池。   The organic solvent of the organic electrolyte is a mixed solvent containing a first and a second component, the first component is tetraethylene glycol dimethyl ether, and the second component contains at least one carbonate ester solvent. The lithium-air secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記混合溶媒において、炭酸エステル系溶媒の含有量が、混合溶媒の全体積に基づいて、5〜35体積%であることを特徴とする請求項4に記載のリチウム空気二次電池。   5. The lithium air secondary battery according to claim 4, wherein the content of the carbonate ester solvent in the mixed solvent is 5 to 35% by volume based on the total volume of the mixed solvent. 前記混合溶媒において、炭酸エステル系溶媒の含有量が、混合溶媒の全体積に基づいて、10〜30体積%であることを特徴とする請求項4に記載のリチウム空気二次電池。   5. The lithium air secondary battery according to claim 4, wherein the content of the carbonate ester solvent in the mixed solvent is 10 to 30% by volume based on the total volume of the mixed solvent. 前記炭酸エステル系溶媒が、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、又は炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)から選択されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のリチウム空気二次電池。   The carbonate solvent is dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate (MBC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propyl carbonate ( EPC), ethyl isopropyl carbonate (EIPC), ethyl butyl carbonate (EBC), dipropyl carbonate (DPC), diisopropyl carbonate (DIPC), dibutyl carbonate (DBC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), or carbonic acid 1, The lithium-air secondary battery according to any one of claims 4 to 6, wherein the lithium-air secondary battery is selected from 2-butylene (1,2-BC).
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