JP2015122295A - Lithium air battery and negative electrode composite for lithium air battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact lithium air battery that can be suppressed from extremely increasing in size compared with a conventional air battery even if increasing energy density and input/output density and a negative electrode composite for the lithium air battery.SOLUTION: A lithium air battery 1 comprises: a negative electrode composite 8A which comprises a plate-shaped or line-shaped negative electrode collector 5, two plate-shaped negative electrode layers 15 that are made of alloy mainly composed of metal lithium and lithium or of a chemical substance mainly composed of lithium and pinch a part of the negative electrode collector 5, two plate-shaped isolation layers 12 having lithium ion conductivity that sandwich the whole of the two negative electrode layers 15 and gaskets 18 that are arranged between the two isolation layers 12 to surround the two negative electrode layers 15 and seal a space between the two isolation layers 12; and an air electrode 9 that comprises an air electrode layer 13 which contains a conductive material and opposes to at least either one of the two isolation layers and a plate-shaped or line-shaped air electrode collector 6 electrically connected to the air electrode layer 13.

Description

本発明は、リチウム空気電池、およびリチウム空気電池の負極複合体に関する。   The present invention relates to a lithium-air battery and a negative electrode composite of the lithium-air battery.

電気自動車の普及のために、リチウムイオン電池よりもはるかに大きいエネルギー密度を有する空気電池に期待が寄せられている。空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に使用する。   Due to the widespread use of electric vehicles, there are expectations for air batteries having a much higher energy density than lithium ion batteries. The air battery uses oxygen in the air as a positive electrode active material.

ところで、負極活物質に金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物を使用するリチウム空気電池が知られている。電解質の種類に着目すると、リチウム空気電池は水溶液系電解質と、非水系電解質との2つに大別される。非水系電解質のリチウム空気電池は、空気極以外についてリチウムイオン電池の技術を利用できるために研究開発の主流となっている。   By the way, a lithium-air battery that uses metallic lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component is known as an anode active material. Focusing on the type of electrolyte, lithium-air batteries are broadly divided into two types: aqueous electrolytes and nonaqueous electrolytes. Non-aqueous electrolyte lithium-air batteries have become the mainstream of research and development because they can utilize the technology of lithium-ion batteries other than the air electrode.

他方、未だ少数ではあるが、水溶液系電解質のリチウム空気電池の研究開発も進められている。水溶液系電解質のリチウム空気電池は、非水系電解質のリチウム空気電池に比べて、空気中の水分の影響を受けない、電解質が安価かつ不燃である等の長所がある。ただし、負極活物質である金属リチウムは、直接酸素や水に接触すると反応してしまう。そこで、水溶液系電解質のリチウム空気電池では、金属リチウムを大気や水溶液から保護するために、リチウムイオン伝導性固体電解質などの保護層を設ける必要があった。   On the other hand, research and development of an aqueous electrolyte-based lithium-air battery is also in progress, although the number is still small. Compared to lithium water batteries of non-aqueous electrolytes, lithium air batteries of aqueous electrolytes have advantages such as being not affected by moisture in the air and being inexpensive and non-combustible. However, metallic lithium, which is a negative electrode active material, reacts when directly in contact with oxygen or water. Therefore, in an aqueous electrolyte-type lithium-air battery, it is necessary to provide a protective layer such as a lithium ion conductive solid electrolyte in order to protect metallic lithium from the atmosphere or an aqueous solution.

そこで、板形状の金属リチウムの一面にポリマー電解質の緩衝層を形成し、ポリマー電解質の緩衝層の一面を、リチウムイオン伝導性(リチウムイオン電導性、リチウムイオン導電性とも表記する。)を有する耐水層としてのガラスセラミックスで覆った負極複合体を備えるリチウム空気電池が知られている(例えば、特許文献1、および非特許文献1参照。)。   Therefore, a buffer layer of a polymer electrolyte is formed on one surface of the plate-shaped metallic lithium, and the one surface of the buffer layer of the polymer electrolyte is water resistant having lithium ion conductivity (also expressed as lithium ion conductivity or lithium ion conductivity). A lithium air battery including a negative electrode composite covered with glass ceramics as a layer is known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

特開2010−192313号公報JP 2010-192313 A

武田保雄、今西誠之、山本治、「水溶液系リチウム/空気電池の現状と課題」、GS Yuasa Technical Report、2010年6月、第7巻、第1号、p.1−6Yasuo Takeda, Masayuki Imanishi, Osamu Yamamoto, “Current Status and Problems of Aqueous Lithium / Air Battery”, GS Yuasa Technical Report, June 2010, Vol. 7, No. 1, p. 1-6

特許文献1、および非特許文献1に記載の従来の空気電池は、1つの空気極の一面を1つの負極複合体の一面に正対させて容器やラミネートフィルムに封入している。これら従来の空気電池は、入出力密度(重量あたりの出力)を増加させる場合、同じ構造の空気電池を単純に多数使用する、または同じ構造の空気電池を単純に大きくすることになる。しかし、同じ構造の空気電池を単純に多数使用する、または同じ構造の空気電池を単純に大きくする態様は、必要な空気電池の搭載スペースを非効率かつ大幅に増加させるため、電気自動車に搭載する場合等、現実的には採用し難い。   In the conventional air battery described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, one surface of one air electrode faces one surface of one negative electrode composite and is enclosed in a container or a laminate film. When these input / output densities (output per weight) are increased, these conventional air batteries simply use a large number of air batteries having the same structure, or simply increase the size of the air battery having the same structure. However, simply using a large number of air batteries with the same structure or simply increasing the size of the air battery with the same structure is installed in an electric vehicle in order to increase the required air battery mounting space inefficiently and greatly. In some cases, it is difficult to adopt in reality.

また、非特許文献1に記載の従来の空気電池は、ポリプロピレン(PP)、アルミニウム箔、ポリエチレンテレフタラート(PET)の三層構造を有するガスバリア性のラミネートフィルムに負極複合体を封入する。そして、非特許文献1の負極複合体は、ラミネートフィルム内外のリチウムイオン伝導性を確保するため、リチウムイオン伝導性のある窓材としてのガラスセラミックスで、ラミネートフィルムに穿たれた開口を塞ぐ。   The conventional air battery described in Non-Patent Document 1 encloses the negative electrode composite in a gas barrier laminate film having a three-layer structure of polypropylene (PP), aluminum foil, and polyethylene terephthalate (PET). The negative electrode composite of Non-Patent Document 1 closes the opening made in the laminate film with glass ceramics as a window material having lithium ion conductivity in order to ensure lithium ion conductivity inside and outside the laminate film.

しかし、ラミネートフィルムのポリプロピレン(PP)と負極複合体のガラスセラミックスとの組合せを接着剤で接合することは困難であり耐久性を欠く。また、ラミネートフィルムを熱溶着して負極複合体を形成するためには、ラミネートフィルムの外周縁部に10mm程度の溶着しろを必要とし、結果、ラミネートフィルムの面積が拡大し、空気電池の体積が増加する。   However, it is difficult to bond a combination of polypropylene (PP) as a laminate film and glass ceramics as a negative electrode composite with an adhesive, and lack durability. In addition, in order to form a negative electrode composite by thermally welding the laminate film, a welding margin of about 10 mm is required on the outer peripheral edge of the laminate film. As a result, the area of the laminate film is increased and the volume of the air battery is increased. To increase.

つまり、従来の空気電池は、実験用の小型な単セルを開示するものであり、電池特性、特にエネルギー密度を増加させたコンパクトな実用セルを構成することが難しい。リチウム空気電池の電池特性を向上させるためには、リチウム空気電池を成立させるための材料に加え、小型軽量化し、内部抵抗の低減により放電電圧を高める技術が必要である。   In other words, the conventional air battery discloses a small single cell for experimentation, and it is difficult to construct a compact practical cell with increased battery characteristics, particularly energy density. In order to improve the battery characteristics of the lithium-air battery, in addition to the material for establishing the lithium-air battery, a technique for increasing the discharge voltage by reducing the size and weight and reducing the internal resistance is required.

そこで、本発明は、従来の空気電池に比べてエネルギー密度および入出力密度を増加させても極端な大型化を抑制できるコンパクトなリチウム空気電池、およびリチウム空気電池の負極複合体を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a compact lithium-air battery and a negative-electrode composite of a lithium-air battery that can suppress an extreme increase in size even when the energy density and input / output density are increased as compared with a conventional air battery. Objective.

前記の課題を解決するため本発明に係るリチウム空気電池は、負極複合体と、空気極と、を備え、前記負極複合体は、板状または線状の負極集電体と、金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、リチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックス製で前記負極集電体の他の一部、および前記2つの負極層の全部を挟み込む板形状の2つの隔離層と、前記負極集電体の残部を前記2つの隔離層間の外側に露出させつつ前記2つの隔離層の外周縁部間を接合して閉ざす接合部と、を備え、前記空気極は、導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体とを備える。   In order to solve the above problems, a lithium-air battery according to the present invention includes a negative electrode composite and an air electrode, and the negative electrode composite includes a plate-like or linear negative-electrode current collector, metallic lithium, and lithium. Two negative electrode layers made of an alloy mainly containing lithium or a compound mainly containing lithium sandwiching a part of the negative electrode current collector, and made of glass ceramics having lithium ion conductivity and made of the negative electrode current collector Two isolation layers having a plate shape sandwiching the other part of the body and all of the two negative electrode layers, and the two isolation layers while exposing the remainder of the negative electrode current collector to the outside between the two isolation layers A joint portion that joins and closes the outer peripheral edge portions of the air electrode, and the air electrode includes an air electrode layer containing a conductive material and facing at least one of the two isolation layers; and the air electrode layer Plate or wire connected electrically And a Kikyoku collector.

また、本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、板状または線状の負極集電体と、金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、リチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックス製で前記負極集電体の他の一部、および前記2つの負極層の全部を挟み込む板形状の2つの隔離層と、前記負極集電体の残部を前記2つの隔離層間の外側に露出させつつ前記2つの隔離層の外周縁部間を接合して閉ざす接合部とを備える。   The negative electrode composite of the lithium-air battery according to the present invention includes a plate-like or linear negative-electrode current collector, metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component. Two plate-shaped negative electrode layers sandwiching a part of the current collector, another part of the negative electrode current collector made of glass ceramics having lithium ion conductivity, and a plate shape sandwiching all of the two negative electrode layers The two isolation layers, and a junction part that joins and closes the outer peripheral edges of the two isolation layers while exposing the remaining part of the negative electrode current collector to the outside of the two isolation layers.

本発明に係るリチウム空気電池は、他の形態において、板状または線状の負極集電体と、金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットと備える負極複合体と、導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体とを備える空気極とを備える。   In another embodiment, the lithium-air battery according to the present invention is a negative electrode current collector made of a plate-like or linear negative electrode current collector and metallic lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component. Two plate-shaped negative electrode layers sandwiching a part of the electric body, two plate-shaped isolation layers having lithium ion conductivity sandwiching all of the two negative electrode layers, and surrounding the two negative electrode layers A negative electrode composite provided with a gasket disposed between the two isolation layers and sealing a space between the two isolation layers; and an air electrode layer containing a conductive material and facing at least one of the two isolation layers And an air electrode including a plate-like or linear air electrode current collector electrically connected to the air electrode layer.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、他の形態において、板状または線状の負極集電体と、金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットとを備える。   In another form, the negative electrode composite of the lithium-air battery according to the present invention is made of a plate-like or linear negative electrode current collector, metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component. Two plate-shaped negative electrode layers sandwiching a part of the negative electrode current collector, two plate-shaped isolation layers having lithium ion conductivity sandwiching all of the two negative electrode layers, and the two negative electrode layers And a gasket that is disposed between the two isolation layers so as to surround the space and seals a space between the two isolation layers.

本発明によれば、従来の空気電池に比べてエネルギー密度および入出力密度を増加させても極端な大型化を抑制できるコンパクトなリチウム空気電池、およびリチウム空気電池の負極複合体を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, compared with the conventional air battery, even if it increases energy density and input / output density, the compact lithium air battery which can suppress an extreme enlargement, and the negative electrode composite body of a lithium air battery can be provided.

本発明の実施形態に係るリチウム空気電池を示す概略的な斜視図。1 is a schematic perspective view showing a lithium air battery according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造を示す概略的な斜視図。The schematic perspective view which shows the internal structure of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池を示す回路図。The circuit diagram which shows the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造の他の例を示す概略的な斜視図。The schematic perspective view which shows the other example of the internal structure of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体を示す概略的な斜視図。The schematic perspective view which shows the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体を示す概略的な断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a lithium air battery according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の例を示す概略的な断面図。Schematic sectional drawing which shows the other example of the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の例を示す概略的な断面図。Schematic sectional drawing which shows the other example of the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 実施例1のセルの負極複合体の分解した状態と組み立てた状態とを説明する斜視図。The perspective view explaining the state which the negative electrode composite_body | complex of the cell of Example 1 decomposed | disassembled, and the assembled state. 比較例1のセルの分解した状態を説明する斜視図。The perspective view explaining the state which the cell of the comparative example 1 decomposed | disassembled. 実施例1および比較例1のセルの放電電圧の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the discharge voltage of the cell of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. インピーダンススペクトルを示すグラフ。The graph which shows an impedance spectrum. 実施例2および実施例3のセルの放電電圧の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the discharge voltage of the cell of Example 2 and Example 3. FIG.

本発明に係るリチウム空気電池、およびリチウム空気電池の負極複合体の実施形態について図1から図13を参照して説明する。   Embodiments of a lithium air battery and a negative electrode composite body of the lithium air battery according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池を示す概略的な斜視図である。   FIG. 1 is a schematic perspective view showing a lithium-air battery according to an embodiment of the present invention.

リチウム空気電池1は充放電する。図1に示すように、本実施形態に係るリチウム空気電池1は、外殻としてのケース2と、ケース2内から引き出されて露出する負極集電体5、および正極集電体としての空気極集電体6と、を備える。   The lithium air battery 1 is charged and discharged. As shown in FIG. 1, a lithium-air battery 1 according to this embodiment includes a case 2 as an outer shell, a negative electrode current collector 5 that is pulled out from the case 2 and exposed, and an air electrode as a positive electrode current collector. Current collector 6.

ケース2は、気体を透過する一方で、液体の不透過な材料、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、またはビニリデンフルオライド単位およびテトラフルオロエチレン単位を有するフルオロポリマーからなるフッ素樹脂の成形品や、ビニリデンフルオライド単位およびテトラフルオロエチレン単位を有するフルオロポリマーからなるフッ素樹脂の多孔質体であり、六面体、例えば直方体形状を呈する中空体である。なお、ケース2は、気体も液体も不透過な材料の成形品であっても良い。この場合には、ケース2の側壁に通気口が設けられる。通気口は、後述する電解質7を漏出させない位置に設けられ、ケース内外に空気を流通させる。   Case 2 is a gas-permeable, liquid-impermeable material such as polyethylene, polypropylene, or a fluororesin molded product made of a fluoropolymer having a vinylidene fluoride unit and a tetrafluoroethylene unit, or a vinylidene fluoride unit. And a fluororesin porous body composed of a fluoropolymer having a tetrafluoroethylene unit, which is a hexahedron, for example, a hollow body having a rectangular parallelepiped shape. The case 2 may be a molded product made of a material that is impermeable to gas and liquid. In this case, a vent is provided on the side wall of the case 2. The vent is provided at a position where the electrolyte 7 described later does not leak out, and allows air to flow inside and outside the case.

ケース2の外側には負極集電体5、および空気極集電体6のみが露出している。   Only the negative electrode current collector 5 and the air electrode current collector 6 are exposed outside the case 2.

図2は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造を示す概略的な斜視図である。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the internal structure of the lithium-air battery according to the embodiment of the present invention.

図3は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池を示す回路図である。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a lithium-air battery according to an embodiment of the present invention.

なお、隣り合う負極複合体8、および空気極9は、実際には相互に接しているが、図2においては識別しやすいように離間させて示している。   The adjacent negative electrode composite 8 and the air electrode 9 are actually in contact with each other, but are separated from each other in FIG. 2 for easy identification.

図2および図3に示すように、本実施形態に係るリチウム空気電池1は、負極複合体8と空気極9とを収容するケース2と、交互に重ね合わせて積層される複数の負極複合体8、および複数の空気極9と、ケース2内に蓄えられて少なくとも空気極9に接して空気極9と負極複合体8との間でリチウムイオンの伝導を担う電解質7と、を備える。   As shown in FIGS. 2 and 3, the lithium-air battery 1 according to this embodiment includes a case 2 that houses a negative electrode composite 8 and an air electrode 9, and a plurality of negative electrode composites that are alternately stacked. 8 and a plurality of air electrodes 9, and an electrolyte 7 stored in the case 2 and in contact with at least the air electrode 9 and responsible for lithium ion conduction between the air electrode 9 and the negative electrode composite 8.

負極複合体8の一面、およびこれに正対する空気極9の一面は、1つの空気電池セル11である。つまりリチウム空気電池1は、負極複合体8と空気極9との対面箇所数の空気電池セル11を並列に接続したものである。   One surface of the negative electrode composite 8 and one surface of the air electrode 9 facing the same are one air battery cell 11. That is, the lithium-air battery 1 is obtained by connecting the number of air battery cells 11 facing the negative electrode composite 8 and the air electrode 9 in parallel.

複数の負極複合体8、および複数の空気極9は、それぞれ板形状を呈する。また、複数の負極複合体8、および複数の空気極9は、それぞれ電気的に並列に接続される。   Each of the plurality of negative electrode composites 8 and the plurality of air electrodes 9 has a plate shape. The plurality of negative electrode composites 8 and the plurality of air electrodes 9 are electrically connected in parallel, respectively.

空気極9は負極複合体8よりも大きい投影面積を呈する。具体的には、四角形の平板形状を呈する負極複合体8よりも一回り大きい四角形状を呈する。   The air electrode 9 exhibits a larger projected area than the negative electrode composite 8. Specifically, it has a quadrilateral shape that is slightly larger than the negative electrode composite body 8 having a quadrangular flat plate shape.

また、空気極9は、導電性材料を含有して負極複合体8の少なくとも一方の面(つまり、後述する隔離層12の一面)に対向する空気極層13と、空気極層13に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体6と、を備える。   The air electrode 9 contains a conductive material and is electrically connected to the air electrode layer 13 and the air electrode layer 13 facing at least one surface of the negative electrode composite 8 (that is, one surface of the isolation layer 12 described later). And a plate-like or linear air electrode current collector 6 connected to.

空気極層13は、炭素繊維などの導電体を素材とし、薄板形状を呈する。具体的には、空気極層13は、多孔質構造、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、ランダムに配列された不織布構造、三次元網目構造が挙げられる。具体的には、カーボンクロス、カーボン不織布、およびカーボンペーパ等のカーボン材料である。また、その他の多孔質構造を持つ材料として、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属材料でも良い。好ましい空気極の材料としては、軽量化や耐腐食性の高い材料が良く、前述のカーボン材料による空気極が望ましい。空気極層13は、毛細管現象で電解質7を吸い上げて負極複合体8と空気極9との間に介在させる。空気極層13は、貴金属や酸化金属等の触媒を含んでもよい。触媒としては、放電時には酸素還元反応、充電時には酸素酸化反応を促進させる触媒であれば良い。例えば、MnO、CeO、Co、NiO、V、Fe、ZnO、CuO、La1.6Sr0.4NiO、LaNiO、La0.6Sr0.4FeO、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8、La0.8Sr0.2MnO、Mn1.5Co1.5等の金属酸化物;Au、Pt、Ag等の貴金属;およびこれらの複合物等が挙げられる。触媒を含む空気極層13を作製する方法は、特に限定されないが、例えば、白金などの触媒金属を担持したカーボンをバインダー(結着剤)および有機溶媒と混合したもの(スラリー)を、カーボンクロスなどに付着させることにより行うことができる。有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)アセトニトリル、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、およびジメチルスルホキシド(DMSO)、アセトン、エタノール、1−プロパノールなどを使用することができる。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)等を挙げることができる。具体的な空気極13への触媒の付着方法としては、前記のスラリーを、ドクターブレード法、スプレイ法により塗布および付着する方法が挙げられる。 The air electrode layer 13 is made of a conductive material such as carbon fiber and has a thin plate shape. Specifically, the air electrode layer 13 has a porous structure, for example, a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which random arrangement is made, and a three-dimensional network structure. Specifically, carbon materials such as carbon cloth, carbon non-woven fabric, and carbon paper. Further, as another material having a porous structure, for example, a metal material such as stainless steel, nickel, aluminum, or iron may be used. As a preferable material for the air electrode, a material having a light weight and high corrosion resistance is preferable, and an air electrode made of the carbon material described above is desirable. The air electrode layer 13 sucks up the electrolyte 7 by capillary action and interposes between the negative electrode composite 8 and the air electrode 9. The air electrode layer 13 may include a catalyst such as a noble metal or a metal oxide. The catalyst may be a catalyst that promotes an oxygen reduction reaction during discharging and an oxygen oxidation reaction during charging. For example, MnO 2, CeO 2, Co 3 O 4, NiO, V 2 O 5, Fe 2 O 3, ZnO, CuO, La 1.6 Sr 0.4 NiO 4, La 2 NiO 4, La 0.6 Sr Metal oxidation such as 0.4 FeO 3 , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 , La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , Mn 1.5 Co 1.5 O 4 A noble metal such as Au, Pt, and Ag; and a composite thereof. The method of producing the air electrode layer 13 containing the catalyst is not particularly limited. For example, a carbon cloth carrying a catalyst metal such as platinum mixed with a binder (binder) and an organic solvent (slurry) is used. It can be carried out by adhering to. As the organic solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) acetonitrile, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), and dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, ethanol, 1-propanol, etc. should be used. Can do. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like. Specific examples of the method for attaching the catalyst to the air electrode 13 include a method for applying and attaching the slurry by the doctor blade method or the spray method.

空気極集電体6としては、リチウム空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望とする導電性を有していれば良い。空気極集電体6の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、金、および白金等の金属材料、カーボンクロスおよびカーボン不織布等のカーボン材料が挙げられる。   The air electrode current collector 6 may be present as long as it can exist stably in the operating range of the lithium-air battery and has the desired conductivity. Examples of the material of the air electrode current collector 6 include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, gold, and platinum, and carbon materials such as carbon cloth and carbon nonwoven fabric.

電解質7は、水系電解質である。なお、電解質7は負極複合体8にも接していても良い。水系電解質は、例えば、塩化リチウム水溶液等である。   The electrolyte 7 is an aqueous electrolyte. The electrolyte 7 may also be in contact with the negative electrode composite 8. The aqueous electrolyte is, for example, an aqueous lithium chloride solution.

空気極9と負極複合体8の間には、保水層として樹脂シートなどが任意に配置される。保水層は、空気極と負極複合体とが直接接触するのを防ぐものである。保水層は、好ましくは電解質を含浸・保水する多孔質性および/または発泡質性のシートであり、セルロース、化学繊維不織布、PP(ポリプロピレン)樹脂、PE(ポリエチレン)樹脂、PI(ポリイミド)樹脂などの高分子膜などが挙げられる。   Between the air electrode 9 and the negative electrode composite 8, a resin sheet or the like is arbitrarily disposed as a water retention layer. The water retention layer prevents direct contact between the air electrode and the negative electrode composite. The water retention layer is preferably a porous and / or foamable sheet impregnated / retained with an electrolyte, such as cellulose, chemical fiber nonwoven fabric, PP (polypropylene) resin, PE (polyethylene) resin, PI (polyimide) resin, etc. And a polymer film.

また、電解質7は、ポリマー電解質であっても良い。この場合、電解質7は、空気極9と負極複合体8との間に挟まれる薄膜状体であったり、空気極層13の表面をコーティングする膜状体であったりする。   The electrolyte 7 may be a polymer electrolyte. In this case, the electrolyte 7 is a thin film-like body sandwiched between the air electrode 9 and the negative electrode composite 8 or a film-like body that coats the surface of the air electrode layer 13.

図4は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造の他の例を示す概略的な斜視図である。   FIG. 4 is a schematic perspective view showing another example of the internal structure of the lithium-air battery according to the embodiment of the present invention.

なお、隣り合う負極複合体8、および空気極9Aは、実際には相互に接しているが、図4においては識別しやすいように離間させて示している。   The adjacent negative electrode composite 8 and the air electrode 9A are actually in contact with each other, but are separated from each other in FIG. 4 for easy identification.

なお、リチウム空気電池1Aにおいてリチウム空気電池1と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure as the lithium air battery 1 in the lithium air battery 1A, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図4に示すように、本実施形態に係るリチウム空気電池1Aの空気極9Aの空気極層13Aは、葛折りに折り曲げられている。複数の負極複合体8は、空気極層13Aの折り目13aと折り目13aとの間にある平面部13bに挟み込まれる。   As shown in FIG. 4, the air electrode layer 13A of the air electrode 9A of the lithium-air battery 1A according to this embodiment is bent in a twisted manner. The plurality of negative electrode composites 8 are sandwiched between flat portions 13b between the folds 13a and the folds 13a of the air electrode layer 13A.

空気極集電体6は、複数の負極複合体8を挟み込む1つの空気極層13Aに対して1つ設けられていれば良く、リチウム空気電池1の空気極集電体6よりも数量、総延長長さ、重量、および容積を減じることができる。   One air electrode current collector 6 may be provided for one air electrode layer 13A sandwiching the plurality of negative electrode composites 8, and the number and total number of air electrode current collectors 6 are larger than those of the air electrode current collector 6 of the lithium-air battery 1. Extension length, weight, and volume can be reduced.

図5は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体を示す概略的な斜視図である。   FIG. 5 is a schematic perspective view showing a negative electrode composite of a lithium air battery according to an embodiment of the present invention.

図6は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体を示す概略的な断面図である。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a lithium air battery according to an embodiment of the present invention.

図5および図6に示すように、リチウム空気電池1、1Aの負極複合体8は、板状または線状の負極集電体5と、金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で負極集電体5の一部を挟み込む板形状の2つの負極層15と、リチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックス製で負極集電体5の他の一部、および2つの負極層15の全部を挟み込む板形状の2つの隔離層12と、負極集電体5の残部を2つの隔離層12間の外側に露出させつつ2つの隔離層12の外周縁部間を接合して閉ざす接合部16と、を備える。   As shown in FIGS. 5 and 6, the negative electrode composite 8 of the lithium-air battery 1, 1 </ b> A includes a plate-like or linear negative electrode current collector 5, metal lithium, a lithium-based alloy, or lithium. Two plate-shaped negative electrode layers 15 made of a compound as a main component and sandwiching a part of the negative electrode current collector 5, another part of the negative electrode current collector 5 made of glass ceramics having lithium ion conductivity, and 2 Two plate-shaped isolation layers 12 sandwiching all of the negative electrode layers 15 and the outer peripheral edge portions of the two isolation layers 12 are joined while the remaining portion of the negative electrode current collector 5 is exposed to the outside between the two isolation layers 12 And a joint portion 16 to be closed.

また、負極複合体8は、リチウムイオン伝導性を有して負極層15と隔離層12とを隔てる緩衝層17を備える。   The negative electrode composite 8 includes a buffer layer 17 having lithium ion conductivity and separating the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12.

つまり、負極複合体8は、貼り合わせられる2つの負極層15を緩衝層17で包み、緩衝層17を2つの隔離層12および、接合部16で包んだ包装構造を備える。   That is, the negative electrode composite 8 includes a packaging structure in which the two negative electrode layers 15 to be bonded are wrapped with the buffer layer 17, and the buffer layer 17 is wrapped with the two isolation layers 12 and the joint portion 16.

負極集電体5の材料としては、リチウム空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望とする導電性を有していれば良い。例えば、銅、ニッケル等を挙げることができる。   The negative electrode current collector 5 may be made of any material as long as it can exist stably in the operating range of the lithium-air battery and has a desired conductivity. For example, copper, nickel, etc. can be mentioned.

2つの負極層15は、略同じ四角形の平板形状を呈し、負極集電体5の一部を挟み込んだまま接合される。本実施形態において、負極集電体5は、負極層15と略同じサイズの四角形の板状部に帯状の端子部が一体形成されている。しかし、目的により、負極集電体5は2つの負極層15の対抗面の全体にわたって接触せず、負極層15の少なくとも一部に接触するように挟み込まれている形態も本発明の技術的範囲に含まれる。負極集電体5の形状およびサイズは、当業者が適宜決定することができる。   The two negative electrode layers 15 have substantially the same rectangular flat plate shape, and are joined with a part of the negative electrode current collector 5 being sandwiched. In the present embodiment, the negative electrode current collector 5 is formed by integrally forming a strip-shaped terminal portion on a rectangular plate-like portion having substantially the same size as the negative electrode layer 15. However, depending on the purpose, the negative electrode current collector 5 is not in contact with the entire opposing surfaces of the two negative electrode layers 15 but is sandwiched so as to be in contact with at least a part of the negative electrode layer 15. include. The shape and size of the negative electrode current collector 5 can be appropriately determined by those skilled in the art.

また、負極層15は金属リチウム製であることが望ましい。負極層15は、金属リチウムに代えて、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物であっても良い。リチウムを主成分とする合金は、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛、インジウム等を含むことができる。リチウムを主成分とする化合物は、Li3−xN(M=Co、Cu、Ni)がある。 The negative electrode layer 15 is preferably made of metallic lithium. The negative electrode layer 15 may be an alloy containing lithium as a main component or a compound containing lithium as a main component instead of metallic lithium. The lithium-based alloy can include sodium, potassium, magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, silver, gold, zinc, indium, and the like. A compound containing lithium as a main component is Li 3-x M x N (M = Co, Cu, Ni).

緩衝層17はリチウムイオン伝導性のポリマー電解質、または有機電解質(有機電解液ともいう)などを含ませたセパレータシートなどである。緩衝層17のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。 The buffer layer 17 is a separator sheet containing a lithium ion conductive polymer electrolyte or an organic electrolyte (also referred to as an organic electrolyte). The buffer layer 17 preferably has a lithium ion conductivity (also referred to as lithium ion conductivity) of 10 −5 S / cm or more.

負極層15と隔離層12とが接触すると、負極層15のリチウムと隔離層12のガラスセラミックスとが反応する場合がある。例えば、隔離層12の材質がLTAPである場合、リチウムによってLTAPが反応して劣化する可能性がある。しかし、緩衝層17を挿入して負極層15と隔離層12との接触を防ぐことによって、そのような反応は抑制される。このことは、リチウム空気電池1の寿命を長くすることに寄与する。   When the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 come into contact with each other, lithium in the negative electrode layer 15 and glass ceramics in the isolation layer 12 may react. For example, when the material of the isolation layer 12 is LTAP, there is a possibility that the LTAP reacts with lithium and deteriorates. However, such a reaction is suppressed by inserting the buffer layer 17 to prevent contact between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12. This contributes to extending the life of the lithium-air battery 1.

緩衝層17は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体状のポリマー電解質、リチウム塩を溶解した有機電解質を浸み込ませたセパレータ、リチウム塩を溶解した有機電解質でポリマーを膨潤させたゲル状のポリマー電解質であるゲル電解質、または該ゲル電解質を含有するセパレータであってもよい。   The buffer layer 17 is a solid polymer electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a polymer, a separator in which an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved is immersed, and a gel-like material in which a polymer is swollen with an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved. It may be a gel electrolyte which is a polymer electrolyte, or a separator containing the gel electrolyte.

(a)緩衝層となる固体状のポリマー電解質
ホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PPO(ポリプロピレンオキシド)等である。リチウム塩は、LiPF(ヘキサフルオロリン酸リチウム)、LiClO(過塩素酸リチウム)、LiBF(テトラフルオロリン酸リチウム)、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSON、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等である。
(A) Solid polymer electrolyte serving as a buffer layer The polymer serving as a host is PEO (polyethylene oxide), PPO (polypropylene oxide), or the like. Lithium salts are LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiBF 4 (lithium tetrafluorophosphate), LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 4 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxalatoborate), and the like.

なお、固体状のポリマー電解質として、特に望ましいPEOを用いる場合には、PEOの分子量は10〜10であることが望ましく、PEOとリチウム塩とのモル比は、8〜30:1であることが望ましい。 In addition, when using especially desirable PEO as a solid polymer electrolyte, it is desirable that the molecular weight of PEO is 10 4 to 10 5 , and the molar ratio of PEO and lithium salt is 8 to 30: 1. It is desirable.

緩衝層17の強度、および電気化学的特性を向上させるため、さらに、セラミックスフィラー、例えば、BaTiOの粉末をポリマーに分散させてもよい。セラミックフィラーの混合量は、残余の成分100重量部に対して1〜20重量部であることが望ましい。 In order to improve the strength and electrochemical characteristics of the buffer layer 17, a ceramic filler, for example, BaTiO 3 powder, may be dispersed in the polymer. The mixing amount of the ceramic filler is desirably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the remaining components.

(b)緩衝層となるセパレータ
また、緩衝層17は有機電解質をセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロース等のシート)に浸み込ませたものであっても良い。この場合、緩衝層17に使用される有機電解質は、炭酸エチレンに、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルを混合し、さらにLiPF(六フッ化リン酸リチウム)、LiClO(過塩素酸リチウム)、LiBF(テトラフルオロリン酸リチウム)、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSON、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等などのリチウム塩を添加したものである。このようなセパレータを用いることにより、リチウムイオン導電性を有して、さらに緩衝層17の厚さを低減可能となる。
(B) Separator serving as a buffer layer Further, the buffer layer 17 may be formed by immersing an organic electrolyte in a separator (a sheet made of porous polyethylene, polypropylene, cellulose, or the like). In this case, the organic electrolyte used for the buffer layer 17 is a mixture of ethylene carbonate with diethyl carbonate or dimethyl carbonate, and further LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiBF 4. (Lithium tetrafluorophosphate), LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 4 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxalatoborate) and other lithium salts added It is. By using such a separator, the thickness of the buffer layer 17 can be further reduced with lithium ion conductivity.

(c)緩衝層となるゲル電解質
ゲル電解質は、リチウム塩を溶解した有機電解質でポリマーを膨潤させて得られるゲル状のポリマー電解質である。ゲル電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAN(ポリアクリロニトリル)、PVP(ポリビニルピロリドン)、PEO−PMA(ポリエチレンオキシド修飾ポリメタクリレートの架橋体)、PVDF(ポリフッ化ビリニデン)、PVDF−HFP(ポリフッ化ビリニデンとヘキサフロオロプロピレンとの共重合体)等である。有機電解質は、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の混合溶媒に、電解質であるLiPF(ヘキサフルオロリン酸リチウム)、LiClO(過塩素酸リチウム)、LiBF(テトラフルオロリン酸リチウム)、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSON、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)などのリチウム塩を添加したものである。有機電解質の溶媒の混合は、任意の割合で行うことができる。リチウム塩の有機電解質中の濃度は、1〜1.3(mol/L)であることが好ましい。ゲル電解質におけるポリマーの割合は、ゲル電解質中に3〜7質量%の範囲であることが好ましい。ポリマーの割合をこの範囲とすることにより、所望とするイオン伝導性と負極複合体の作製に最適な粘度を満たすことが可能となる。ゲル電解質の厚さは、10〜100μmであり、好ましくは50μm以下である。また、緩衝層となるゲル電解質量は、負極層15と隔離層12間の対向する表面全てに対して、密着性を過不足なく高められる充填量が望ましい。ゲル電解質を使用することにより、セパレータシートを使用した場合よりも気泡の混入を防ぐことが容易になる。また、ゲル電解質は、緩衝層17の厚みを低減させることができ、また、部品数を減らすことにより構造を簡単にすることができる。
(C) Gel electrolyte used as buffer layer Gel electrolyte is a gel-like polymer electrolyte obtained by swelling a polymer with an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved. The polymer serving as the host for the gel electrolyte is PEO (polyethylene oxide), PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PVP (polyvinylpyrrolidone), PEO-PMA (crosslinked product of polyethylene oxide-modified polymethacrylate), PVDF (polyfluoride). And vinylidene fluoride), PVDF-HFP (copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene), and the like. The organic electrolyte is, for example, a mixed solvent such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiClO as an electrolyte. 4 (lithium perchlorate), LiBF 4 (lithium tetrafluorophosphate), LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 4 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxalatoborate ) And other lithium salts. Mixing of the organic electrolyte solvent can be performed at an arbitrary ratio. The concentration of the lithium salt in the organic electrolyte is preferably 1 to 1.3 (mol / L). The ratio of the polymer in the gel electrolyte is preferably in the range of 3 to 7% by mass in the gel electrolyte. By setting the ratio of the polymer in this range, it is possible to satisfy the desired ion conductivity and the optimum viscosity for production of the negative electrode composite. The thickness of the gel electrolyte is 10 to 100 μm, preferably 50 μm or less. Moreover, the gel electrolysis mass used as a buffer layer has the desirable filling amount which can improve adhesiveness without excess and deficiency with respect to all the opposing surfaces between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12. FIG. By using a gel electrolyte, it becomes easier to prevent air bubbles from entering than when a separator sheet is used. In addition, the gel electrolyte can reduce the thickness of the buffer layer 17 and can simplify the structure by reducing the number of components.

リチウムイオン電池では、ゲル電解質などのポリマー電解質が部材間に存在しない方がイオン伝導性が良いことが従来知られているが、本発明者らは、緩衝層17としてゲル電解質を用いると、セルロースセパレータに有機電解質を含浸させたものを用いるよりもさらに放電電圧が高く、長期間安定なリチウム空気電池が得られることを初めて見出した。ゲル電解質の使用により電池特性が向上する理論的な理由は明らかではないが、ゲル電解質は、負極層15および隔離層12の表面の凹凸に対して追従し、負極層15および隔離層12の間の接触性を高めることができるため、放電電圧を向上させることができると推測される。また、リチウム空気電池では、放電時に負極層15からリチウムイオンが溶け出すため、負極層15の体積が減少する場合があるが、ゲル電解質は、負極層15の体積が減少分にも追従することができ、負極層15と隔離層12との接触性が保持される。よって、負極層15と隔離層12との間の密着性低下に起因する内部抵抗の増加を抑制し、放電電圧を長時間維持することが可能となっていると推測される。   In lithium ion batteries, it is conventionally known that ion conductivity is better when a polymer electrolyte such as a gel electrolyte is not present between the members. However, when the gel electrolyte is used as the buffer layer 17, the present inventors use cellulose. It has been found for the first time that a lithium-air battery having a higher discharge voltage and stable for a long period of time can be obtained than when a separator impregnated with an organic electrolyte is used. Although the theoretical reason why the battery characteristics are improved by the use of the gel electrolyte is not clear, the gel electrolyte follows the irregularities on the surfaces of the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12, and between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12. Therefore, it is presumed that the discharge voltage can be improved. In a lithium-air battery, since lithium ions dissolve from the negative electrode layer 15 during discharge, the volume of the negative electrode layer 15 may decrease. However, the gel electrolyte also follows the decrease in the volume of the negative electrode layer 15. The contact between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 is maintained. Therefore, it is presumed that it is possible to suppress an increase in internal resistance due to a decrease in adhesion between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 and maintain the discharge voltage for a long time.

さらに、ゲル電解質は、ゲル状であるため、負極層15と隔離層12とを合わせて負極複合体を組み立てる際に、容易に合わせることができ、作業性に優れている。ゲル電解質は、負極複合体やセルの作製時に漏れくいという点でも作業性に優れ、製造後もセルの隙間からの漏洩が発生しにくいため、セルごとの性能にばらつきが減少するという利点がある。また、ゲル電解質は、粘度が高く、有機電解質のガスケットや外周封止部材への接触が抑制され、ガスケットおよび外周封止部材として用いられる接着剤や樹脂等の劣化を緩和することができる。その結果、長期的に負極複合体およびセルの密閉性を確保できるという効果がある。また、ガスケットの材質および外周封止部材の選定の自由度が向上するという利点もある。   Furthermore, since the gel electrolyte is in a gel form, when the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 are combined to assemble the negative electrode composite, the gel electrolyte can be easily combined and has excellent workability. Gel electrolytes are excellent in workability in that they are difficult to leak during the production of negative electrode composites and cells, and have the advantage of less variation in cell-to-cell performance because leaks from cell gaps are less likely to occur after production. . In addition, the gel electrolyte has a high viscosity, the contact of the organic electrolyte with the gasket and the outer peripheral sealing member is suppressed, and the deterioration of the adhesive and the resin used as the gasket and the outer peripheral sealing member can be alleviated. As a result, there is an effect that the hermeticity of the negative electrode composite and the cell can be ensured in the long term. Further, there is an advantage that the degree of freedom in selecting the gasket material and the outer peripheral sealing member is improved.

また、ゲル電解質は、有機電解質に溶解しない粉末を分散させたものであることが好適である。ゲル電解質に、有機電解質に溶解しない粉末が分散されていることにより、隔離層12と負極層15が直接、接触するのを防ぐ効果がある。ゲル電解質に分散させる粉末としては、有機電解質に溶解しない微粉末であればよく、負極複合体内部の部材と反応や劣化原因とならないものがよく、樹脂を微粉末にしたものが特に好ましい。樹脂粉末は、有機電解質に溶解しないものであれば特に限定されないが、好ましくは、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等の樹脂粉末の1種または2種以上の組み合わせである。ゲル電解質に分散させる粉末は、セラミックスフィラーであってもよい。この粉末の粒径は、1μm超、50μm程度未満で、平均粒子径が5μm程度の超微粉末であることが好ましい。粉末の平均粒子径がこの範囲であることにより、電池性能への影響を低減できるという効果がある。ここで、平均粒径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置により測定した値である。ゲル電解質に分散させる粉末の量は、ゲル電解質中に0.5〜5質量%であることが好ましく、0.5〜1.5質量%であることがより好ましい。粉末の分散量をこの範囲とすることにより、電池性能への影響を低減できるという効果がある。また、粉末の分散量を1質量%以下とすることにより、ゲル電解質の粘度に対する影響が少なくなる。
ゲル電解質には、ゲル電解質の強度および電気化学的特性を向上させるために、セラミックスフィラー、例えば、BaTiOの粉末をさらに分散させてもよい。セラミックフィラーの混合量は、残余の成分100重量部に対して1〜20重量部であることが望ましい。
Further, the gel electrolyte is preferably one in which a powder that does not dissolve in the organic electrolyte is dispersed. By dispersing the powder that does not dissolve in the organic electrolyte in the gel electrolyte, there is an effect of preventing the isolation layer 12 and the negative electrode layer 15 from coming into direct contact. The powder to be dispersed in the gel electrolyte may be a fine powder that does not dissolve in the organic electrolyte, preferably does not cause a reaction or deterioration with the members inside the negative electrode composite, and is preferably a fine powder of resin. The resin powder is not particularly limited as long as it does not dissolve in the organic electrolyte, but is preferably one or a combination of two or more resin powders such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE). The powder dispersed in the gel electrolyte may be a ceramic filler. The particle size of the powder is preferably an ultrafine powder having a particle size of more than 1 μm and less than about 50 μm and an average particle size of about 5 μm. When the average particle diameter of the powder is within this range, there is an effect that the influence on the battery performance can be reduced. Here, the average particle diameter is a value measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. The amount of the powder dispersed in the gel electrolyte is preferably 0.5 to 5% by mass in the gel electrolyte, and more preferably 0.5 to 1.5% by mass. By setting the amount of powder dispersion in this range, there is an effect that the influence on the battery performance can be reduced. Moreover, the influence with respect to the viscosity of a gel electrolyte decreases by making the dispersion amount of a powder into 1 mass% or less.
In order to improve the strength and electrochemical characteristics of the gel electrolyte, a ceramic filler, for example, BaTiO 3 powder, may be further dispersed in the gel electrolyte. The mixing amount of the ceramic filler is desirably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the remaining components.

(d)緩衝層となるゲル電解質含有セパレータ
ゲル電解質含有セパレータは、リチウムイオン電池用のセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロース等のシート)に、上述のゲル電解質を含浸または保持させたものである。ゲル電解質のセパレータにおいて、ゲル電解質とセパレータの重量比は好ましくは7〜30:1である。ゲル電解質を含有するセパレータは、1枚のみを用いてもよいが、複数枚重ねて用いることもできる。ゲル電解質含有セパレータの好ましい枚数は、セパレータの材質や厚さにもよるが、1〜4枚である。ゲル電解質を含有するセパレータは、上記(c)のゲル電解質と同様に、放電電圧を向上させ、放電電圧を長期間維持することができる。これは、負極層15の体積が減少した場合にも、負極層15と隔離層12との接触性を保持して接触抵抗を減少させるためと考えられる。さらに、セパレータにゲル電解質を含有させることにより、負極複合体の作製において、緩衝層17を挿入する際の作業性が良くなり、セルの電気化学的特性の再現性が高まり、製造時の歩留まりが改善する。また、ゲル電解質含有セパレータの使用により、有機電解質のガスケットや外周封止部材への接触が抑制される。このため、ガスケットおよび外周封止部材として用いられる接着剤や樹脂等の劣化を緩和し、長期的に負極複合体およびセルの密閉性を確保することができる。
(D) Gel electrolyte-containing separator serving as a buffer layer The gel electrolyte-containing separator is obtained by impregnating or holding the above-mentioned gel electrolyte in a separator for lithium ion batteries (sheets of porous polyethylene, polypropylene, cellulose, etc.). is there. In the gel electrolyte separator, the weight ratio of the gel electrolyte to the separator is preferably 7 to 30: 1. Although the separator containing a gel electrolyte may use only one sheet, it can also be used in piles. The preferred number of gel electrolyte-containing separators is 1 to 4, although it depends on the material and thickness of the separator. The separator containing the gel electrolyte can improve the discharge voltage and maintain the discharge voltage for a long period of time, like the gel electrolyte of (c) above. This is considered to reduce the contact resistance by maintaining the contact between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 even when the volume of the negative electrode layer 15 is reduced. Furthermore, by including a gel electrolyte in the separator, the workability when inserting the buffer layer 17 in the production of the negative electrode composite is improved, the reproducibility of the electrochemical characteristics of the cell is increased, and the yield during production is increased. Improve. In addition, the use of the gel electrolyte-containing separator suppresses contact of the organic electrolyte with the gasket and the outer peripheral sealing member. For this reason, deterioration of the adhesive, resin, etc. used as the gasket and the outer peripheral sealing member can be alleviated, and the sealability of the negative electrode composite and the cell can be ensured for a long time.

ここで、緩衝層17は、負極複合体8に必ずしも備えられていなくてもよく、任意の構成要素である。すなわち、負極複合体8において、負極層15は、緩衝層17を隔てずに隔離層12と直接に隣接するように配置されていてもよい。   Here, the buffer layer 17 is not necessarily provided in the negative electrode composite 8, and is an arbitrary component. In other words, in the negative electrode composite 8, the negative electrode layer 15 may be disposed so as to be directly adjacent to the isolation layer 12 without separating the buffer layer 17.

隔離層12は負極複合体8の外殻の大部分を担って負極層15を水分から保護する。つまり、2つの隔離層12は、それぞれ異なる空気極9の空気極層13に対面する。   The isolation layer 12 bears most of the outer shell of the negative electrode composite 8 and protects the negative electrode layer 15 from moisture. That is, the two isolation layers 12 face the air electrode layers 13 of the different air electrodes 9.

隔離層12は、負極層15よりも一回り大きい四角形の平板形状を呈し、一体化される
2つの負極層15の全体を挟み込む。つまり、隔離層12の中央部分は負極層15に正対
し、隔離層12の外周縁部は鍔あるいは軒先のように負極層15よりも外方へ張り出す。
The isolation layer 12 has a rectangular flat plate shape that is slightly larger than the negative electrode layer 15, and sandwiches the entire two negative electrode layers 15 to be integrated. That is, the central portion of the isolation layer 12 faces the negative electrode layer 15, and the outer peripheral edge of the isolation layer 12 projects outward from the negative electrode layer 15 like a ridge or eaves.

また、隔離層12は、耐水性、およびリチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックスである。隔離層12のリチウムイオン伝導率は、10−5S/cm以上であることが望ましい。隔離層12としては、例えば、NASICON(Na Superionic Conductor;ナトリウム超イオン導電体)型のリチウムイオン伝導体が挙げられる。さらに、隔離層12として、一般式LiM(PO(MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をIn、Al等の3価のカチオンM’で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1+x2−xM’(POであらわされるリチウムイオン伝導体が挙げられる。また、隔離層12として、一般式LiM(PO(MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をTa等の5価のカチオンM”で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1−x2−xM”(POであらわされるリチウムイオン伝導体が挙げられる。これらのリチウムイオン伝導体のPはSiで置換されている場合があり、一般式Li1+x+yTi2−xAl3−ySi12(LTAP)であらわされるリチウムイオン伝導体がイオン伝導性の観点から望ましい。 The isolation layer 12 is a glass ceramic having water resistance and lithium ion conductivity. The isolation layer 12 preferably has a lithium ion conductivity of 10 −5 S / cm or more. Examples of the isolation layer 12 include a NASICON (Na Superconducting Conductor) type lithium ion conductor. Further, as the isolation layer 12, a part of the tetravalent cation M of the lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (M is a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge) is In, A lithium ion conductor represented by the general formula Li 1 + x M 2−x M ′ x (PO 4 ) 3 in which lithium ion conductivity is improved by substitution with a trivalent cation M ′ such as Al can be given. Further, as the isolation layer 12, a part of the tetravalent cation M of the lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (M is a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge, etc.) is Ta, etc. lithium ion conductor represented by "formula Li 1-x M 2-x M with improved lithium ion conductivity by replacing" x (PO 4) 3 may be mentioned pentavalent cation M. P in these lithium ion conductors may be substituted with Si, and the lithium ion conductor represented by the general formula Li 1 + x + y Ti 2−x Al x P 3−y Si y O 12 (LTAP) Desirable from the viewpoint of sex.

接合部16は、2つの隔離層12のそれぞれの外周縁部間に架け渡される。接合部16は、2つの隔離層12に挟み込まれる領域を閉ざし、2つの隔離層12と協働してこの領域内に負極集電体5の一部、2つの負極層15、および緩衝層17を封入する。   The joint portion 16 is bridged between the outer peripheral edge portions of the two isolation layers 12. The joint portion 16 closes a region sandwiched between the two isolation layers 12, cooperates with the two isolation layers 12, a part of the negative electrode current collector 5, two negative electrode layers 15, and a buffer layer 17 in this region. Enclose.

また、接合部16は、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン系接着剤、またはスチレン−ブタジエンゴム系接着剤等の接着材を2つの隔離層12のそれぞれの外周縁部間に充填し、硬化させたものである。接合部16は、緩衝層17、および電解質7の両方に晒されるため、耐有機電解質性と耐アルカリ性とを有することが好ましい。なお、緩衝層17にポリマー電解質を使った場合には、接合部16は、耐アルカリ性を有していれば良い。   The joint 16 was filled with an adhesive such as an epoxy resin adhesive, a silicone adhesive, or a styrene-butadiene rubber adhesive between the outer peripheral edges of the two isolation layers 12 and cured. Is. Since the junction 16 is exposed to both the buffer layer 17 and the electrolyte 7, it is preferable to have organic electrolyte resistance and alkali resistance. In the case where a polymer electrolyte is used for the buffer layer 17, it is sufficient that the bonding portion 16 has alkali resistance.

なお、接合部16は、接着剤に代えて樹脂を充填し、硬化させたものであっても良い。   Note that the bonding portion 16 may be one that is filled with resin instead of the adhesive and cured.

本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、板形状の負極複合体8の両面を発電に寄与させる。この負極複合体8の両面化により、従来のリチウム空気電池に比べて、同体積あたり、電池反応に有効な面積を2倍に増加させて入出力密度を向上できる。   The lithium-air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to this embodiment cause both surfaces of the plate-shaped negative electrode composite 8 to contribute to power generation. By making the negative electrode composite 8 double-sided, it is possible to improve the input / output density by doubling the effective area for the battery reaction per volume compared to the conventional lithium-air battery.

また、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、従来のリチウム空気電池におけるラミネートフィルムを不要にし、部品点数の低減、およびラミネートフィルムのポリプロピレンとガラスセラミックスとの接合における困難な接着を不要にする。さらに、負極複合体8と空気極9とを1つの空気電池セル11として積層しやすい構造となっている。   Further, the lithium-air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to this embodiment eliminate the need for a laminate film in a conventional lithium-air battery, reduce the number of parts, and are difficult in joining the laminate film polypropylene and glass ceramics. No need for adhesion. Further, the negative electrode composite 8 and the air electrode 9 are easily stacked as one air battery cell 11.

負極複合体と空気極とを対にした単セルごとに水溶液系電解質を内包する従来のリチウム空気電池に比べて、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、複数の空気電池セル11を並列接続して1つのケース2に収容する。このような構造によって、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、空気電池セル11ごとの仕切り(従来のリチウム空気電池の外装に相当する)を必要とせず、複数の空気電池セル11で電解質7を共有し、リチウム空気電池1全体として電解質7の貯留量を最適化して重量や体積を低減できる。   Compared to a conventional lithium air battery in which an aqueous electrolyte is included in each unit cell in which a negative electrode composite and an air electrode are paired, the lithium air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment include a plurality of air. Battery cells 11 are connected in parallel and accommodated in one case 2. With such a structure, the lithium air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment do not require a partition for each air battery cell 11 (corresponding to the exterior of a conventional lithium air battery), and a plurality of air The battery 7 can share the electrolyte 7, and the lithium-air battery 1 as a whole can optimize the storage amount of the electrolyte 7 to reduce the weight and volume.

さらに、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、ケース2内に水系電解質を電解質7として蓄える場合には、放電の進行にともなって電解質7が揮発しても次々に空気極9へ電解質7を補給できる。これにより、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、長期に亘って電解質7の補充を必要とせず、電解質7の不足による性能低下を防止する。   Furthermore, when the lithium-air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment store the aqueous electrolyte as the electrolyte 7 in the case 2, even if the electrolyte 7 volatilizes as the discharge progresses, the air is successively introduced. The electrolyte 7 can be supplied to the pole 9. As a result, the lithium-air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment do not require replenishment of the electrolyte 7 over a long period of time, and prevent performance degradation due to shortage of the electrolyte 7.

さらにまた、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8は、2つの隔離層12を接合部16で接合するため、ラミネートフィルムのポリプロピレンとガラスセラミックスとの接合における困難な接着に比べて容易に製造できる。   Furthermore, since the lithium-air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment join the two isolation layers 12 at the joint 16, compared with difficult adhesion in joining the laminate film polypropylene and glass ceramics. And can be manufactured easily.

したがって、本実施形態に係るリチウム空気電池1、および負極複合体8によれば、従来の空気電池に比べてエネルギー密度および入出力密度を増加させても極端な大型化を抑制してコンパクトにできる。   Therefore, according to the lithium air battery 1 and the negative electrode composite 8 according to the present embodiment, even if the energy density and the input / output density are increased as compared with the conventional air battery, it can be made compact by suppressing an extreme increase in size. .

図7は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の例を示す概略的な断面図である。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another example of the negative electrode composite body of the lithium-air battery according to the embodiment of the present invention.

図7に示すように、負極複合体8Aは、負極集電体5と、2つの負極層15と、2つの隔離層12と、緩衝層17と、ガスケット18と、外周封止部材19とを備える。同一の符号を付した構成要素は、図5、6について説明した実施形態と同一の構成を持ち、重複する説明は省略する。負極複合体8Aは、リチウム空気電池1、1Aにおいて、負極複合体8に代えて使用されることができる。   As shown in FIG. 7, the negative electrode composite 8A includes a negative electrode current collector 5, two negative electrode layers 15, two isolation layers 12, a buffer layer 17, a gasket 18, and an outer peripheral sealing member 19. Prepare. Components having the same reference numerals have the same configurations as those in the embodiment described with reference to FIGS. 5 and 6, and redundant descriptions are omitted. The negative electrode composite 8A can be used in place of the negative electrode composite 8 in the lithium-air batteries 1 and 1A.

本実施形態では、負極層15の外周を取り囲むようにガスケット18が2つの隔離層12の間に配置され、負極層15はガスケット18の枠内に配置される。ガスケット18は、隔離層12の各々の内面に任意の方法により固定されてよいが、好ましくはガスケット18自体の吸着性および/または粘着性により固定される。ガスケット18は、負極層15の外周に接していてもよく、外周から離れていてもよい。ガスケット18は、2つのガスケットからなり、2つの隔離層12の各々の内面上に配置された後に重ね合わされる。2つのガスケットの重ね合わせ面20は、好ましくはガスケット自体の吸着性および/または粘着性により密着しており、ガスケット18内の空間は密閉される。負極集電体5は、重ね合わせ面20を通して負極複合体8Aの外部に導出される。あるいは、ガスケット18は、1つの部材として構成されていてもよく、かかる場合は、負極集電体5のための貫通孔がガスケット18に設けられている。   In the present embodiment, the gasket 18 is disposed between the two isolation layers 12 so as to surround the outer periphery of the negative electrode layer 15, and the negative electrode layer 15 is disposed in the frame of the gasket 18. The gasket 18 may be fixed to the inner surface of each of the isolation layers 12 by any method, but is preferably fixed by the adsorptivity and / or adhesiveness of the gasket 18 itself. The gasket 18 may be in contact with the outer periphery of the negative electrode layer 15 or may be separated from the outer periphery. The gasket 18 consists of two gaskets and is overlaid after being placed on the inner surface of each of the two isolation layers 12. The overlapping surfaces 20 of the two gaskets are preferably in close contact with each other due to the adsorptivity and / or adhesiveness of the gasket itself, and the space in the gasket 18 is sealed. The negative electrode current collector 5 is led out of the negative electrode composite 8 </ b> A through the overlapping surface 20. Alternatively, the gasket 18 may be configured as one member. In such a case, a through hole for the negative electrode current collector 5 is provided in the gasket 18.

ガスケット18としては、有機電解質に耐性があるゴムまたはエラストマーであれば特に限定されないが、エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムまたはエラストマー、またはフッ素系のゴムまたはエラストマーが好適である。エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムとしては、例えば、EPM、EPDM、EPTが挙げられる。フッ素系のゴムまたはエラストマーとしては、例えば、フッ化ビニリデン系(FKM)、テトラフルオロエチレン-プロピレン系(FEPM)、テトラフルオロエチレン-パープルオロビニルエーテル系(FFKM)等が挙げられる。ゴムまたはエラストマーの物性は、軟らかい硬度であることが好ましい。ガスケット材料の硬度は、好ましくはショアA50〜70付近である。ガスケット材料が著しく柔らかい場合、加工性が悪い等の問題がある場合がある。ガスケット18が柔らかい硬度およびゴム弾性を有することにより、負極複合体8A内部の構成部材の均一な高さ調整が可能となる。すなわち、隔離層12の一方または両方を、直接または間接に押圧することで、緩衝層17と隔離層12との接触面の全体的な密着性を向上させることができる。さらに、これにより、緩衝層17を介した隔離層12と負極層15との接触性を高めることができる。また、ゴムまたはエラストマーは、成形前の原料が液状のタイプで、吸着性および/または粘着性が高いものが好ましい。   The gasket 18 is not particularly limited as long as it is a rubber or elastomer resistant to an organic electrolyte, but a rubber or elastomer made of ethylene-propylene-diene copolymer, or a fluorine-based rubber or elastomer is suitable. Examples of the rubber made of ethylene-propylene-diene copolymer include EPM, EPDM, and EPT. Examples of the fluorine-based rubber or elastomer include vinylidene fluoride (FKM), tetrafluoroethylene-propylene (FEPM), tetrafluoroethylene-purple fluorovinyl ether (FFKM), and the like. The physical property of the rubber or elastomer is preferably a soft hardness. The hardness of the gasket material is preferably around Shore A 50-70. If the gasket material is extremely soft, there may be problems such as poor processability. Since the gasket 18 has soft hardness and rubber elasticity, it is possible to adjust the height of the constituent members inside the negative electrode composite 8A. That is, by pressing one or both of the isolation layers 12 directly or indirectly, the overall adhesion of the contact surface between the buffer layer 17 and the isolation layer 12 can be improved. Furthermore, this makes it possible to improve the contact between the isolation layer 12 and the negative electrode layer 15 via the buffer layer 17. Further, the rubber or elastomer is preferably a type in which the raw material before molding is liquid and has high adsorptivity and / or adhesiveness.

ガスケット18は、好ましくは四角形の窓枠状の形状である。ガスケット18のサイズは、枠内に負極層15を配置可能な内寸を有し、隔離層12とほぼ同じ大きさの外寸である。ガスケット18の厚さは、隔離層12間に積層される構成部材の厚さの合計と同程度の厚さであってよい。   The gasket 18 preferably has a rectangular window frame shape. The size of the gasket 18 has an inner dimension in which the negative electrode layer 15 can be disposed in the frame, and is an outer dimension that is almost the same size as the isolation layer 12. The thickness of the gasket 18 may be approximately the same as the total thickness of the components laminated between the isolation layers 12.

外周封止部材19は、2つの隔離層12の外周端に配置され、負極集電体の残部を2つの隔離層間の外側に露出させつつ2つの隔離層間を密閉封止する。外周封止部材19は、2つの隔離層12の外周端縁の全周に、2つの隔離層間の隙間を覆うように配置される。外周封止部材19は、好ましくはガスケット18に接触し、隔離層12およびガスケット18を外部から固定する。外周封止部材19により、負極複合体8Aの密閉性をさらに向上させることができる。外周封止部材19としては、2つの隔離層間を密閉封止可能であり、負極複合体8Aの厚さ方向に収縮可能であるものあれば特に限定されないが、好ましくは接着剤である。接着剤としては、透湿性が低く、密閉性が高いものが好適であり、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤、オレフィン系接着剤、および合成ゴム系接着剤などが挙げられる。より好ましくは、接着剤は、水系電解質(好ましくは有機電解質)に対する耐性をさらに有しており、例えば、エポキシ系接着剤、オレフィン系接着剤等である。接着剤は、室温で短時間で硬化する硬化条件を有するものが好ましい。また、外周封止部材19として使用される接着剤には、金属リチウムを劣化させるアルコール系溶剤等が微量成分として含まれる場合があるが、ガスケット18により隔離層間の空間が密閉されているため、このようなアルコール系溶剤の負極複合体8A内部への侵入を防ぐことができる。この結果、外部封止部材19に使用可能な接着剤の種類の自由度を向上することができる。接着剤は、負極集電体5が貫通する貫通部を有する。   The outer peripheral sealing member 19 is disposed at the outer peripheral ends of the two isolation layers 12 and hermetically seals the two isolation layers while exposing the remaining part of the negative electrode current collector to the outside of the two isolation layers. The outer peripheral sealing member 19 is disposed on the entire periphery of the outer peripheral edge of the two isolation layers 12 so as to cover the gap between the two isolation layers. The outer peripheral sealing member 19 preferably contacts the gasket 18 and fixes the isolation layer 12 and the gasket 18 from the outside. The outer periphery sealing member 19 can further improve the sealing performance of the negative electrode composite 8A. The outer peripheral sealing member 19 is not particularly limited as long as it can be hermetically sealed between two isolation layers and can shrink in the thickness direction of the negative electrode composite 8A, but is preferably an adhesive. Adhesives with low moisture permeability and high sealing properties are suitable, for example, epoxy adhesives, acrylic adhesives, silicone adhesives, olefin adhesives, and synthetic rubber adhesives. Can be mentioned. More preferably, the adhesive further has resistance to an aqueous electrolyte (preferably an organic electrolyte), and examples thereof include an epoxy adhesive and an olefin adhesive. The adhesive preferably has curing conditions that cure in a short time at room temperature. In addition, the adhesive used as the outer peripheral sealing member 19 may contain a trace amount component such as an alcohol-based solvent that deteriorates metallic lithium, but since the space between the isolation layers is sealed by the gasket 18, Such an alcohol solvent can be prevented from entering the negative electrode composite 8A. As a result, the degree of freedom of the type of adhesive that can be used for the external sealing member 19 can be improved. The adhesive has a penetrating portion through which the negative electrode current collector 5 penetrates.

あるいは、外周封止部材19は、2つの隔離層12の各々の外面を外周端付近において押圧して挟持することにより固定する部材、例えばクリップなどであってもよい。外周封止部材19がこのような部材である場合、使用中の放電により負極層15の厚さが低減してしまった際に、隔離層12の一方または両方を押圧する作業を行うことなく、負極層15と隔離層12との距離を自動的に収縮させ、緩衝層17と隔離層12との密着性、および負極層15と隔離層12との緩衝層17を介した密着性を維持することができる。また、ガスケット18による2つの隔離層間の密閉性を強化することができる。外部封止部材19としてのクリップなどの部材は、上記の接着剤と併用することもできる。   Alternatively, the outer peripheral sealing member 19 may be a member that is fixed by pressing and sandwiching the outer surface of each of the two isolation layers 12 in the vicinity of the outer peripheral end, such as a clip. When the outer peripheral sealing member 19 is such a member, when the thickness of the negative electrode layer 15 is reduced due to discharge during use, without performing an operation of pressing one or both of the isolation layers 12, The distance between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 is automatically contracted to maintain the adhesion between the buffer layer 17 and the isolation layer 12 and the adhesion between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 via the buffer layer 17. be able to. Further, the sealing property between the two isolation layers by the gasket 18 can be enhanced. A member such as a clip as the external sealing member 19 can be used in combination with the above adhesive.

本実施形態に係る負極複合体8Aは、隔離層12の一方または両方を押圧することにより、緩衝層17を介した隔離層12と負極層15との密着性を高めることができ、その結果、内部抵抗を低下させ、放電電圧を増加させることができる。リチウム空気電池の使用中の放電により、負極層15の厚さが低減してしまい、緩衝層17と隔離層12との密着性および緩衝層17を介した負極層15と隔離層12との密着性が低下した場合においても、再度、隔離層12の一方または両方を直接または間接に押さえ付けるだけで、負極層15と隔離層12との距離を縮めることができ、負極層15と隔離層12との密着性を確保できる。すなわち、放電により、隔離層12と緩衝層17、および隔離層12と負極層15との緩衝層17を介した密着性が低下しても、負極複合体を分解することなく、押圧という簡単な作業のみによって内部抵抗の低下、つまり、放電電圧の増加を達成することができる。  The negative electrode composite 8A according to the present embodiment can increase the adhesion between the isolation layer 12 and the negative electrode layer 15 via the buffer layer 17 by pressing one or both of the isolation layers 12, and as a result, The internal resistance can be reduced and the discharge voltage can be increased. Due to the discharge during use of the lithium-air battery, the thickness of the negative electrode layer 15 is reduced, and the adhesion between the buffer layer 17 and the isolation layer 12 and the adhesion between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 through the buffer layer 17 are reduced. Even in the case where the property is deteriorated, the distance between the negative electrode layer 15 and the isolation layer 12 can be shortened by directly or indirectly pressing one or both of the isolation layers 12 again. Can be secured. That is, even if the adhesion between the isolation layer 12 and the buffer layer 17 and the isolation layer 12 and the negative electrode layer 15 through the buffer layer 17 is reduced due to the discharge, the negative electrode complex is not decomposed and is simply pressed. A reduction in internal resistance, that is, an increase in discharge voltage can be achieved only by work.

さらに、本実施形態に係る負極複合体8Aでは、ガスケット18同士、およびガスケット18と隔離層12とがガスケット18の吸着および/または粘着により固定されているため、負極複合体8A内の空間の密閉性が高い。また、外周封止部材19を備えることにより、密閉性をさらに高めることができる。このため、負極複合体8A内への水分や溶液の侵入を防ぐことができる。   Furthermore, in the negative electrode composite 8A according to the present embodiment, the gaskets 18 and the gasket 18 and the isolation layer 12 are fixed by the adsorption and / or adhesion of the gasket 18, and therefore the space in the negative electrode composite 8A is sealed. High nature. Further, by providing the outer peripheral sealing member 19, the sealing performance can be further enhanced. For this reason, the penetration | invasion of the water | moisture content and solution into the negative electrode composite 8A can be prevented.

さらに、本実施形態に係る負極複合体8Aでは、ガスケット18同士、またはガスケット18と隔離層12とがガスケット18の吸着および/または粘着により固定されているため、外周封止部材19として接着剤を塗布する際にはガスケット18同士または隔離層12とガスケット18との横ズレが生じる問題がない。よって、負極複合体8Aの製造過程における作業性が向上するという効果がある。   Furthermore, in the negative electrode composite body 8A according to the present embodiment, the gaskets 18 or the gasket 18 and the isolation layer 12 are fixed by the adsorption and / or adhesion of the gasket 18, so that an adhesive is used as the outer peripheral sealing member 19. When applying, there is no problem that lateral displacement between the gaskets 18 or between the isolation layer 12 and the gasket 18 occurs. Therefore, there is an effect that workability in the manufacturing process of the negative electrode composite 8A is improved.

また、本実施形態に係る負極複合体8Aでは、ガスケット18が有機電解質に耐性があるため、接着剤や樹脂等の劣化原因となる有機電解質を負極複合体内に用いても、ガスケット18が劣化せず、負極複合体8A内部の密閉性を維持することができる。   Further, in the negative electrode composite 8A according to this embodiment, since the gasket 18 is resistant to an organic electrolyte, the gasket 18 is deteriorated even when an organic electrolyte that causes deterioration of an adhesive, a resin, or the like is used in the negative electrode composite. Therefore, the hermeticity inside the negative electrode composite 8A can be maintained.

図8は、本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の例を示す概略的な断面図である。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another example of the negative electrode composite body of the lithium-air battery according to the embodiment of the present invention.

図8に示すように、負極複合体8Bでは、負極複合体8Aと比較して、負極層15の隔離層12に対する面積割合が高く、ガスケット18の一部が隔離層12の端部外側にはみ出している。また、外周封止部材19は、2つの隔離層12の外周端の全周にかけて、ガスケット18を覆いつつ、隔離層12の外周端縁に配設されている。同一の符号を付した構成要素は、図5〜7について説明した実施形態と同一の構成を持ち、重複する説明は省略する。負極複合体8Bは、リチウム空気電池1、1Aにおいて、負極複合体8に代えて使用されることができる。   As shown in FIG. 8, in the negative electrode composite 8B, the area ratio of the negative electrode layer 15 to the isolation layer 12 is higher than that of the negative electrode composite 8A, and a part of the gasket 18 protrudes outside the end of the isolation layer 12. ing. The outer peripheral sealing member 19 is disposed on the outer peripheral edge of the isolation layer 12 while covering the gasket 18 over the entire outer periphery of the two isolation layers 12. Components having the same reference numerals have the same configuration as the embodiment described with reference to FIGS. 5 to 7, and redundant description is omitted. Negative electrode composite 8B can be used in place of negative electrode composite 8 in lithium-air batteries 1 and 1A.

本実施形態に係る負極複合体8Bは、負極層15の隔離層12に対する面積割合が高いため、負極複合体8Bのサイズをコンパクトに維持しつつ、電池容量を増加させることができる。   Since the negative electrode composite 8B according to this embodiment has a high area ratio of the negative electrode layer 15 to the isolation layer 12, the battery capacity can be increased while maintaining the size of the negative electrode composite 8B compact.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明に係るリチウム空気電池および負極複合体は下記実施例によって制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, the lithium air battery and negative electrode composite_body | complex which concern on this invention are not restrict | limited by the following Example.

[実施例1]
(負極複合体の作製)
負極複合体108を、以下の手順で作製した。図9には、負極複合体の分解した状態と組み立てた状態を示す。
(1)負極複合体108の構成部材である固体電解質112(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム115(四角形、2枚、1枚の銅箔(負極集電体)105(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、セルロースセパレータ117(四角形、2枚)、およびガスケットシート118(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質112の各々にガスケットシート118を貼り付けた。
(2) 図9において下側に示される1枚の固体電解質112上に、セルロースセパレータ117を、ガスケットシート118の枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)をセルロースセパレータ117に滴下して全体に染み込ませた。金属リチウム115を、セルロースセパレータ117上に、ガスケットシート118の枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータ117を金属リチウム115上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ117に有機電解質を滴下し、全体に染み込ませた。
(3)(1)で作製した上側の固体電解質112を、(2)の作製物の上から被せ、上側と下側のガスケットシート118をずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート118の粘着性により密閉させた。負極複合体208の内部の構成部材同士が、特に固体電解質112と金属リチウム115とが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(4)エポキシ系接着剤119(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質112の間を密閉するように、固体電解質112の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤119を硬化させた。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode composite)
The negative electrode composite 108 was produced by the following procedure. FIG. 9 shows the disassembled state and assembled state of the negative electrode composite.
(1) Solid electrolyte 112 (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, two pieces), which is a constituent member of the negative electrode composite 108, metal lithium 115 (square, two pieces, one piece of copper foil (negative electrode collection) Electrical body) 105 (attached to both sides of a rectangular plate-shaped portion and a belt-shaped terminal portion)), cellulose separator 117 (square, two sheets), and gasket sheet 118 (EPDM, square frame, two sheets) are prepared. did. A gasket sheet 118 was attached to each of the two solid electrolytes 112.
(2) On one solid electrolyte 112 shown on the lower side in FIG. 9, a cellulose separator 117 is disposed so as to enter the frame of the gasket sheet 118, and an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M). Of LiPF 6 ) was dropped into the cellulose separator 117 and soaked throughout. The metallic lithium 115 was placed on the cellulose separator 117 so as to enter the frame of the gasket sheet 118, and the second cellulose separator 117 was placed on the metallic lithium 115. An organic electrolyte was dropped onto the second cellulose separator 117 and soaked throughout.
(3) The upper solid electrolyte 112 produced in (1) is placed over the product obtained in (2), and the upper and lower gasket sheets 118 are pasted so as not to shift so that no external air or the like enters. Thus, the gasket sheet 118 was sealed by the adhesiveness. The components inside the negative electrode composite 208 were fixed by pressing the whole from the outside so that the solid electrolyte 112 and the metal lithium 115 were particularly in good contact with each other.
(4) An epoxy adhesive 119 (two-component room temperature curing type) is thinly applied to the entire periphery of the outer peripheral edge of the solid electrolyte 112 so that the space between the two solid electrolytes 112 is sealed. 119 was cured.

(空気極の作製)
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、カーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量0.25mg/cmの空気極を作製した。空気極の集電体として、空気極のカーボンクロスを直方形の形状で延長させたものとした。
(Production of air electrode)
N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was measured by measuring 80 mg of platinum-supported carbon (Pt 45.8%) as a catalyst for oxygen reduction of the positive electrode and 20 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder). 3 ml was added to prepare a mixed solvent.
Stir and disperse the mixed solvent for 15 minutes with an agitator (AR-100 manufactured by Shinki Co., Ltd.) and 60 minutes with ultrasonic waves, and apply on the carbon cloth using a coating machine (K202 Control Coater made by Matsuo Sangyo). Then, it was placed on a hot plate and dried by heating at 110 ° C. for 1 hour to produce an air electrode having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 . As a current collector for the air electrode, the carbon cloth of the air electrode was extended in a rectangular shape.

(水系電解質の調製)
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の間に配置した。
(Preparation of aqueous electrolyte)
4.24 g of LiCl was dissolved in 50 ml of purified water to prepare a 2M LiCl aqueous solution. In order to hold the aqueous electrolyte, the aqueous electrolyte was dropped onto the cellulose sheet and placed between the air electrode and the negative electrode.

(セルの作製)
負極複合体を収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体、水系電解質を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、リチウム空気電池のセルとした。
(Production of cell)
In a plastic case with a hole and a size that can accommodate the negative electrode composite, the air electrode, the cellulose sheet with the aqueous electrolyte dropped, the negative electrode composite, the cellulose sheet with the aqueous electrolyte dropped, and the air electrode in this order The stacked ones were stored so that there was no displacement, and a lithium-air battery cell was obtained.

[比較例1]
(負極複合体の作製)
負極複合体208を、次の手順で作製した。固体電解質212(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、1枚)の一面に窓材用のアルミラミネート包材202(PP樹脂/アルミ/PET樹脂、四角枠)を合成ゴム系接着剤で接着した。固体電解質212のもう一方の面に、セルロースセパレータ217(四角形、1枚)を配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)を染み込ませた。次いで、負極集電体(銅箔)205の片面に貼り付けられた金属リチウム215をセルロースセパレータ217上に配置した。これらの部材を、窓材用のアルミラミネート包材202と外側用のアルミラミネート包材202(PP樹脂/アルミ/PET樹脂、四角形)との間に入れて包んで袋状のセルにするため、外側用と窓材用のアルミラミネート包材202の四辺の端部を重ね合わせた状態で熱溶着して密閉した。金属リチウムの使用量は実施例1とほぼ同一とした。
[Comparative Example 1]
(Preparation of negative electrode composite)
A negative electrode composite 208 was produced by the following procedure. Aluminum laminate packaging material 202 (PP resin / aluminum / PET resin, square frame) for window material on one surface of solid electrolyte 212 (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, 1 sheet) Synthetic rubber adhesive Glued with. On the other surface of the solid electrolyte 212, a cellulose separator 217 (square, one sheet) was disposed, and an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) was impregnated. Next, metallic lithium 215 attached to one surface of the negative electrode current collector (copper foil) 205 was placed on the cellulose separator 217. In order to wrap these members between the aluminum laminate packaging material 202 for window material and the aluminum laminate packaging material 202 for outside (PP resin / aluminum / PET resin, square) to form a bag-like cell, The ends of the four sides of the aluminum laminate packaging material 202 for the outside and the window material were heat-welded and sealed. The amount of metallic lithium used was almost the same as in Example 1.

(空気極の作製)
空気極209の作製は、実施例1と同様にして行った。空気極集電体206としてはアルミ箔を使用した。
(Production of air electrode)
The air electrode 209 was produced in the same manner as in Example 1. An aluminum foil was used as the air electrode current collector 206.

(水系電解質の調製)
水系電解質の調製は、実施例1と同様にして行った。
(Preparation of aqueous electrolyte)
The aqueous electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1.

(セルの作製)
比較例1のセルの構造は、その分解された状態が図10に示されている。比較例1の負極複合体208に、水系電解質を滴下したセルロースシート219、および空気極209をこの順にズレが無いように重ねてリチウム空気電池201のセルとした。
(Production of cell)
The structure of the cell of Comparative Example 1 is shown in FIG. A cell of the lithium-air battery 201 was formed by stacking the cellulose sheet 219 on which the aqueous electrolyte was dropped onto the negative electrode composite 208 of Comparative Example 1 and the air electrode 209 so that there was no deviation in this order.

[放電試験1]
実施例1および比較例1のセルにおいて、4mA/cm(約0.1Cの放電レート)で放電した際の放電電圧をBAS社製 電気化学アナライザALS608Aで6時間にわたって測定した。ここで、1Cは、公称容量を有するセルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電流値を指す。放電電圧の測定結果を図11に示す。図11に示されるように、実施例1のセルは、比較例1のセルと比べて全ての測定時間において高い放電電圧を示した。平均放電電圧は、実施例1のセル1.56V、比較例1のセルが0.65Vであり、実施例1のセルは2倍以上の値であった。
[Discharge test 1]
In the cells of Example 1 and Comparative Example 1, the discharge voltage when discharged at 4 mA / cm 2 (discharge rate of about 0.1 C) was measured with a BAS electrochemical analyzer ALS608A over 6 hours. Here, 1C refers to a current value at which discharge of a cell having a nominal capacity is constant current and the discharge is completed in exactly one hour. The measurement result of the discharge voltage is shown in FIG. As shown in FIG. 11, the cell of Example 1 showed a higher discharge voltage than the cell of Comparative Example 1 at all measurement times. The average discharge voltage of the cell of Example 1 was 1.56 V, the cell of Comparative Example 1 was 0.65 V, and the cell of Example 1 was twice or more.

[インピーダンス評価]
実施例1のセルと比較例1のセルの1MHz〜10mHzの範囲におけるインピーダンスをSolartron社製 周波数応答アナライザ(FRA)1255B型を用いて測定した。図12にその測定結果(ナイキストプロット)を示す。Z’は実数部を示し、Z’ ’は虚数部を示す。図12に示されるナイキストプロットから、実施例1のセルは、比較例1のセルよりもインピーダンスがおよそ半分という顕著に低い値を示すことが判明した。これにより、実施例1のセルと比較例1のセルは、同一条件で作製した空気極を使用しているため、実施例1のセルのインピーダンスの低さは、負極複合体における内部抵抗の低さに起因していると考えられる。また、実施例1のセルでは、負極複合体の内部抵抗が低いことにより、図11に示す放電電圧が高い値を示したと考えられる。
[Impedance evaluation]
The impedance in the range of 1 MHz to 10 mHz of the cell of Example 1 and the cell of Comparative Example 1 was measured using a Frequency Response Analyzer (FRA) 1255B manufactured by Solartron. FIG. 12 shows the measurement result (Nyquist plot). Z ′ represents a real part, and Z ′ ′ represents an imaginary part. From the Nyquist plot shown in FIG. 12, it was found that the cell of Example 1 showed a remarkably low value of about half the impedance of the cell of Comparative Example 1. Thereby, since the cell of Example 1 and the cell of Comparative Example 1 use the air electrode produced on the same conditions, the low impedance of the cell of Example 1 is low in internal resistance in a negative electrode composite. This is thought to be due to the above. Moreover, in the cell of Example 1, it is considered that the discharge voltage shown in FIG. 11 showed a high value due to the low internal resistance of the negative electrode composite.

[実施例2]
(負極複合体の作製)
実施例2の負極複合体を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのアルゴンガス雰囲気下、以下の手順で作製した。負極複合体の組み立ては、実施例1のセルの負極複合体について図9に示した構造と同様に行った。
(1)負極複合体の構成部材である固体電解質(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム(四角形、2枚、1枚の銅箔(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、セルロースセパレータ(四角形、2枚)、およびガスケットシート(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質の各々にガスケットシートを貼り付けた。
(2)PEOを有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)に加えてゲル状にして、5質量%の濃度のPEOのゲル電解質を調製した。次にゲル電解質にセルロースセパレータを浸した。このゲル電解質を含浸したセルロースセパレータを、1枚の固体電解質上に、ガスケットシートの枠内に入るように配置した。金属リチウムを、セルロースセパレータ上に、ガスケットシートの枠内に入るように配置し、2枚目の同様の方法によりゲルポリマーを含浸させたセルロースセパレータを金属リチウム上に配置した。
(3)(1)で作製した固体電解質を、(2)の作製物の上から被せ、上側と下側のガスケットシートをずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシートの粘着性により密閉させた。負極複合体の内部の構成部材同士が、特に固体電解質と金属リチウムとが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(4)エポキシ系接着剤(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質の間を密閉するように、固体電解質の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤を硬化させた。
[Example 2]
(Preparation of negative electrode composite)
The negative electrode composite of Example 2 was prepared by the following procedure in an argon gas atmosphere having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of -76 ° C. dp. The negative electrode composite was assembled in the same manner as the structure shown in FIG. 9 for the negative electrode composite of the cell of Example 1.
(1) Solid electrolyte (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, two pieces), metallic lithium (square, two pieces, one piece of copper foil (square plate-like part) which are constituent members of the negative electrode composite And a strip-shaped terminal portion), a cellulose separator (square, 2 sheets), and a gasket sheet (EPDM, square frame, 2 sheets) were prepared. A gasket sheet was attached to each of the two solid electrolytes.
(2) PEO was added to an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) to form a gel, and a PEO gel electrolyte having a concentration of 5% by mass was prepared. Next, a cellulose separator was immersed in the gel electrolyte. The cellulose separator impregnated with the gel electrolyte was placed on one solid electrolyte so as to enter the frame of the gasket sheet. The metallic lithium was placed on the cellulose separator so as to enter the frame of the gasket sheet, and the second cellulose separator impregnated with the gel polymer by the same method was placed on the metallic lithium.
(3) Cover the solid electrolyte prepared in (1) from the top of the product in (2) and paste the upper and lower gasket sheets so that they do not deviate from each other. It was sealed by the adhesiveness of. The members inside the negative electrode composite were pressed and fixed from the outside so that the solid electrolyte and lithium metal were in good contact with each other.
(4) Apply an epoxy adhesive (two-component room temperature curing type) thinly on the entire periphery of the outer edge of the solid electrolyte so as to seal between the two solid electrolytes, and cure the epoxy adhesive. It was.

(空気極の作製)
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、2枚の金属リチウムを合わせたものと同じサイズのカーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量0.5mg/cmの空気極を作製した。空気極の集電体として、空気極のカーボンクロスを直方形の形状で延長させたものとした。
(Production of air electrode)
N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was measured by measuring 80 mg of platinum-supported carbon (Pt 45.8%) as a catalyst for oxygen reduction of the positive electrode and 20 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder). 3 ml was added to prepare a mixed solvent.
The mixed solvent was stirred and dispersed for 15 minutes with a stirrer (AR-100 manufactured by Shinki Co., Ltd.) and 60 minutes with ultrasonic waves, and two metallic lithiums were combined using a coating machine (K202 control coater manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.). It apply | coated on the carbon cloth of the same size as a thing, Then, it put on the hotplate and heat-dried at 110 degreeC for 1 hour, and produced the air electrode of platinum carrying amount 0.5mg / cm < 2 >. As a current collector for the air electrode, the carbon cloth of the air electrode was extended in a rectangular shape.

(水系電解質の調製)
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の間に配置した。
(Preparation of aqueous electrolyte)
4.24 g of LiCl was dissolved in 50 ml of purified water to prepare a 2M LiCl aqueous solution. In order to hold the aqueous electrolyte, the aqueous electrolyte was dropped onto the cellulose sheet and placed between the air electrode and the negative electrode.

(セルの作製)
負極複合体を収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体、水系電解質を500μl程度を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、実施例2のリチウム空気電池のセルとした。
(Production of cell)
An air electrode, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, a negative electrode composite, a cellulose sheet in which about 500 μl of an aqueous electrolyte is dropped, and an air electrode in a plastic case with a hole and a size that can accommodate the negative electrode composite Were stacked so that there was no deviation in this order, and the cell of the lithium-air battery of Example 2 was obtained.

[実施例3]
(負極複合体の作製)
実施例3のセルの負極複合体を、以下の手順で作製した。負極複合体の組み立ては、実施例1のセルの負極複合体について図9に示した構造と同様に行った。実施例3のセルでは、ゲル電解質を含浸したセルロースセパレータの代わりに有機電解質を含浸したセルロースセパレータを緩衝層として使用した以外は、実施例2のセルと同じ材質および大きさの構成部材を用いた。
(1)負極複合体の構成部材である固体電解質(リチウムイオン電導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属Li(四角形、2枚、1枚の銅箔(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、セルロースセパレータ(四角形、2枚)、およびガスケットシート(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質の各々にガスケットシートを貼り付けた。
(2)1枚の固体電解質上に、セルロースセパレータを、ガスケットシートの枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)をセルロースセパレータに滴下して全体に染み込ませた。金属Liを、セルロースセパレータ上にガスケットシートの枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータを金属Li上に配置した。2枚目のセルロースセパレータに有機電解質を滴下し、全体に染み込ませた。
(3)(1)で作製した固体電解質を、(2)の作製物の上から被せ、2枚の固体電解質の各々に貼り付けたガスケットシートを相互にずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシートの粘着性により密閉した。負極複合体の内部の構成部材同士が、特に固体電解質と金属Liとが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定した。
(4)エポキシ系接着剤(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質の間を密閉するように、固体電解質の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤を硬化させた。
[Example 3]
(Preparation of negative electrode composite)
The negative electrode composite of the cell of Example 3 was produced by the following procedure. The negative electrode composite was assembled in the same manner as the structure shown in FIG. 9 for the negative electrode composite of the cell of Example 1. In the cell of Example 3, components having the same material and size as those of the cell of Example 2 were used except that a cellulose separator impregnated with an organic electrolyte was used as a buffer layer instead of a cellulose separator impregnated with a gel electrolyte. .
(1) Solid electrolyte (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, two pieces), metal Li (square, two pieces, one piece of copper foil (rectangular plate-like portion) which are constituent members of the negative electrode composite And a strip-shaped terminal portion), a cellulose separator (square, 2 sheets), and a gasket sheet (EPDM, square frame, 2 sheets) were prepared. A gasket sheet was attached to each of the two solid electrolytes.
(2) A cellulose separator is disposed on one solid electrolyte so as to enter the frame of the gasket sheet, and an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) is dropped onto the cellulose separator. Soaked in the whole. Metal Li was placed on the cellulose separator so as to enter the frame of the gasket sheet, and a second cellulose separator was placed on the metal Li. The organic electrolyte was dropped into the second cellulose separator and soaked throughout.
(3) The solid electrolyte prepared in (1) is placed on the product of (2), and the gasket sheets attached to each of the two solid electrolytes are pasted so as not to deviate from each other. It was sealed by the adhesiveness of the gasket sheet so as not to enter. The constituent members inside the negative electrode composite were pressed and fixed from the outside so that the solid electrolyte and the metal Li were particularly in good contact with each other.
(4) Apply an epoxy adhesive (two-component room temperature curing type) thinly on the entire periphery of the outer edge of the solid electrolyte so as to seal between the two solid electrolytes, and cure the epoxy adhesive. It was.

空気極の作製、水系電解質の調製、およびセルの作製は、実施例2と同様にして行った。   The production of the air electrode, the preparation of the aqueous electrolyte, and the production of the cell were carried out in the same manner as in Example 2.

[放電試験2]
実施例2および実施例3のセルにおいて、4mA/cm(約0.1Cの放電レート)で放電した際の放電電圧をBAS社製 電気化学アナライザALS608Aで7時間にわたって測定した。ここで、1Cは、公称容量を有するセルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電流値を指す。放電電圧の測定結果を図13および表1に示す。図13および表1に示されるように、実施例2のセルおよび実施例3のセルはいずれも、全ての測定時間において高い放電電圧を示した。平均放電電圧は、実施例2のセル1.89V、実施例3のセルが1.33Vであり、実施例2のセルは実施例3のセルと比べて放電電圧が大幅に向上していた。
[Discharge test 2]
In the cells of Example 2 and Example 3, the discharge voltage when discharged at 4 mA / cm 2 (discharge rate of about 0.1 C) was measured over 7 hours with an electrochemical analyzer ALS608A manufactured by BAS. Here, 1C refers to a current value at which discharge of a cell having a nominal capacity is constant current and the discharge is completed in exactly one hour. The measurement results of the discharge voltage are shown in FIG. As shown in FIG. 13 and Table 1, both the cell of Example 2 and the cell of Example 3 exhibited a high discharge voltage during all measurement times. The average discharge voltage was 1.89 V for the cell of Example 2, 1.33 V for the cell of Example 3, and the discharge voltage of the cell of Example 2 was significantly improved as compared to the cell of Example 3.

Figure 2015122295
Figure 2015122295

[実施例4]
(負極複合体の作製)
実施例4のセルの負極複合体を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのアルゴンガス雰囲気下、以下の手順で作製した。負極複合体の組み立ては、実施例1のセルの負極複合体について図9に示した構造と同様に行った。実施例4のセルでは、ゲル電解質を含浸したセルロースセパレータの代わりに粉末を含有するゲル電解質を緩衝層として使用した以外は、実施例2のセルと同じ材質および大きさの構成部材を用いた。
(1)負極複合体の構成部材である固体電解質(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム(四角形、2枚、1枚の銅箔(四角形の板状部と帯状の端子部分とからなる)の両面に貼付)、およびガスケットシート(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質の各々にガスケットシートを貼り付けた。
(2)PEOを有機電解質(有機電解液:EC:EMC=1:1、1MのLiPF)に加えてゲル状にして調製した5質量%のPEOに、平均粒子径5μmのポリプロピレンの微粉末パウダーを加えて、1質量%のポリプロピレンの微粉末を含む4質量%の濃度のPEOのゲル電解質を調製した。このポリプロピレンの微粉末パウダー入りのゲル電解質を、1枚の固体電解質上に、ガスケットシートの枠内に入るように載せて表面が均一になるようにスパチュラ等で調整した。その上に金属リチウムを載せ、ガスケットシートの枠内に入るように配置し、ポリプロピレンの微粉末パウダー入りのゲル電解質を金属リチウム上に載せて表面が均一になるように調整した。
(3)(1)で作製した固体電解質を、(2)の作製物の上から被せ、上側と下側のガスケットシートをずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシートの粘着性により密閉させた。負極複合体の内部の構成部材同士が、特に固体電解質と金属リチウムとがゲル電解質を介して密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(4)エポキシ系接着剤(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質の間を密閉するように、固体電解質の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤を硬化させた。
[Example 4]
(Preparation of negative electrode composite)
The negative electrode composite of the cell of Example 4 was prepared by the following procedure under an argon gas atmosphere having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of -76 ° C. dp. The negative electrode composite was assembled in the same manner as the structure shown in FIG. 9 for the negative electrode composite of the cell of Example 1. In the cell of Example 4, constituent members having the same material and size as those of the cell of Example 2 were used except that a gel electrolyte containing powder was used as a buffer layer instead of the cellulose separator impregnated with the gel electrolyte.
(1) Solid electrolyte (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, two pieces), metallic lithium (square, two pieces, one piece of copper foil (square plate-like part) which are constituent members of the negative electrode composite And a gasket sheet (EPDM, square frame, 2 sheets) were prepared. A gasket sheet was attached to each of the two solid electrolytes.
(2) PEO is added to an organic electrolyte (organic electrolyte solution: EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) to form a gel, 5% by mass of PEO, and a fine powder of polypropylene having an average particle size of 5 μm A powder electrolyte was added to prepare a gel electrolyte of PEO at a concentration of 4% by mass containing 1% by mass of polypropylene fine powder. The gel electrolyte containing the fine powder powder of polypropylene was placed on one solid electrolyte so as to enter the frame of the gasket sheet, and adjusted with a spatula or the like so that the surface was uniform. Metal lithium was placed thereon, placed so as to be within the frame of the gasket sheet, and a gel electrolyte containing a fine powder of polypropylene was placed on the metal lithium so as to have a uniform surface.
(3) Cover the solid electrolyte prepared in (1) from the top of the product in (2) and paste the upper and lower gasket sheets so that they do not deviate from each other. It was sealed by the adhesiveness of. The constituent members inside the negative electrode composite were fixed by pressing the whole from the outside so that the solid electrolyte and the metal lithium were particularly in good contact with each other through the gel electrolyte.
(4) Apply an epoxy adhesive (two-component room temperature curing type) thinly on the entire periphery of the outer edge of the solid electrolyte so as to seal between the two solid electrolytes, and cure the epoxy adhesive. It was.

(空気極の作製)
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、2枚の金属リチウムを合わせたものと同じサイズのカーボンクロス上に塗布し、その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量0.5mg/cmの空気極を作製した。空気極の集電体として、空気極のカーボンクロスを直方形の形状で延長させたものとした。
(Production of air electrode)
N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was measured by measuring 80 mg of platinum-supported carbon (Pt 45.8%) as a catalyst for oxygen reduction of the positive electrode and 20 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder). 3 ml was added to prepare a mixed solvent.
The mixed solvent was stirred and dispersed for 15 minutes with a stirrer (AR-100 manufactured by Shinki Co., Ltd.) and 60 minutes with ultrasonic waves, and two metallic lithiums were combined using a coating machine (K202 control coater manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.). It apply | coated on the carbon cloth of the same size as a thing, Then, it put on the hotplate and heat-dried at 110 degreeC for 1 hour, and produced the air electrode of platinum carrying amount 0.5mg / cm < 2 >. As a current collector for the air electrode, the carbon cloth of the air electrode was extended in a rectangular shape.

(水系電解質の調製)
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の間に配置した。
セルの作製は、実施例2と同様にして行った。
(Preparation of aqueous electrolyte)
4.24 g of LiCl was dissolved in 50 ml of purified water to prepare a 2M LiCl aqueous solution. In order to hold the aqueous electrolyte, the aqueous electrolyte was dropped onto the cellulose sheet and placed between the air electrode and the negative electrode.
The cell was manufactured in the same manner as in Example 2.

[放電試験3]
実施例4のセルの放電電圧を、放電試験2と同様の条件で測定した。その結果を、表2に示す。実施例4のセルは、高い初期放電電圧および平均放電電圧を示した。
[Discharge test 3]
The discharge voltage of the cell of Example 4 was measured under the same conditions as in discharge test 2. The results are shown in Table 2. The cell of Example 4 showed high initial discharge voltage and average discharge voltage.

Figure 2015122295
Figure 2015122295

1、1A リチウム空気電池
2 ケース
5 負極集電体
6、6A 空気極集電体
7 電解質
8、8A、8B 負極複合体
9、9A 空気極
11 空気電池セル
12 隔離層
13、13A 空気極層
13a 折り目
13b 平面部
15 負極層
16 接合部
17 緩衝層
18 ガスケット
19 外周封止部材
20 ガスケット合わせ面

105 銅箔
108 負極複合体
112 固体電解質
115 金属リチウム
117 セルロースセパレータ
118 ガスケットシート
119 エポキシ系接着剤


201 リチウム空気電池
202 アルミラミネート包材
205 負極集電体(銅箔)
206 空気極集電体
208 負極複合体
209 空気極
212 固体電解質
215 金属リチウム
217 セルロースセパレータ
219 セルロースシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A Lithium air battery 2 Case 5 Negative electrode current collector 6, 6A Air electrode current collector 7 Electrolyte 8, 8A, 8B Negative electrode composite 9, 9A Air electrode 11 Air battery cell 12 Isolation layer 13, 13A Air electrode layer 13a Crease 13b Flat portion 15 Negative electrode layer 16 Joint portion 17 Buffer layer 18 Gasket 19 Outer peripheral sealing member 20 Gasket mating surface

105 Copper foil 108 Negative electrode composite 112 Solid electrolyte 115 Metallic lithium 117 Cellulose separator 118 Gasket sheet 119 Epoxy adhesive


201 Lithium-air battery 202 Aluminum laminate packaging material 205 Negative electrode current collector (copper foil)
206 Air electrode current collector 208 Negative electrode composite 209 Air electrode 212 Solid electrolyte 215 Metal lithium 217 Cellulose separator 219 Cellulose sheet

Claims (11)

板状または線状の負極集電体と、
金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、
前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、
前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットと
を備える負極複合体と、
導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、
前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体と
を備える空気極と
を備えるリチウム空気電池。
A plate-like or linear negative electrode current collector;
Two negative electrode layers made of metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component and sandwiching a part of the negative electrode current collector,
Two plate-shaped isolation layers having lithium ion conductivity sandwiching all of the two negative electrode layers;
A negative electrode composite comprising a gasket disposed between the two isolation layers so as to surround the two negative electrode layers and sealing a space between the two isolation layers;
An air electrode layer containing a conductive material and facing at least one of the two isolation layers;
A lithium-air battery comprising: an air electrode comprising a plate-like or linear air electrode current collector electrically connected to the air electrode layer.
板状または線状の負極集電体と、
金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、またはリチウムを主成分とする化合物製で前記負極集電体の一部を挟み込む板形状の2つの負極層と、
前記2つの負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と、
前記2つの負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットと
を備えるリチウム空気電池の負極複合体。
A plate-like or linear negative electrode current collector;
Two negative electrode layers made of metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component and sandwiching a part of the negative electrode current collector,
Two plate-shaped isolation layers having lithium ion conductivity sandwiching all of the two negative electrode layers;
A negative electrode composite of a lithium air battery, comprising: a gasket disposed between the two isolation layers so as to surround the two negative electrode layers and sealing a space between the two isolation layers.
前記2つの隔離層間を密閉封止する外周封止部材を、前記2つの隔離層の外周部にさらに備える請求項2に記載のリチウム空気電池の負極複合体。   The negative electrode composite body of a lithium air battery according to claim 2, further comprising an outer peripheral sealing member that hermetically seals the two isolation layers on an outer peripheral portion of the two isolation layers. 前記ガスケットが、ゴムまたはエラストマーである、請求項2または3に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 2 or 3, wherein the gasket is rubber or elastomer. 前記ゴムまたはエラストマーが、エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムまたはエラストマー、またはフッ素系のゴムまたはエラストマーである、請求項4に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 4, wherein the rubber or elastomer is a rubber or elastomer made of ethylene-propylene-diene copolymer, or a fluorine-based rubber or elastomer. 前記負極層と前記隔離層との間に、緩衝層をさらに備える、請求項2〜5のいずれかに記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 2, further comprising a buffer layer between the negative electrode layer and the isolation layer. 前記緩衝層が、ゲル電解質、またはゲル電解質を含有するセパレータである、請求項6に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 6, wherein the buffer layer is a gel electrolyte or a separator containing a gel electrolyte. 前記ゲル電解質が、有機電解質に溶解しない粉末を含む、請求項7に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 7, wherein the gel electrolyte includes a powder that does not dissolve in the organic electrolyte. 前記粉末が、樹脂粉末である、請求項8に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 8, wherein the powder is a resin powder. 前記樹脂粉末が、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはそれらの混合物である、請求項9に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 9, wherein the resin powder is polypropylene, polyethylene, or a mixture thereof. 請求項2〜10のいずれかに記載の負極複合体と、
導電性材料を含有して前記2つの隔離層の少なくとも一方に対向する空気極層と、
前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体と
を備える空気極と
を備えるリチウム空気電池。
The negative electrode composite according to any one of claims 2 to 10,
An air electrode layer containing a conductive material and facing at least one of the two isolation layers;
A lithium-air battery comprising: an air electrode comprising a plate-like or linear air electrode current collector electrically connected to the air electrode layer.
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