JP2015130287A - Carbon complex and power storage device - Google Patents

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Shigeki Komine
重樹 小峰
紀和 安達
Norikazu Adachi
安達  紀和
信之 西
Nobuyuki Nishi
信之 西
明雄 太田
Akio Ota
明雄 太田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon complex capable of enhancing the cycle characteristics, and to provide a power storage device.SOLUTION: When the whole is 100 mass%, a carbon complex is composed of 0-1 mass% of Zn, a metal-based material selected from a metal that is electrochemically reactive to one of an alkaline metal and an alkaline-earth metal, a transition metal, their alloys, and their composite oxides, and the reminder of carbon. When measuring the pore distribution, the volume occupied by pores having a pore size of 10-60 nm is 40 vol% or more. A power storage device uses the inventive carbon complex.

Description

本発明は、炭素複合体及びそれを用いた蓄電デバイスに関する。   The present invention relates to a carbon composite and an electricity storage device using the same.

ノート型コンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ等電子機器の普及に伴い、これら電子機器を駆動するための二次電池の需要が拡大している。近年、これら電子機器においては、高機能化の進展に伴い消費電力が増大していることや、小型化が期待されていることから、二次電池の容量の増大が求められている。二次電池の中でも非水電解質二次電池(特に、リチウムイオン二次電池)が高容量化が可能であることから、種々の電子機器への利用が進められている。また、高容量化が可能な二次電池として、空気二次電池の開発も進められている。   With the widespread use of electronic devices such as notebook computers, mobile phones, and digital cameras, the demand for secondary batteries for driving these electronic devices is increasing. In recent years, these electronic devices have been required to increase the capacity of secondary batteries because power consumption has increased with the progress of higher functionality and miniaturization is expected. Among secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries (particularly lithium ion secondary batteries) can be increased in capacity, and thus are being used in various electronic devices. In addition, development of an air secondary battery is also underway as a secondary battery capable of increasing the capacity.

非水電解質二次電池は、一般に、正極活物質を有する正極活物質層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極活物質を有する負極活物質層を負極集電体の表面に形成した負極とが、非水電解質(非水電解液)を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。   A non-aqueous electrolyte secondary battery generally has a positive electrode in which a positive electrode active material layer having a positive electrode active material is formed on the surface of the positive electrode current collector, and a negative electrode active material layer having a negative electrode active material on the surface of the negative electrode current collector. The negative electrode is connected via a non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte solution) and stored in a battery case.

空気二次電池は、正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として種々の金属を用いる電池(二次電池)である。空気二次電池では、正極に、貴金属,金属酸化物,炭素材料等の触媒の利用が進められている。そして、亜鉛,アルミニウム,マグネシウム,リチウム等の金属を負極活物質として使用することの検討が進められている。   An air secondary battery is a battery (secondary battery) that uses oxygen in the air as a positive electrode active material and various metals as a negative electrode active material. In air secondary batteries, the use of catalysts such as noble metals, metal oxides, and carbon materials is being promoted for the positive electrode. Studies are underway on the use of metals such as zinc, aluminum, magnesium, and lithium as the negative electrode active material.

非水電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)の負極には、高容量が実現可能な負極材料(負極活物質)として、錫やシリコン等の粒子あるいはナノチューブが用いられようとしている。具体的には、銅被覆シリコンや炭素被覆シリコン等が検討されている。なお、シリコンは、厳密には半導体に属するものであるが半金属的な性質をも示すので、本願では金属として扱う。   As a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery (lithium ion secondary battery), particles such as tin or silicon or nanotubes are being used as a negative electrode material (negative electrode active material) capable of realizing a high capacity. Specifically, copper-coated silicon, carbon-coated silicon, and the like have been studied. Strictly speaking, silicon belongs to a semiconductor, but also exhibits a semi-metallic property, and therefore is treated as a metal in the present application.

しかしながら、シリコン(金属)は、リチウムを吸収した際の体積膨張が極めて大きいことが知られている。この大きな体積膨脹が繰り返されると、金属は、バラバラに破壊されるという問題があった。金属に破壊が生じると、電極(負極集電体)と電気的に接触しない破壊片が増加し、二次電池の電池容量が大幅に低下する。
このような問題に対して、特許文献1〜2には、多孔質炭素材料に金属を担持する技術が開示されている。
However, silicon (metal) is known to have a very large volume expansion when lithium is absorbed. When this large volume expansion is repeated, there is a problem that the metal is broken apart. When the metal is broken, the number of broken pieces that are not in electrical contact with the electrode (negative electrode current collector) increases, and the battery capacity of the secondary battery is greatly reduced.
In order to solve such a problem, Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for supporting a metal on a porous carbon material.

特許文献1には、活性炭のミクロ孔内に、リチウムと合金を形成できる金属、例えば錫,カルシウム,ストロンチウム,バリウム,イリジウムなどの活物質を担持させる技術が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique in which a metal capable of forming an alloy with lithium, for example, an active material such as tin, calcium, strontium, barium, or iridium, is supported in micropores of activated carbon.

特許文献2には、グラフェン多層膜で囲まれる領域が肺胞状の空孔であるような3次元的な連続構造を持つ炭素材料中にリチウムを吸蔵できる金属を担持した金属担持ナノ構造体を製造する技術が開示されている。この特許文献2では、空孔を備えた炭素材料中に金属粒子を内包した状態で担持することで、金属粒子の体積変化、さらには破壊が起こっても電気的接触を維持できる。   Patent Document 2 manufactures a metal-supported nanostructure in which a metal capable of occluding lithium is supported in a carbon material having a three-dimensional continuous structure in which a region surrounded by a graphene multilayer film is an alveolar hole. Techniques to do this are disclosed. In Patent Document 2, by supporting metal particles in a state of inclusion in a carbon material having pores, electrical contact can be maintained even if the volume of the metal particles changes or even destruction occurs.

特許第4069465号Patent No. 4069465 特開2012−56833号公報JP 2012-56833 A

しかしながら、特許文献1では、上述した活物質の添加量が活性炭を構成する炭素の質量の上限が30%となり、十分な容量維持率を得ることができないという問題があった。このことは、リチウムイオン二次電池が、結果として十分な充放電効率を得ることができなくなることも示す。   However, in Patent Document 1, there is a problem that the upper limit of the mass of carbon constituting the activated carbon is 30% due to the addition amount of the active material described above, and a sufficient capacity retention rate cannot be obtained. This also indicates that the lithium ion secondary battery cannot obtain sufficient charge / discharge efficiency as a result.

また、特許文献2では、リチウムイオン二次電池の充放電効率の向上の効果が限定的となるという問題があった。さらに、引用文献2に記載の金属担持ナノ構造体は、リチウムイオン二次電池の用途のみに限定されるという問題があった。   Moreover, in patent document 2, there existed a problem that the effect of the improvement of the charging / discharging efficiency of a lithium ion secondary battery became limited. Further, the metal-supported nanostructure described in the cited document 2 has a problem that it is limited only to the use of the lithium ion secondary battery.

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、二次電池(蓄電デバイス)に利用したときにサイクル特性を向上させることができる炭素複合体及びそれを用いた蓄電デバイスを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object to provide a carbon composite capable of improving cycle characteristics when used in a secondary battery (power storage device) and a power storage device using the same. And

上記課題を解決するために本発明者等は炭素複合体について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have studied the carbon composite, and as a result, have come to make the present invention.

本発明の炭素複合体は、全体を100mass%としたときに、0mass%よりも大きく、かつ1mass%以下の亜鉛と、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方と電気化学的に反応可能な金属,遷移金属,これらの合金,これらの複合酸化物より選ばれる金属系材料と、残部の炭素と、からなる炭素複合体であって、細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上であることを特徴とする。   The carbon composite of the present invention is a metal that can electrochemically react with zinc of greater than 0 mass% and less than 1 mass%, and at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, when the total is 100 mass%. , Transition metals, alloys thereof, metal materials selected from these composite oxides, and the balance carbon, and the pore diameter is 10 to 60 nm when pore distribution is measured. The volume occupied by the pores is 40 vol% or more.

本発明の炭素複合体は、所定量の亜鉛と金属系材料とを有する構成となっている。これにより、金属系材料が電気化学的な反応を長期間にわたって進行させることができる。すなわち、リチウムイオン等のイオンが電気容量を担う蓄電デバイスに利用したときに、サイクル特性の低下を抑えることができる。   The carbon composite of the present invention is configured to have a predetermined amount of zinc and a metal-based material. Thereby, a metal-type material can advance an electrochemical reaction over a long period of time. That is, when the ions such as lithium ions are used for an electricity storage device that takes charge of electric capacity, it is possible to suppress a decrease in cycle characteristics.

炭素が多孔質炭素基材を形成し、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の表面に担持されていることが好ましく、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることがより好ましい。   It is preferable that carbon forms a porous carbon substrate, and zinc and metal-based material are supported on the surface of the porous carbon substrate, and zinc and metal-based material are supported in the pores of the porous carbon substrate. More preferably.

亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材に担持されていることで、亜鉛及び金属系材料のそれぞれが、露出した状態となり、より確実に担持の効果を発揮できる。また、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることで、金属系材料が電気化学的な反応を生じて膨脹を生じたとしても、細孔によりその膨脹量が規制されることとなり、金属系材料の破壊が抑えられる。   Since zinc and a metal-type material are carry | supported by the porous carbon base material, each of zinc and a metal-type material will be in the exposed state, and can show the effect of carrying more reliably. In addition, because zinc and metal-based material are supported in the pores of the porous carbon base material, even if the metal-based material undergoes an electrochemical reaction and expands, the amount of expansion by the pores Is restricted, and the destruction of the metal-based material is suppressed.

金属系材料は、Sn,Siの少なくとも一方を、20mass%以上、かつ60mass%以下で含有することが好ましい。本発明の炭素複合体は、リチウムイオン二次電池に用いられることが好ましい。Sn及びSiは、リチウムイオン二次電池に大きな電池容量を得られる負極活物質として知られており、金属系材料を所定量でこれらから選択することで、リチウムイオン二次電池に用いたときに特に効果を発揮できる。   The metal material preferably contains at least one of Sn and Si at 20 mass% or more and 60 mass% or less. The carbon composite of the present invention is preferably used for a lithium ion secondary battery. Sn and Si are known as negative electrode active materials capable of obtaining a large battery capacity in lithium ion secondary batteries, and when used in lithium ion secondary batteries by selecting a metal-based material from these in a predetermined amount. Especially effective.

金属系材料は、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,Ru,Pd,Ag,Pt,Auの金属、前記金属を含む合金及び前記金属を含む複合酸化物、金属フタロシアニン類の少なくとも一種であることが好ましい。本発明の炭素複合体は、リチウム空気二次電池に用いられることが好ましい。これらの金属等は、リチウム空気二次電池の正極に利用できることが知られており、金属系材料をこれらから選択することで、リチウム空気二次電池に用いたときに特に効果を発揮できる。   The metal-based material is a metal of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Pd, Ag, Pt, or Au, an alloy containing the metal, a composite oxide containing the metal, or a metal phthalocyanine. One type is preferred. The carbon composite of the present invention is preferably used for a lithium air secondary battery. It is known that these metals can be used for the positive electrode of a lithium air secondary battery, and by selecting a metal-based material from these, the effect can be exhibited particularly when used for a lithium air secondary battery.

本発明の蓄電デバイスは、請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭素複合体を電極に用い、かつリチウムイオンが電気容量を担うことを特徴とする。
請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素複合体を負極に用いたリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
請求項1〜3,6〜7のいずれか1項に記載の炭素複合体を正極に用いたリチウム空気二次電池であることが好ましい。
The electricity storage device of the present invention is characterized in that the carbon composite according to any one of claims 1 to 7 is used as an electrode, and lithium ions bear electric capacity.
It is preferable that it is a lithium ion secondary battery which used the carbon composite_body | complex of any one of Claims 1-5 for the negative electrode.
It is preferable that it is a lithium air secondary battery using the carbon composite of any one of Claims 1-3 and 6-7 for the positive electrode.

本発明の蓄電デバイスは、上記の炭素複合体を用いてなるものであることから、上記の効果を発揮する。   Since the electricity storage device of the present invention is formed using the above-described carbon composite, the above-described effects are exhibited.

実施例1の炭素複合体の動径分布関数の導出結果を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a derivation result of a radial distribution function of the carbon composite of Example 1. 実施例1の炭素複合体のTEM写真である。2 is a TEM photograph of the carbon composite of Example 1. 実施例2のリチウム空気二次電池の構成を示す要部断面図である。3 is a cross-sectional view of a main part showing a configuration of a lithium-air secondary battery of Example 2. FIG.

[第一実施形態]
本発明の第一の実施の形態を、リチウムイオン二次電池の負極活物質(炭素複合体)及びそれを用いたリチウムイオン二次電池(蓄電デバイス)を用いて説明する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンが電気容量を担う蓄電デバイスであり、正極,負極及び非水電解質を有する。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described using a negative electrode active material (carbon composite) of a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery (storage device) using the same.
The lithium ion secondary battery of this embodiment is an electricity storage device in which lithium ions bear electric capacity, and includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.

(負極)
負極は、本発明の炭素複合体を負極活物質として有する。
(Negative electrode)
The negative electrode has the carbon composite of the present invention as a negative electrode active material.

(炭素複合体)
炭素複合体は、全体を100mass%としたときに、0mass%よりも大きく、かつ1mass%以下の亜鉛と、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方と電気化学的に反応可能な金属,遷移金属,これらの合金,これらの複合酸化物より選ばれる金属系材料と、残部の炭素と、からなる。そして、細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上である。
本発明の炭素複合体が、亜鉛,金属系材料及び炭素からなることで、サイクル特性に優れた負極活物質となる。
(Carbon composite)
The carbon composite is a metal or transition metal that can electrochemically react with zinc of greater than 0 mass% and less than 1 mass%, and at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal, when the total is 100 mass%. , These alloys, metal materials selected from these composite oxides, and the balance carbon. And when the pore distribution is measured, the volume occupied by pores having a pore diameter of 10 to 60 nm is 40 vol% or more.
When the carbon composite of the present invention is made of zinc, a metal-based material, and carbon, it becomes a negative electrode active material having excellent cycle characteristics.

金属系材料は、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方と電気化学的に反応可能な金属,遷移金属,これらの合金,これらの複合酸化物より選ばれる金属である。この金属系材料は、アルカリ金属(リチウムイオン)と電気化学的な反応を生じることで、金属系材料が電池容量を備えるようになり、負極活物質として機能する。   The metal material is a metal selected from metals capable of electrochemically reacting with at least one of alkali metals and alkaline earth metals, transition metals, alloys thereof, and composite oxides thereof. This metal material causes an electrochemical reaction with an alkali metal (lithium ion), so that the metal material has a battery capacity and functions as a negative electrode active material.

金属系材料は、Sn,Siの少なくとも一方を、20mass%以上、かつ60mass%以下(20〜60mass%)で含有することが好ましい。なお、Sn,Siの少なくとも一方の含有割合は、炭素複合体全体を100mass%としたときの割合である。   The metal-based material preferably contains at least one of Sn and Si at 20 mass% or more and 60 mass% or less (20 to 60 mass%). The content ratio of at least one of Sn and Si is a ratio when the entire carbon composite is 100 mass%.

Sn及びSiは、多量のリチウムイオンの吸脱着が可能な金属であり、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用したときに、大きな電池容量を得ることができる金属である。   Sn and Si are metals that can adsorb and desorb a large amount of lithium ions, and are metals that can obtain a large battery capacity when used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery.

そして、これらの少なくとも一方を、20〜60mass%で含有することで、本形態のリチウムイオン二次電池が大きな電池容量を持つことが可能となる。含有割合が20mass%未満では、高容量を発揮する負極活物質の割合が少なくなり、リチウムイオン二次電池の電池容量の向上の効果が十分に得られなくなる。また、60mass%を超えると、Sn,Siの少なくとも一方(金属系材料)の割合が大きくなりすぎる。特に、後述のように炭素が多孔質炭素基材をなし、細孔内に担持される場合には、細孔外に担持される割合が増加する。   And by containing at least one of these at 20-60 mass%, it becomes possible for the lithium ion secondary battery of this form to have a large battery capacity. When the content ratio is less than 20 mass%, the ratio of the negative electrode active material exhibiting a high capacity decreases, and the effect of improving the battery capacity of the lithium ion secondary battery cannot be sufficiently obtained. If it exceeds 60 mass%, the ratio of at least one of Sn and Si (metal material) becomes too large. In particular, as described later, when carbon forms a porous carbon substrate and is supported in the pores, the proportion of the carbon supported outside the pores increases.

亜鉛は、金属系材料の損傷を抑える。具体的には、金属系材料がリチウムイオンを吸蔵すると膨脹を生じるが、亜鉛がこの膨脹が過剰になることを規制する。この結果、金属系材料の破壊が抑えられる。また、亜鉛は、金属系材料に破壊が生じたときに金属系材料の破壊片の電気伝導性を担う。この結果、電池容量の低下が抑えられる。   Zinc suppresses damage to metallic materials. Specifically, expansion occurs when the metal-based material occludes lithium ions, but zinc restricts this expansion from becoming excessive. As a result, destruction of the metal-based material can be suppressed. Moreover, zinc bears the electrical conductivity of the broken piece of the metallic material when the metallic material is broken. As a result, a decrease in battery capacity is suppressed.

亜鉛は、0mass%よりも大きく、かつ1mass%以下、すなわち、0〜1mass%(1mass%以下)で含まれる。亜鉛が1mass%を超えて含まれるようになると、金属系材料の担持量が減少し、リチウムイオン二次電池の電池容量の低下を招く。特に、後述のように炭素が多孔質炭素基材をなし、細孔内に担持される場合には、過剰な亜鉛が細孔を閉塞することとなり、リチウムイオン二次電池の電池容量の低下がより生じやすくなる。   Zinc is larger than 0 mass% and is contained in 1 mass% or less, that is, 0 to 1 mass% (1 mass% or less). When zinc exceeds 1 mass%, the amount of metal-based material supported decreases, leading to a decrease in battery capacity of the lithium ion secondary battery. In particular, as described later, when carbon forms a porous carbon base material and is supported in the pores, excessive zinc will block the pores, and the battery capacity of the lithium ion secondary battery may be reduced. More likely to occur.

炭素は、亜鉛及び金属系材料以外の残部を構成する。本発明の炭素複合体では、亜鉛及び金属系材料を担持する。また、炭素は、負極活物質としての金属系材料からの電気の伝導を担う導電材としても機能する。   Carbon constitutes the balance other than zinc and metal-based materials. The carbon composite of the present invention carries zinc and a metal-based material. Carbon also functions as a conductive material responsible for the conduction of electricity from the metal-based material as the negative electrode active material.

炭素が多孔質炭素基材を形成し、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の表面に担持されていることが好ましい。炭素が多孔質炭素基材を形成することで、亜鉛及び金属系材料が担持された本発明の炭素複合体は、広い表面積を得られ、より多くの亜鉛及び金属系材料を担持できるようになる。特に、金属系材料の担持量を増加させることができ、電池容量の増加に寄与できる。   Preferably, carbon forms a porous carbon substrate, and zinc and a metal-based material are supported on the surface of the porous carbon substrate. Since the carbon forms a porous carbon base material, the carbon composite of the present invention in which zinc and a metal-based material are supported can obtain a large surface area and can support more zinc and a metal-based material. . In particular, the amount of metal-based material supported can be increased, which can contribute to an increase in battery capacity.

亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることが好ましい。亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることで、金属系材料が電気化学的な反応を生じて膨脹を生じたとしても、細孔によりその膨脹量が規制されることとなり、金属系材料の破壊が抑えられる。   Zinc and a metal-based material are preferably supported in the pores of the porous carbon substrate. Zinc and metal-based material are supported in the pores of the porous carbon substrate, so that even if the metal-based material undergoes an electrochemical reaction and expands, the amount of expansion is regulated by the pores. As a result, the destruction of the metal-based material is suppressed.

仮に金属系材料の破壊が生じても、金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されているため、金属系材料の破壊片が多孔質炭素基材の細孔内表面の別の部分と接触することとなる。すなわち、金属系材料(負極活物質)に破壊が生じても、導電経路が維持されることとなり、電池容量の低下が抑えられる。   Even if the metal-based material breaks down, the metal-based material is supported in the pores of the porous carbon base material. It will be in contact with the part. That is, even if the metal-based material (negative electrode active material) is broken, the conductive path is maintained, and the battery capacity can be prevented from decreasing.

さらに、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることで、細孔の内部から外部への移動が物理的に規制され、リチウム二次電池の電解質中に金属系材料が移動することも抑えられる。   Furthermore, since zinc and a metal-based material are supported in the pores of the porous carbon base material, the movement from the inside of the pores to the outside is physically restricted, and a metal is contained in the electrolyte of the lithium secondary battery. The movement of the system material is also suppressed.

多孔質炭素基材は、具体的な構成が限定されるものではないが、炭素を含む棒状体または板状体が3次元的に結合してなるとともに、棒状体又は板状体中には、グラフェン多層膜壁で画定される肺胞状の空孔が形成されてなることが好ましい。
多孔質炭素基材は、棒状体の直径及び前記板状体の幅が100nm以上10μm以下であることが好ましい。
The specific structure of the porous carbon base material is not limited, but the carbon-containing rod-like body or plate-like body is three-dimensionally bonded, and in the rod-like body or plate-like body, It is preferable that alveoli-like pores defined by the graphene multilayer film wall are formed.
The porous carbon substrate preferably has a rod-like body diameter and a plate-like body width of 100 nm to 10 μm.

本形態の負極活物質としては、全体を100mass%としてときに、0〜1mass%の亜鉛と、20〜60mass%のSi,Snの少なくとも一方と、残部が炭素とからなり、炭素を含む棒状体または板状体が3次元的に結合してなるとともに、棒状体又は板状体中には、グラフェン多層膜壁で画定される肺胞状の空孔が形成されてなる多孔質炭素基材の細孔内に、亜鉛とSi,Snの少なくとも一方とが担持されている炭素複合体であることが最も好ましい。   As the negative electrode active material of the present embodiment, when the whole is 100 mass%, a rod-shaped body containing 0 to 1 mass% of zinc, 20 to 60 mass% of Si and Sn, and the balance being carbon, with the balance being carbon. Alternatively, the plate-like body is three-dimensionally bonded, and the rod-like body or plate-like body has fine pores of a porous carbon base material in which alveoli-like pores defined by the graphene multilayer film walls are formed. Most preferred is a carbon composite in which zinc and at least one of Si and Sn are supported in the pores.

そして、炭素複合体は、細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上である。細孔分布がこの範囲内となることで、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されたときに優れた効果を発揮できる。   In the carbon composite, when the pore distribution is measured, the volume occupied by pores having a pore diameter of 10 to 60 nm is 40 vol% or more. When the pore distribution is within this range, an excellent effect can be exhibited when zinc and the metal-based material are supported in the pores of the porous carbon substrate.

10nm未満の孔径の細孔では、亜鉛及び金属系材料が細孔内に担持されにくくなり、結果として、細孔外に多量に担持されるようになる。また、60nmを超えて大きな細孔では、細孔内に担持した金属系材料が膨脹したときに、その膨脹を規制する効果が十分に得られなくなる。また、金属系材料が細孔外へ飛び出し、電気的に絶縁され、電池反応が不活性化しやすくなる。   In pores having a pore diameter of less than 10 nm, zinc and metal-based material are hardly supported in the pores, and as a result, a large amount is supported outside the pores. In addition, in the case of pores larger than 60 nm, when the metal-based material supported in the pores expands, the effect of regulating the expansion cannot be sufficiently obtained. Further, the metal-based material jumps out of the pores and is electrically insulated, so that the battery reaction is easily inactivated.

細孔の占める容積が40vol%以上であることで、十分な量の金属系材料を細孔内に担持することができる。容積が40vol%未満では、亜鉛及び金属系材料が細孔内に担持されにくくなり、結果として、細孔外に多量に担持されるようになる。
本形態において、炭素複合体は、BET比表面積が80m/g以上であることが好ましく、300m/g以上であることがより好ましい。
When the volume occupied by the pores is 40 vol% or more, a sufficient amount of metal-based material can be supported in the pores. When the volume is less than 40 vol%, zinc and the metal-based material are hardly supported in the pores, and as a result, a large amount is supported outside the pores.
In this embodiment, the carbon composite preferably has a BET specific surface area of 80 m 2 / g or more, and more preferably 300 m 2 / g or more.

本形態のリチウムイオン二次電池の負極活物質は、炭素複合体以外に、従来公知の負極活物質を含有していてもよい。すなわち、炭素複合体と、従来公知の負極活物質として用いられている化合物と、の混合物を負極活物質としてもよい。この従来公知の負極活物質としては、たとえば、Li,Sb,Ge,Cの少なくとも一つの元素よりなる活物質を挙げることができる。   The negative electrode active material of the lithium ion secondary battery of this embodiment may contain a conventionally known negative electrode active material in addition to the carbon composite. That is, a mixture of a carbon composite and a compound used as a conventionally known negative electrode active material may be used as the negative electrode active material. Examples of the conventionally known negative electrode active material include an active material made of at least one element of Li, Sb, Ge, and C.

これらの負極活物質のうち、Cは、リチウムイオン二次電池の電解質イオンを吸蔵・脱離可能な(Li吸蔵能がある)炭素質材料であることが好ましく、アセチレンブラック,ケッチェンブラック,カーボンブラック,黒鉛,アモルファスコート黒鉛などの炭素質材料を挙げることができる。   Among these negative electrode active materials, C is preferably a carbonaceous material capable of occluding and desorbing electrolyte ions of a lithium ion secondary battery (having Li occlusion ability), such as acetylene black, ketjen black, carbon Examples thereof include carbonaceous materials such as black, graphite, and amorphous coated graphite.

(負極のその他の構成)
本形態の負極は、負極活物質として炭素複合体を有していれば、それ以外の構成が限定されるものではない。本形態の負極は、従来公知の負極と同様に、負極活物質と結着剤とを混合して得られた合材を集電体の表面に塗布して活物質層を形成したものであることが好ましい。
(Other configuration of negative electrode)
As long as the negative electrode of this embodiment has a carbon composite as a negative electrode active material, other configurations are not limited. In the negative electrode of this embodiment, the active material layer is formed by applying a mixture obtained by mixing a negative electrode active material and a binder to the surface of a current collector, as in the case of a conventionally known negative electrode. It is preferable.

負極合材は、負極活物質を結着剤溶液に分散させて、あるいは更に溶媒を加えて調整される。溶媒としては、溶液状の結着剤に用いられている有機溶媒や、結着剤を溶解可能な有機溶媒を使用できる。たとえば、NMP,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド,メチルエチルケトン,シクロヘキサノン,酢酸メチル,アクリル酸メチル,ジエチルトリアミン,N−N−ジメチルアミノプロピルアミン,エチレンオキシド,テトラヒドロフランなどを挙げることができるが、これらに限定されない。   The negative electrode mixture is prepared by dispersing the negative electrode active material in a binder solution or further adding a solvent. As the solvent, an organic solvent used for a solution binder or an organic solvent capable of dissolving the binder can be used. Examples thereof include, but are not limited to, NMP, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran.

負極合材は、ポリアクリル酸系化合物よりなる結着剤に、更に別の結着剤を混合してもよい。別の結着剤としては、リチウムイオン二次電池の負極に使用されている従来公知の結着剤である。たとえば、PTFE,PVDF,フッ素樹脂共重合体(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体),SBR,アクリル系ゴム,フッ素系ゴム,ポリビニルアルコール(PVA),スチレン・マレイン酸樹脂,ポリアクリル酸塩,CMCなどを挙げることができる。   The negative electrode mixture may be further mixed with a binder made of a polyacrylic acid compound. Another binder is a conventionally known binder used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery. For example, PTFE, PVDF, fluororesin copolymer (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), SBR, acrylic rubber, fluororubber, polyvinyl alcohol (PVA), styrene / maleic resin, polyacrylic Examples thereof include acid salts and CMC.

負極集電体は、従来公知の集電体を用いることができ、銅,ステンレス,チタンあるいはニッケルからなる箔,メッシュなどを用いることができる。   As the negative electrode current collector, a conventionally known current collector can be used, and a foil, mesh, or the like made of copper, stainless steel, titanium, or nickel can be used.

(正極)
正極は、リチウムイオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができる正極活物質を有していれば、それ以外の構成が限定されるものではない。本形態の正極は、従来公知の正極と同様に、正極活物質、導電材及び結着材を混合して得られた合材を集電体に塗布して活物質層を形成したものであることが好ましい。
(Positive electrode)
As long as the positive electrode has a positive electrode active material that can release lithium ions during charging and can be occluded during discharging, other configurations are not limited. The positive electrode of the present embodiment is obtained by applying an active material layer by applying a mixture obtained by mixing a positive electrode active material, a conductive material and a binder to a current collector, as in the case of a conventionally known positive electrode. It is preferable.

正極活物質は、従来公知の正極活物質を用いることができる。正極活物質は、たとえば、種々の酸化物、硫化物、リチウム含有酸化物、導電性高分子などを用いることができる。正極活物質は、リチウム−遷移金属複合酸化物であることが好ましい。   A conventionally known positive electrode active material can be used as the positive electrode active material. As the positive electrode active material, for example, various oxides, sulfides, lithium-containing oxides, conductive polymers, and the like can be used. The positive electrode active material is preferably a lithium-transition metal composite oxide.

リチウム−遷移金属複合酸化物は、ポリアニオン構造のリチウム金属化合物(Liα βη4−γγ)であることがより好ましい。(なお、M:Mn,Co,Ni,Fe,Cu,Cr,Mg,Ca,Zn,Tiより選ばれる1種以上、X:P,As,Si,Mo,Geより選ばれる1種以上、Z:Al,Mg,Ca,Zn,Tiより選ばれる1種以上を任意で含有可能、0≦α≦2.0、0≦β≦1.5、1≦η≦1.5、0≦γ≦1.5) Lithium - transition metal composite oxide is preferably a lithium metal compound polyanion structure (Li α M 0 β X η O 4-γ Z γ). (Note that M 0 : one or more selected from Mn, Co, Ni, Fe, Cu, Cr, Mg, Ca, Zn, Ti, one or more selected from X: P, As, Si, Mo, Ge, Z: One or more selected from Al, Mg, Ca, Zn and Ti can be optionally contained, 0 ≦ α ≦ 2.0, 0 ≦ β ≦ 1.5, 1 ≦ η ≦ 1.5, 0 ≦ γ ≦ 1.5)

リチウム−遷移金属複合酸化物は、オリビン構造のリチウム−遷移金属複合酸化物であることが好ましい。このオリビン構造のリチウム−遷移金属複合酸化物としては、LiFePO,LiFeMn1−xPO(0≦x<1)を例示できる。 The lithium-transition metal composite oxide is preferably a lithium-transition metal composite oxide having an olivine structure. Examples of the olivine-structured lithium-transition metal composite oxide include LiFePO 4 and LiFe x Mn 1-x PO 4 (0 ≦ x <1).

導電材は、正極の電気伝導性を確保することができる材質よりなるものであれば、それ以外の構成が限定されるものではない。導電材としては、黒鉛の微粒子,アセチレンブラック,ケッチェンブラック,カーボンナノファイバーなどのカーボンブラック,ニードルコークスなどの無定形炭素よりなる粒子(微粒子)をあげることができる。
結着剤は、正極活物質粒子や導電材を結着する。結着剤としては、たとえば、PVDF,EPDM,SBR,NBR,フッ素ゴムなどをあげることができる。
As long as the conductive material is made of a material capable of ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, other configurations are not limited. Examples of the conductive material include fine particles of graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black and carbon nanofiber, and particles (fine particles) made of amorphous carbon such as needle coke.
The binder binds the positive electrode active material particles and the conductive material. Examples of the binder include PVDF, EPDM, SBR, NBR, fluorine rubber, and the like.

正極合材は、正極活物質、導電材及び結着材を混合して得られたものとすることができ、正極活物質等を溶媒に分散させて調製される。溶媒としては、通常は結着剤を溶解する有機溶媒を使用する。たとえば、NMP,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド,メチルエチルケトン,シクロヘキサノン,酢酸メチル,アクリル酸メチル,ジエチルトリアミン,N−N−ジメチルアミノプロピルアミン,エチレンオキシド,テトラヒドロフランなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、水に分散剤、増粘剤などを加えてPTFEなどで正極活物質をスラリー化する場合もある。   The positive electrode mixture can be obtained by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and is prepared by dispersing a positive electrode active material or the like in a solvent. As the solvent, an organic solvent that normally dissolves the binder is used. Examples thereof include, but are not limited to, NMP, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. In some cases, a positive electrode active material is slurried with PTFE or the like by adding a dispersant, a thickener, or the like to water.

正極集電体は、たとえば、アルミニウム,ステンレスなどの金属を加工したもの、たとえば板状に加工した箔,網,パンチドメタル,フォームメタルなどを用いることができるが、これらに限定されない。   As the positive electrode current collector, for example, a material obtained by processing a metal such as aluminum or stainless steel, for example, a foil processed into a plate shape, a net, a punched metal, a foam metal, or the like can be used, but is not limited thereto.

(非水電解質)
非水電解質は、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。本形態の非水電解質(一般的には、非水電解液とも称される)は、従来公知の非水電解質と同様に、支持塩が有機溶媒に溶解してなるものであることが好ましい。
(Nonaqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte is not particularly limited by its material structure, and a known material structure can be used. The non-aqueous electrolyte of this embodiment (generally also referred to as a non-aqueous electrolyte) is preferably one in which a supporting salt is dissolved in an organic solvent, similarly to a conventionally known non-aqueous electrolyte.

非水電解質の支持塩は、その種類が特に限定されるものではなく、たとえば、LiPF,LiBF,LiClO及びLiAsFから選ばれる無機塩,これらの無機塩の誘導体,LiSOCF,LiC(SOCF及びLiN(SOCF,LiN(SO,LiN(SOCF)(SO),から選ばれる有機塩、並びにこれらの有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。これらの支持塩は、電池性能を更に優れたものとすることができ、かつその電池性能を室温以外の温度域においても更に高く維持することができる。支持塩の濃度についても特に限定されるものではなく、支持塩及び有機溶媒の種類を考慮して適切に選択することが好ましい。 The kind of the supporting salt of the nonaqueous electrolyte is not particularly limited. For example, the inorganic salt selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 , derivatives of these inorganic salts, LiSO 3 CF 3 , Organic salt selected from LiC (SO 3 CF 3 ) 3 and LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ) And at least one of these organic salt derivatives. These supporting salts can further improve the battery performance, and can maintain the battery performance higher even in a temperature range other than room temperature. The concentration of the supporting salt is not particularly limited, and it is preferable to select appropriately in consideration of the types of the supporting salt and the organic solvent.

支持塩が溶解する有機溶媒(非水溶媒)は、通常の非水電解質に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、たとえば、カーボネート類,ハロゲン化炭化水素,エーテル類,ケトン類,ニトリル類,ラクトン類,オキソラン化合物等を用いることができる。特に、プロピレンカーボネート,エチレンカーボネート,1,2−ジメトキシエタン,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネート,エチルメチルカーボネート,ビニレンカーボネート等及びそれらの混合溶媒が好ましい。これらの有機溶媒のうち、特にカーボネート類,エーテル類からなる群より選ばれた1種以上の非水溶媒を用いることが、支持塩の溶解性、誘電率及び粘度において優れ、リチウムイオン二次電池の充放電効率が高くなるため好ましい。
本形態のリチウムイオン二次電池において、最も好ましい非水電解質は、支持塩が有機溶媒に溶解したものである。
The organic solvent (non-aqueous solvent) in which the supporting salt dissolves is not particularly limited as long as it is an organic solvent used in ordinary non-aqueous electrolytes. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones , Nitriles, lactones, oxolane compounds and the like can be used. In particular, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, vinylene carbonate and the like, and mixed solvents thereof are preferable. Among these organic solvents, use of at least one non-aqueous solvent selected from the group consisting of carbonates and ethers is particularly excellent in the solubility, dielectric constant and viscosity of the supporting salt, and the lithium ion secondary battery This is preferable because the charge / discharge efficiency is increased.
In the lithium ion secondary battery of this embodiment, the most preferable non-aqueous electrolyte is a support salt dissolved in an organic solvent.

(その他の構成)
本形態のリチウムイオン二次電池は、正極,負極及び非水電解質を有すること以外の構成は、特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。
(Other configurations)
The lithium ion secondary battery of this embodiment is not particularly limited except for having a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and a known material structure can be used.

たとえば、リチウムイオン二次電池は、正極及び負極がセパレータを介した状態で、非水電解質とともにケースに封入されて形成されることが好ましい。これらの要素以外に、その他必要に応じた要素を有することができる。   For example, the lithium ion secondary battery is preferably formed by being enclosed in a case together with a nonaqueous electrolyte in a state where the positive electrode and the negative electrode are interposed via a separator. In addition to these elements, other elements as required can be included.

セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、非水電解質を保持する役割を果たす。セパレータは、たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いることが好ましい。なおセパレータは、正極と負極との絶縁を担保するため、正極及び負極よりも更に大きい形状とすることが好ましい。   The separator plays a role of electrically insulating the positive electrode and the negative electrode and holding the nonaqueous electrolyte. As the separator, for example, a porous synthetic resin film, particularly a polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene) porous film is preferably used. Note that the separator preferably has a shape larger than that of the positive electrode and the negative electrode in order to ensure insulation between the positive electrode and the negative electrode.

リチウムイオン二次電池は、上記の要素以外に、その他必要に応じた要素を有することが好ましい。リチウムイオン二次電池は、その形状には特に制限を受けず、コイン型、円筒型、角型等、種々の形状の電池や、ラミネート外装体に封入した不定形状の電池とすることができる。   The lithium ion secondary battery preferably has other elements as necessary in addition to the above elements. The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and can be a battery of various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, a square shape, or an indefinite shape sealed in a laminate outer package.

(本形態のその他の形態)
本形態では、本発明の炭素複合体をリチウムイオン二次電池の負極活物質として使用した例を挙げたが、本発明の炭素複合体の使用は、リチウムイオン二次電池のみに限定されるものではない。たとえば、従来公知の非水電解質二次電池に使用してもよい。
(Other forms of this form)
In this embodiment, an example in which the carbon composite of the present invention is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery has been described. However, the use of the carbon composite of the present invention is limited to only a lithium ion secondary battery. is not. For example, you may use for a conventionally well-known nonaqueous electrolyte secondary battery.

[第二実施形態]
本発明の第二の実施の形態を、リチウム空気二次電池の正極の触媒及びそれを用いたリチウム空気二次電池(蓄電デバイス)を用いて説明する。
本形態のリチウム空気二次電池は、酸素とリチウムイオンが電気容量を担う蓄電デバイスであり、正極,負極及び非水電解質を有する。リチウム空気電池は、放電時に、酸素を取り入れてリチウムイオンと反応し正極側にリチウム酸化物を生成、蓄積し、充電時に、逆にリチウム酸化物をリチウムイオンと酸素に分解する反応からなる。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described using a catalyst for a positive electrode of a lithium air secondary battery and a lithium air secondary battery (electric storage device) using the same.
The lithium-air secondary battery of this embodiment is an electricity storage device in which oxygen and lithium ions have electric capacity, and includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. Lithium-air batteries consist of a reaction that takes oxygen and reacts with lithium ions during discharge to generate and store lithium oxide on the positive electrode side, and conversely decomposes lithium oxide into lithium ions and oxygen during charging.

(正極)
正極は、触媒と、導電材と、を備えている。正極は、酸素とリチウムイオンを反応させることで電池反応を進行する。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a catalyst and a conductive material. The positive electrode advances the battery reaction by reacting oxygen and lithium ions.

(炭素複合体)
本形態では、触媒及び導電材として、本発明の炭素複合体を有する。そして、炭素複合体の亜鉛及び金属系材料が、空気二次電池の触媒として機能する。炭素複合体の表面が、空気電池の充放電の反応場となる。炭素複合体の炭素、亜鉛、酸化亜鉛及び金属系材料が、空気二次電池の充放電反応を促進する触媒として機能する。また、炭素複合体の表面、粒子間の空隙、粒子内の細孔が放電生成物を蓄積する空間として機能する。なお、本形態の炭素複合体の特に言及しない構成は、第一実施形態と同様とすることができる。
(Carbon composite)
In this embodiment, the carbon composite of the present invention is used as a catalyst and a conductive material. The zinc of the carbon composite and the metal-based material function as a catalyst for the air secondary battery. The surface of the carbon composite becomes a charge / discharge reaction field of the air battery. The carbon, carbon, zinc, zinc oxide, and metal-based material of the carbon composite function as a catalyst for promoting the charge / discharge reaction of the air secondary battery. In addition, the surface of the carbon composite, the voids between the particles, and the pores in the particles function as a space for accumulating discharge products. In addition, the structure which does not mention especially the carbon composite_body | complex of this form can be made the same as that of 1st embodiment.

炭素複合体は、全体を100mass%としたときに、0mass%よりも大きく、かつ1mass%以下、すなわち、0〜1mass%の亜鉛と、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方と電気化学的に反応可能な金属,遷移金属,これらの合金,これらの複合酸化物より選ばれる金属系材料と、残部の炭素と、からなる。そして、細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上である。   When the total amount of the carbon composite is 100 mass%, it is electrochemically greater than 0 mass% and 1 mass% or less, that is, 0 to 1 mass% of zinc and at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. It consists of a metal material selected from reactive metals, transition metals, alloys thereof, composite oxides thereof, and the balance of carbon. And when the pore distribution is measured, the volume occupied by pores having a pore diameter of 10 to 60 nm is 40 vol% or more.

金属系材料は、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,Ru,Pd,Ag,Pt,Auの金属、前記金属を含む合金及び前記金属を含む複合酸化物、金属フタロシアニン類の少なくとも一種であることが好ましい。これらは、特に触媒活性に優れた金属等であることが知られている。すなわち、金属系材料は、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,Ru,Pd,Ag,Pt,Auの金属、前記金属を含む合金及び前記金属を含む複合酸化物、金属フタロシアニン類の少なくとも一種であることで、正極でより多くの酸素とリチウムイオンを反応させることが可能となる。
金属系材料の担持量は限定されるものではなく、従来のリチウム空気二次電池の正極の触媒と同様な担持量とすることが好ましい。
The metal-based material is a metal of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Pd, Ag, Pt, or Au, an alloy containing the metal, a composite oxide containing the metal, or a metal phthalocyanine. One type is preferred. These are known to be metals having particularly excellent catalytic activity. That is, the metal-based material includes V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Pd, Ag, Pt, and Au, an alloy containing the metal, a composite oxide containing the metal, and metal phthalocyanines. By being at least one of these, it becomes possible to react more oxygen and lithium ions at the positive electrode.
The loading amount of the metal-based material is not limited and is preferably the same loading amount as the positive electrode catalyst of the conventional lithium-air secondary battery.

亜鉛は、金属系材料と同様に、触媒として機能する。すなわち、亜鉛は、金属系材料とともに、正極でより多くの酸素とリチウムイオンを反応させることが可能となる。本形態では、亜鉛は、金属亜鉛だけでなく、酸化亜鉛、亜鉛を含む合金及び複合酸化物等の亜鉛系金属であってもよい。   Zinc functions as a catalyst, similar to metal-based materials. That is, zinc can react more oxygen and lithium ions at the positive electrode together with the metal-based material. In this embodiment, zinc may be not only metallic zinc but also zinc-based metals such as zinc oxide, alloys containing zinc, and composite oxides.

亜鉛は、0〜1mass%(1mass%以下)で含まれる。亜鉛が1mass%を超えて含まれるようになると、触媒活性に優れた金属系材料の担持量の減少と、放電時のリチウム酸化物を蓄積する空間が減少するため、リチウム空気二次電池の電池容量の低下を招く。特に、後述のように炭素が多孔質炭素基材をなし、細孔内に担持される場合には、過剰な亜鉛が細孔を閉塞することとなり、リチウム空気二次電池の電池容量の低下がより生じやすくなる。   Zinc is contained at 0 to 1 mass% (1 mass% or less). When zinc is contained in excess of 1 mass%, the amount of the metal-based material excellent in catalytic activity is reduced, and the space for storing lithium oxide during discharge is reduced. The capacity is reduced. In particular, as described later, when carbon forms a porous carbon base material and is supported in the pores, excess zinc will block the pores, which reduces the battery capacity of the lithium-air secondary battery. More likely to occur.

炭素は、亜鉛及び金属系材料以外の残部を構成する。本発明の炭素複合体では、亜鉛及び金属系材料を担持する。さらに、放電時にリチウム酸化物を生成し、細孔、粒子間の空間および表面にリチウム酸化物を蓄積して、放電容量を得る。また、炭素は、負極活物質としての金属系材料からの電気の伝導を担う導電材としても機能する。   Carbon constitutes the balance other than zinc and metal-based materials. The carbon composite of the present invention carries zinc and a metal-based material. Furthermore, lithium oxide is generated during discharge, and lithium oxide is accumulated in the pores, the spaces between the particles and on the surface to obtain a discharge capacity. Carbon also functions as a conductive material responsible for the conduction of electricity from the metal-based material as the negative electrode active material.

炭素が多孔質炭素基材を形成し、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の表面に担持されていることが好ましい。炭素が多孔質炭素基材を形成することで、亜鉛及び金属系材料が担持された本発明の炭素複合体は、広い表面積を得られ、より多くの亜鉛及び金属系材料を担持できるようになる。特に、金属系材料の担持量を増加させることができ、電池容量の増加に寄与できる。   Preferably, carbon forms a porous carbon substrate, and zinc and a metal-based material are supported on the surface of the porous carbon substrate. Since the carbon forms a porous carbon base material, the carbon composite of the present invention in which zinc and a metal-based material are supported can obtain a large surface area and can support more zinc and a metal-based material. . In particular, the amount of metal-based material supported can be increased, which can contribute to an increase in battery capacity.

亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることが好ましい。亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されていることで、多孔質炭素基材の広い表面積の全面を利用することができ、酸素とリチウムイオンの反応を多くすることができる。   Zinc and a metal-based material are preferably supported in the pores of the porous carbon substrate. Zinc and metal-based materials are supported in the pores of the porous carbon substrate, so that the entire surface area of the porous carbon substrate can be used, and the reaction between oxygen and lithium ions is increased. Can do.

多孔質炭素基材は、具体的な構成が限定されるものではないが、炭素を含む棒状体または板状体が3次元的に結合してなるとともに、棒状体又は板状体中には、グラフェン多層膜壁で画定される肺胞状の空孔が形成されてなることが好ましい。   The specific structure of the porous carbon base material is not limited, but the carbon-containing rod-like body or plate-like body is three-dimensionally bonded, and in the rod-like body or plate-like body, It is preferable that alveoli-like pores defined by the graphene multilayer film wall are formed.

そして、炭素複合体は、細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上である。細孔分布がこの範囲内となることで、亜鉛及び金属系材料が多孔質炭素基材の細孔内に担持されたときに優れた効果を発揮できる。   In the carbon composite, when the pore distribution is measured, the volume occupied by pores having a pore diameter of 10 to 60 nm is 40 vol% or more. When the pore distribution is within this range, an excellent effect can be exhibited when zinc and the metal-based material are supported in the pores of the porous carbon substrate.

10nm未満の孔径の細孔では、亜鉛及び金属系材料、放電時に生成するリチウム酸化物が細孔内に担持されにくくなり、結果として、放電時に生成するリチウム酸化物が細孔内に蓄積できなくなり、放電容量が小さくなる。また、60nmを超える大きな細孔では、担持した亜鉛、金属系材料のサイズが大きくなり、触媒活性が低下する。また放電時に生成するリチウム酸化物のサイズが大きくなるため、充電時の分解が困難となる。そのため、電池の容量維持率が低下する。   In pores having a pore diameter of less than 10 nm, zinc, metal-based materials, and lithium oxide generated during discharge are hardly supported in the pores. As a result, lithium oxide generated during discharge cannot accumulate in the pores. , Discharge capacity is reduced. On the other hand, in the case of large pores exceeding 60 nm, the size of the supported zinc and metal-based material increases, and the catalytic activity decreases. Moreover, since the size of the lithium oxide produced at the time of discharging becomes large, it becomes difficult to disassemble at the time of charging. Therefore, the capacity maintenance rate of the battery is reduced.

細孔の占める容積が40vol%以上であることで、十分な量の金属系材料、放電時に生成するリチウム酸化物を細孔内に蓄積することができる。容積が40vol%未満では、金属系材料、放電時に生成するリチウム酸化物を細孔内に蓄積されにくくなり、結果として、十分な電池容量が得られなくなる。
本形態のリチウム空気二次電池の正極は、炭素複合体以外に、従来公知の触媒や導電材を含有していてもよい。
When the volume occupied by the pores is 40 vol% or more, a sufficient amount of metal material and lithium oxide generated during discharge can be accumulated in the pores. When the volume is less than 40 vol%, it becomes difficult for the metal-based material and lithium oxide generated during discharge to be accumulated in the pores, and as a result, sufficient battery capacity cannot be obtained.
The positive electrode of the lithium air secondary battery of this embodiment may contain a conventionally known catalyst or conductive material in addition to the carbon composite.

この従来公知の触媒としては、たとえば、銀、白金、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、マンガン酸化物、コバルト酸化物、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅、及び金属フタロシアニン類からなる群から選択される1種又は2種以上をあげることができる。さらに、安定ラジカルを分子中にもつラジカル材料を触媒としてもよい。   This conventionally known catalyst is, for example, selected from the group consisting of silver, platinum, iridium oxide, ruthenium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, nickel oxide, iron oxide, copper oxide, and metal phthalocyanines. 1 type or 2 types or more can be mentioned. Furthermore, a radical material having a stable radical in the molecule may be used as a catalyst.

このラジカル材料は、特に限定されるものではないが、空気二次電池の雰囲気内で安定して存在可能なものが好ましい。ラジカル材料としては、以下のようなラジカル骨格をもつ化合物を挙げることができる。なお、ラジカル骨格以外の部分の化学構造は、ラジカルと電子的に相互作用するものであっても、相互作用しないものであっても、そのラジカルが安定なものになる限りにおいて特に限定されるものではない。例えば、何らかの高分子化合物にラジカル骨格を結合させることも可能である。   The radical material is not particularly limited, but is preferably one that can stably exist in the atmosphere of the air secondary battery. Examples of the radical material include compounds having the following radical skeleton. The chemical structure of the portion other than the radical skeleton is not particularly limited as long as the radical is stable, whether it interacts electronically with the radical or does not interact with the radical. is not. For example, the radical skeleton can be bonded to some polymer compound.

ラジカル骨格としては、例えば、ニトロキシルラジカルを有する骨格、オキシラジカルを有する骨格、窒素ラジカルを有する骨格、硫黄ラジカルを有する骨格、炭素ラジカルを有する骨格及びホウ素ラジカルを有する骨格からなる群より選ばれたものをあげることができる。具体的には、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシ(TEMPO)、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシ(TEMPO−OH)、3−カルバモイル−2,2,5,5−テトラメチルピロリジン−1−イロキシ(3−カルバモイル−PROXYL)、又は3−カルボキシ−2,2,5,5−テトラメチル−1−ピロリジニルオキシ(3−カルボキシ−PROXYL)などを挙げることができる。   The radical skeleton was selected from the group consisting of, for example, a skeleton having a nitroxyl radical, a skeleton having an oxy radical, a skeleton having a nitrogen radical, a skeleton having a sulfur radical, a skeleton having a carbon radical, and a skeleton having a boron radical. I can give you something. Specifically, 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO-OH), 3-carbamoyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine-1-yloxy (3-carbamoyl-PROXYL), or 3-carboxy-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy ( 3-carboxy-PROXYL).

また、従来公知の導電材としては、アセチレンブラック,ケッチェンブラック,カーボンブラック,黒鉛,アモルファスコート黒鉛,グラファイト,カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等をあげることができる。   Examples of conventionally known conductive materials include acetylene black, ketjen black, carbon black, graphite, amorphous coated graphite, graphite, carbon nanotube, and carbon fiber.

(正極のその他の構成)
本形態の正極は、炭素複合体を有していれば、それ以外の形態が限定されるものではない。本形態の正極は、従来公知のリチウム空気二次電池の正極と同様に、炭素複合体及びその他の添加剤を結着材とともに混合し、集電体にプレス成形して形成したものを用いることが好ましい。
集電体は、電気伝導性を有するものを用いることができる。なお、集電体は、正極に酸素を供給する酸素透過膜を兼ねることが好ましい。
(Other configuration of positive electrode)
As long as the positive electrode of this form has a carbon composite, other forms will not be limited. The positive electrode of the present embodiment should be formed by mixing a carbon composite and other additives together with a binder and press-molding the current collector, as with the positive electrode of a conventionally known lithium-air secondary battery. Is preferred.
As the current collector, one having electrical conductivity can be used. The current collector also preferably serves as an oxygen permeable membrane that supplies oxygen to the positive electrode.

酸素透過膜としては、酸素を選択的に透過する酸素富化膜や、一般的な高分子材料からなる膜(そのままでもよいし、多孔質膜としても良い)をあげることができる。高分子材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−4−メチル−1−ペンテン、ポリ−3−メチル−1−ブテン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ナイロン6、ナイロン66、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリカーボネート、およびポリイミドの少なくとも一種を採用できる。   Examples of the oxygen permeable membrane include an oxygen-enriched membrane that selectively permeates oxygen and a membrane made of a general polymer material (may be used as it is or a porous membrane). As polymer materials, polyethylene, polypropylene, poly-4-methyl-1-pentene, poly-3-methyl-1-butene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, nylon 6, nylon 66, polyvinyl alcohol, polyethylene At least one of terephthalate, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polytetrafluoroethylene, cellulose acetate, polysulfone, polycarbonate, and polyimide can be employed.

酸素透過膜が集電体を兼ねる場合には、導電性材料から形成した表裏面が連通する多孔質材料(ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、銅などから構成される)、網・パンチングメタルなどを用いることができる。多孔質材料を採用した場合には、その孔、網、パンチングメタルの孔などの中には、炭素複合体及びその他の添加剤などを充填した形態とすることが好ましい。   When the oxygen permeable membrane also serves as a current collector, a porous material (consisting of stainless steel, nickel, aluminum, copper, etc.), mesh / punching metal, etc., formed from a conductive material that communicates with the front and back surfaces is used. be able to. When a porous material is employed, it is preferable that the pores, nets, punched metal holes, etc. are filled with a carbon composite and other additives.

集電体は、酸素の拡散を速やかに行わせるため、網状やメッシュ状など多孔体を用いることが好ましく、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウム、銅などの多孔体の金属板を用いることが好ましい。なお、この集電体は、酸化を抑制するためにその表面に耐酸化性の金属または合金の被膜を被覆してもよい。   The current collector is preferably a porous body such as a mesh or mesh, in order to allow oxygen to diffuse quickly, and a porous metal plate such as stainless steel, nickel, aluminum, or copper is preferably used. The current collector may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy film on its surface in order to suppress oxidation.

結着材は、集電体に炭素複合体及びその他の添加剤を固定する。結着材は、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などを挙げることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体などの材料をあげることができる。これらの材料は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   The binder fixes the carbon composite and other additives to the current collector. The binder is not particularly limited, and examples thereof include a thermoplastic resin and a thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Materials such as oloethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer, etc. I can give you. These materials may be used alone or in combination.

(負極)
負極は、電気伝導を担う金属イオン(リチウムイオン)を吸蔵,放出可能な負極活物質を有していれば、それ以外の構成が限定されるものではない。本形態の負極は、従来公知の負極と同様に、負極活物質、結着材及びその他の添加剤を混合して得られた合材を集電体に塗布して活物質層を形成したものであることが好ましい。
(Negative electrode)
As long as the negative electrode has a negative electrode active material capable of occluding and releasing metal ions (lithium ions) responsible for electrical conduction, other configurations are not limited. The negative electrode of this embodiment is formed by applying an active material layer by applying a mixture obtained by mixing a negative electrode active material, a binder and other additives to a current collector, similarly to a conventionally known negative electrode It is preferable that

負極活物質は、金属リチウム,リチウム合金,リチウムの吸蔵と放出が可能な金属材料,リチウムの吸蔵と放出が可能な合金材料(金属のみからなる合金はもちろん、金属と半金属との合金をも含む概念として用いる。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうち2種以上が共存するものがある。)、及びリチウムの吸蔵と放出が可能な化合物(炭素材料なども含む)からなる群から選択される1種又は2種以上の負極材料を用いることができる。   Negative electrode active materials include metallic lithium, lithium alloys, metal materials that can store and release lithium, and alloy materials that can store and release lithium (not only alloys consisting of metals but also alloys of metals and metalloids). The structure includes solid solution, eutectic (eutectic mixture), intermetallic compounds or compounds in which two or more of them coexist), and compounds capable of occluding and releasing lithium (carbon 1 type or 2 types or more of negative electrode materials selected from the group which consists of material etc. can also be used.

金属材料及び合金材料を構成できる金属元素及び半金属元素としては、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)をあげることができる。   Metal elements and metalloid elements that can constitute metal materials and alloy materials include tin (Sn), lead (Pb), aluminum (Al), indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), and antimony (Sb). ), Bismuth (Bi), cadmium (Cd), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), zirconium (Zr), yttrium (Y ), Hafnium (Hf).

なかでも、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素(Si)あるいはスズ(Sn)、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。   Among these, a simple substance, alloy or compound of Group 4B metal element or semimetal element in the short-period type periodic table is preferable, and silicon (Si) or tin (Sn), or an alloy or compound thereof is particularly preferable. These may be crystalline or amorphous.

リチウムを吸蔵・放出可能な負極材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはLiNなどのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、MnO、V、V13、NiS、MoSなどが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵及び放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはNiS、MoSなどが挙げられる。 Examples of the anode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds such as oxide, sulfide, or lithium nitride such as LiN 3 . Examples of the oxide include MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS. In addition, examples of the oxide that has a relatively low potential and can occlude and release lithium include iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, titanium oxide, and tin oxide. Examples of the sulfide include NiS and MoS.

結着材は、負極層内に含む構成要素間、構成要素と負極集電体との間をつなぎ止める作用を有する。結着材はとしては、有機系結着材や、無機系結着材を用いることができ、正極の欄において例示した結着材を挙げることができ、望ましくは、PVDF、ポリ塩化ビニリデン、PTFE、CMC等の化合物を挙げることができる。
その他の添加剤としては、導電材をあげることができる。
The binder has an action of connecting between the constituent elements included in the negative electrode layer and between the constituent elements and the negative electrode current collector. As the binder, an organic binder or an inorganic binder can be used, and the binder exemplified in the column of the positive electrode can be used. Desirably, PVDF, polyvinylidene chloride, PTFE are used. And compounds such as CMC.
Examples of other additives include conductive materials.

負極合材は、負極活物質及び結着材を混合して得られたものとすることができ、負極活物質等を溶媒に分散させて調製される。溶媒としては、通常は結着剤を溶解する有機溶媒を使用する。たとえば、NMP,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド,メチルエチルケトン,シクロヘキサノン,酢酸メチル,アクリル酸メチル,ジエチルトリアミン,N−N−ジメチルアミノプロピルアミン,エチレンオキシド,テトラヒドロフランなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、水に分散剤、増粘剤などを加えてPTFEなどで正極活物質をスラリー化する場合もある。   The negative electrode mixture can be obtained by mixing a negative electrode active material and a binder, and is prepared by dispersing a negative electrode active material or the like in a solvent. As the solvent, an organic solvent that normally dissolves the binder is used. Examples thereof include, but are not limited to, NMP, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. In some cases, a positive electrode active material is slurried with PTFE or the like by adding a dispersant, a thickener, or the like to water.

負極集電体としては、例えば、銅、ニッケルなどを網、パンチドメタル、フォームメタル、板状、箔状などの形態とすることができる。負極集電体としては電池筐体を兼用することもできる。   As a negative electrode collector, copper, nickel, etc. can be made into forms, such as a net | network, a punched metal, foam metal, plate shape, foil shape, for example. A battery casing can also be used as the negative electrode current collector.

(非水電解質)
非水電解質は、電気伝導を担う金属イオン(リチウムイオン)が伝導可能な非水電解質であれば、それ以外の構成が限定されるものではない。例えば、非水溶媒に支持塩を溶解したものをあげることができる。非水電解質は、イオン液体を含有しても良い。非水電解質は、正極と負極との間に介設され、両者の間の金属イオンの伝導の媒体になる。
(Nonaqueous electrolyte)
As long as the nonaqueous electrolyte is a nonaqueous electrolyte capable of conducting metal ions (lithium ions) responsible for electrical conduction, other configurations are not limited. For example, a solution obtained by dissolving a supporting salt in a nonaqueous solvent can be used. The non-aqueous electrolyte may contain an ionic liquid. The nonaqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and becomes a medium for conducting metal ions between the two.

非水溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)等がある。環状エステルカーボネートとしては、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   As the non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent can be used. Examples of such organic solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers, and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate (EMC). Examples of the cyclic ester carbonate include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane, ethylene glycol dimethyl ether, and ethylene glycol diethyl ether. These may be used alone or in combination.

イオン液体は、電池の使用温度において単独で液体状のものであれば特に限定しない。例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、ホスホニウム、アンモニウム、ピロリジニウム、グアニジニウム、イソウロニウム、ピラゾリウム、スルホニウム、ピペリジニウム、及びチオウロニウムからなる群から選択される1種又は2種以上のカチオンをもつものが挙げられる。特に、イミダゾリウム、ピリジニウム、及びピロリジニウムからなる群から選択される1種又は2種以上のカチオンをもつものが望ましい。特にカチオンとしては、1−メチル−1−プロピルピペリジニウム、1,1,1−トリメチル−1−プロピルアンモニウム、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム、及び/又は1−メチル−1−ブチルピロリジニウムをもつことが望ましい。   The ionic liquid is not particularly limited as long as it is liquid alone at the use temperature of the battery. Examples include those having one or more cations selected from the group consisting of imidazolium, pyridinium, phosphonium, ammonium, pyrrolidinium, guanidinium, isouronium, pyrazolium, sulfonium, piperidinium, and thiouronium. In particular, those having one or more cations selected from the group consisting of imidazolium, pyridinium, and pyrrolidinium are desirable. In particular, the cation includes 1-methyl-1-propylpiperidinium, 1,1,1-trimethyl-1-propylammonium, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium, and / or 1-methyl-1-butyl. It is desirable to have pyrrolidinium.

更に、イオン液体は、B(C 、PF 、BF 、Cl、I、Br、AlCl 、HCO 、CFSO 、NO 、SOOH、CFCO 、CHOCO 、CHOSO 、SCN、(SOF)、(SOCF、(CPF 、CHSO 、C16SO 、(CN)、C19CO 、CBO 、N(SOCF 、(CHPO 、(CPO 、COSO 、C13OSO 、CSO 、及びC17OSO からなる群から選択される1種又は2種以上のアニオンをもつことが好ましい。特に、アニオンとしては、(SOF)(FSI:ビス(フルオロスルホニル)イミド)、(SOCF(TFSI:ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)をもつことが好ましい。 Furthermore, ionic liquids, B (C 2 O 4) 2 -, PF 6 -, BF 4 -, Cl -, I -, Br -, AlCl 4 -, HCO 3 -, CF 3 SO 3 -, NO 3 - , SO 3 OH , CF 3 CO 2 , CH 3 OCO 2 , CH 3 OSO 3 , SCN , (SO 2 F) 2 N , (SO 2 CF 3 ) 2 N , (C 2 F 5) 3 PF 3 -, CH 3 C 6 H 4 SO 3 -, C 8 H 16 SO 3 -, (CN) 2 N -, C 9 H 19 CO 2 -, C 4 BO 8 -, N (SO 2 CF 3) 2 -, (CH 3) 2 PO 4 -, (C 2 H 5) 2 PO 4 -, C 2 H 5 OSO 3 -, C 6 H 13 OSO 3 -, C 4 F 9 SO 3 -, and C 8 H 17 OSO 3 - 1 kind selected from the group consisting or 2 It is preferred to have a more anions. In particular, as the anion, (SO 2 F) 2 N - preferably with: (bis (trifluoromethanesulfonyl) imide TFSI) - (FSI bis (fluorosulfonyl) imide), (SO 2 CF 3) 2 N .

非水電解質は、特に、1,2−ジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、3−メチルオキサゾリジノン、ギ酸メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド、及びアセトニトリルからなる群から選択される1種又は2種以上の非水溶媒を含むことが望ましい。   Nonaqueous electrolytes include, among others, 1,2-dimethoxyethane, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, 3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, 3-methyloxazolidinone, methyl sulfolane formate, dimethyl It is desirable to include one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of sulfoxide and acetonitrile.

支持塩としては、正負極が吸蔵、放出可能な金属イオンに対応する金属イオン(リチウムイオン)を含むものをあげることができる。特に、M:(Xは、Br、Cl、PF、BF、NO、AsF、ClO、CFSO、N(SOCF、及びN(SOCFCFからなる群から選択される。a、bは1〜3の整数)、及びMg(AlWXYZ):(W、X、Y、Zは、Br、Cl、CH、C、C、及びCからなる群からそれぞれ独立して選択される)からなる群から選択される1種又は2種以上の支持塩を含有する。 Examples of the supporting salt include those containing metal ions (lithium ions) corresponding to metal ions that can be occluded and released by the positive and negative electrodes. In particular, M a X b : (X is Br, Cl, PF 6 , BF 4 , NO 3 , AsF 6 , ClO 4 , CF 3 SO 3 , N (SO 2 CF 3 ) 2 , and N (SO 2 CF 2 CF 3) is selected from the group consisting of 2 .a, b is an integer of 1 to 3), and Mg (AlWXYZ) 2: (W , X, Y, Z are, Br, Cl, CH 3, C 2 1 type, or 2 or more types of supporting salts selected from the group consisting of H 5 , C 3 H 7 , and C 4 H 9 .

支持塩の濃度としては、非水電解質全体を基準として、0.1〜2.0M(mol/L)であることが好ましく、0.8〜1.2Mであることがより好ましい。
本形態の空気二次電池は、正極及び負極の間に介設されるセパレータ、正極,負極及び非水電解質を収納する電池ケースなどを備えることができる。
The concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 2.0 M (mol / L), more preferably 0.8 to 1.2 M, based on the whole nonaqueous electrolyte.
The air secondary battery of the present embodiment can include a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a battery case that houses the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte.

セパレータは、空気二次電池内の雰囲気下で安定に存在できる多孔質膜、不織布などを用いることができる。例えば、ガラス繊維からなる織布又は不織布、ポリオレフィン、ポリエステルなどの多孔質膜からセパレータを構成できる。   As the separator, a porous film, a nonwoven fabric, or the like that can exist stably in an atmosphere in the air secondary battery can be used. For example, a separator can be comprised from porous membranes, such as a woven fabric or nonwoven fabric which consists of glass fiber, polyolefin, polyester.

電池ケースは、電池内の雰囲気下に対して安定な材料から形成可能である。また、前述したように、正極及び/又は負極における集電体を兼ねた構成とすることや、外部との電力のやりとりを行う電極端子を兼ねた構成としてもよい。   The battery case can be formed from a material that is stable against the atmosphere in the battery. Further, as described above, a configuration that also serves as a current collector in the positive electrode and / or the negative electrode may be used, or a configuration that also serves as an electrode terminal that exchanges electric power with the outside.

(本形態のその他の形態)
本形態では、本発明の炭素複合体をリチウム空気二次電池の正極に使用した例を挙げたが、本発明の炭素複合体の使用は、リチウム空気二次電池のみに限定されるものではない。たとえば、マグネシウム、アルミニウム、カルシウムを用いた空気電池、その他の従来公知の空気二次電池に使用してもよい。
(Other forms of this form)
In this embodiment, an example in which the carbon composite of the present invention is used for the positive electrode of a lithium air secondary battery has been described. However, the use of the carbon composite of the present invention is not limited to only a lithium air secondary battery. . For example, you may use for the air battery using magnesium, aluminum, calcium, and another conventionally well-known air secondary battery.

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
実施例として、リチウムイオン二次電池及びリチウム空気二次電池を作成した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
As examples, lithium ion secondary batteries and lithium air secondary batteries were prepared.

[リチウムイオン二次電池]
(実施例1)
まず、表1に示した成分組成の炭素複合体を準備した。この炭素複合体の成分組成,細孔容積ならびに亜鉛および金属系材料(本形態ではSi)の担持状態は、以下の方法により確認された。
[Lithium ion secondary battery]
Example 1
First, the carbon composite of the component composition shown in Table 1 was prepared. The component composition, pore volume, and supporting state of zinc and a metal-based material (Si in this embodiment) were confirmed by the following method.

炭素複合体の成分組成の確認は、ICP発光分析で行った。具体的には、炭素複合体を灰化した後、アルカリおよび酸で順次成分を溶解して溶液とした。この溶液についてICP発光分析を行うことで、炭素複合体の成分組成が表1に記載されたものであることが確認された。
細孔容積の確認は、X線小角散乱法により行った。具体的には、X線小角散乱法で細孔(ナノ細孔)の動径分布関数を導出し、図1に示した。図1に示したように、細孔径5nmと25nm付近に中心を持つ2つのピークが確認でき、さらに、細孔径が10nm未満(図中Comp.1)と10nm以上(図中Comp.2とComp.3)の2種の細孔を区別できる。そして、10nm以上の細孔からは、さらに45nm付近に中心を持つピーク(Comp.3)が分離される。そして、ナノ細孔の体積分率は分離した3つのピークから算出された。
炭素複合体の担持状態の確認は、TEM写真を撮影して確認した。撮影されたTEM写真を図2に示した。図2から、ナノ細孔内に亜鉛および金属系材料(Si)が担持されていることが分かる。
The component composition of the carbon composite was confirmed by ICP emission analysis. Specifically, after ashing the carbon composite, the components were sequentially dissolved with an alkali and an acid to obtain a solution. By performing ICP emission analysis on this solution, it was confirmed that the component composition of the carbon composite was as described in Table 1.
The pore volume was confirmed by the X-ray small angle scattering method. Specifically, the radial distribution function of pores (nanopores) was derived by the X-ray small angle scattering method and shown in FIG. As shown in FIG. 1, two peaks centered around pore diameters of 5 nm and 25 nm can be confirmed, and the pore diameter is less than 10 nm (Comp. 1 in the figure) and 10 nm or more (Comp. 2 and Comp in the figure). .) 3) can be distinguished. A peak (Comp. 3) having a center in the vicinity of 45 nm is further separated from the pores of 10 nm or more. The volume fraction of nanopores was calculated from the three separated peaks.
Confirmation of the loading state of the carbon composite was confirmed by taking a TEM photograph. A photographed TEM photograph is shown in FIG. FIG. 2 shows that zinc and metal-based material (Si) are supported in the nanopores.

炭素複合体:85質量部,ケッチェンブラック(導電材):5質量部,PVDF(バインダ):10質量部を準備し、NMPに分散させてスラリーを調製した。調製されたスラリーを、厚さ:18μmの電解銅箔上に5.0mg/φ14mmになるよう塗布した後、乾燥、プレス成型した。その後、φ14mmの円形ポンチで抜き取り、120℃で6時間真空乾燥させ負極とした。   A carbon composite: 85 parts by mass, Ketjen black (conductive material): 5 parts by mass, PVDF (binder): 10 parts by mass were prepared and dispersed in NMP to prepare a slurry. The prepared slurry was applied on an electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm so as to be 5.0 mg / φ14 mm, and then dried and press-molded. Then, it extracted with the circular punch of (phi) 14 mm, and was vacuum-dried at 120 degreeC for 6 hours, and was set as the negative electrode.

次いで、このように製造された負極と、正極(対極)としての金属リチウムと、エチレンカーボネート(EC)30vol%及びジエチルカーボネート(DEC)70vol%の混合溶媒に、LiPFを1mol/Lとなるように溶解させて調製された電解液とを用い、ドライボックス中で組立を行うことにより、コイン型の非水電解液型のリチウムイオン二次電池(CR2025タイプ)を作製した。 Next, LiPF 6 is adjusted to 1 mol / L in a mixed solvent of the negative electrode thus produced, metallic lithium as the positive electrode (counter electrode), and 30 vol% ethylene carbonate (EC) and 70 vol% diethyl carbonate (DEC). A coin-type non-aqueous electrolyte type lithium ion secondary battery (CR2025 type) was manufactured by assembling in a dry box using an electrolyte solution prepared by dissolving in an electrolyte.

なお、本実施例のリチウムイオン二次電池は、正極及び負極を、ポリプロピレン製セパレータを介して積層させ、電解液とともにケースを密閉、封止することで組み立てられた。
以上により本実施例の試料1〜2のリチウムイオン二次電池が製造された。
In addition, the lithium ion secondary battery of a present Example was assembled by laminating | stacking a positive electrode and a negative electrode through the separator made from a polypropylene, and sealing and sealing a case with electrolyte solution.
Thus, the lithium ion secondary batteries of Samples 1 and 2 of this example were manufactured.

(比較例1)
まず、表1に合わせて示された組成の炭素複合体を準備した。本比較例の炭素複合体は、金属系材料(Si)を含有していない。この炭素複合体の組成等は、実施例1のときと同様に確認された。
(Comparative Example 1)
First, a carbon composite having the composition shown in Table 1 was prepared. The carbon composite of this comparative example does not contain a metal-based material (Si). The composition of the carbon composite was confirmed in the same manner as in Example 1.

その後、実施例1のときと同様にして、コイン型の非水電解液型のリチウムイオン二次電池(CR2025タイプ)を作製した。
以上により本比較例の試料3〜5のリチウムイオン二次電池が製造された。
Thereafter, in the same manner as in Example 1, a coin-type non-aqueous electrolyte type lithium ion secondary battery (CR2025 type) was produced.
Thus, lithium ion secondary batteries of Samples 3 to 5 of this comparative example were manufactured.

(評価)
実施例1及び比較例1のリチウムイオン二次電池の評価として、容量維持率及び充放電効率を測定した。測定結果を表1に合わせて示した。
具体的には、まず、組み立てられた各試料のリチウムイオン二次電池に対してコンディショニングを行う。
(Evaluation)
As evaluation of the lithium ion secondary battery of Example 1 and Comparative Example 1, the capacity retention rate and the charge / discharge efficiency were measured. The measurement results are shown in Table 1.
Specifically, first, conditioning is performed on the assembled lithium ion secondary battery.

つづいて、雰囲気温度60℃で、CC−CV充電(1C、4.0V)及びCC放電(2.0Vまで)を1サイクルとして充放電を繰り返した。そして、5回目の放電容量に対する50回目の放電容量の比を算出し、容量維持率とした。
また、5回目には充電容量も合わせて測定し、測定された充電容量と放電容量とから(充電容量)/(放電容量)の比を算出し、充放電効率とした。
Subsequently, at an atmospheric temperature of 60 ° C., charge and discharge were repeated with CC-CV charge (1C, 4.0 V) and CC discharge (up to 2.0 V) as one cycle. The ratio of the 50th discharge capacity to the fifth discharge capacity was calculated and used as the capacity retention rate.
In addition, the charge capacity was also measured at the fifth time, and the ratio of (charge capacity) / (discharge capacity) was calculated from the measured charge capacity and discharge capacity to obtain charge / discharge efficiency.

表1に示したように、実施例1のリチウムイオン二次電池は、比較例1のリチウムイオン二次電池に比べて、容量維持率及び充放電効率に優れていることが確認できる。このことから、所定量の亜鉛と金属系材料とを同時に有する炭素複合体を負極活物質として使用することで、サイクル特性の低下を抑えることができたことがわかる。   As shown in Table 1, it can be confirmed that the lithium ion secondary battery of Example 1 is superior in capacity retention rate and charge / discharge efficiency to the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. From this, it can be seen that by using a carbon composite having a predetermined amount of zinc and a metal-based material at the same time as the negative electrode active material, it was possible to suppress a decrease in cycle characteristics.

[リチウム空気二次電池]
(実施例2)
まず、表2に示された組成の炭素複合体を準備した。この炭素複合体の組成等は、実施例1のときと同様に確認された。
[Lithium air secondary battery]
(Example 2)
First, a carbon composite having the composition shown in Table 2 was prepared. The composition of the carbon composite was confirmed in the same manner as in Example 1.

まず、0〜1mass%の亜鉛を複合した炭素,過マンガン酸カリウム(KMnO),硫酸を超純水に溶解し、20kHzの超音波振動を付与しながら、70℃で4時間の還流を行った。還流後、固形物を濾別し、250℃で3時間の熱処理(焼成)を行い、マンガン酸化物(MnO)を担持した炭素複合体を製造した。この炭素複合体を熱重量分析したところ、炭素複合体中のMnOの量が、21mass%であった。 First, carbon combined with 0 to 1 mass% zinc, potassium permanganate (KMnO 4 ), and sulfuric acid were dissolved in ultrapure water and refluxed at 70 ° C. for 4 hours while applying ultrasonic vibration of 20 kHz. It was. After refluxing, the solid was filtered off and subjected to heat treatment (baking) at 250 ° C. for 3 hours to produce a carbon composite carrying manganese oxide (MnO x ). When this carbon composite was subjected to thermogravimetric analysis, the amount of MnO x in the carbon composite was 21 mass%.

マンガン酸化物(MnO)を担持した炭素複合体を90mass%に対してPTFE(バインダ)を10mass%で混合し(質量比が9:1で混合)、混合物をエタノールに分散した後に混練し、シート状に成形した。得られたシートを圧延し、所定の形状に打ち抜いた。打ち抜かれたシートを、ニッケルメッシュよりなる集電体の表面上に載置し、5MPa,180℃,3分の条件でプレスして圧着した。圧着後、120℃,8時間の真空乾燥を行った。以上で、本実施例の空気電池用正極が製造された。 Carbon composite supporting manganese oxide (MnO x ) was mixed with 10 mass% of PTFE (binder) with respect to 90 mass% (mixed at a mass ratio of 9: 1), and the mixture was dispersed in ethanol and kneaded, Molded into a sheet. The obtained sheet was rolled and punched into a predetermined shape. The punched sheet was placed on the surface of a current collector made of nickel mesh, and pressed and pressed under conditions of 5 MPa, 180 ° C. for 3 minutes. After pressure bonding, vacuum drying was performed at 120 ° C. for 8 hours. Thus, the positive electrode for an air battery of this example was manufactured.

次に、金属リチウムを上記の空気電池用正極と同様な形状に打ち抜いて、本実施例の空気電池用負極が製造された。
エチレンカーボネート(EC)が30vol%,1,2−ジメトキシエタン(DME)が70vol%で混合してなる混合溶媒に、LiPFを1mol/Lとなるように溶解させて、本実施例の空気電池用非水電解液が製造された。
Next, metallic lithium was punched into the same shape as the above-described positive electrode for an air battery, and the negative electrode for an air battery of this example was manufactured.
LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) at 30 vol% and 1,2-dimethoxyethane (DME) at 70 vol% so as to be 1 mol / L. A non-aqueous electrolyte was produced.

上記の正極、負極、非水電解液等を用いて、図3に要部の構成を示したリチウム空気二次電池Cを以下の手順で組み立てた。なお、本実施例のリチウム空気二次電池Cは、特に言及しない構成は従来のリチウム空気二次電池と同様である。
まず、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、負極2の両面をガラス板のエッジで研削して、表面に形成されている酸化物を除去した。この検索により、金属光沢をもつリチウム金属の表面が露出した。そして、ステンレス製の下部ケーシング4に負極2を設置した。
Using the above positive electrode, negative electrode, non-aqueous electrolyte, and the like, a lithium air secondary battery C whose main components are shown in FIG. 3 was assembled in the following procedure. In addition, the lithium air secondary battery C of a present Example is the same as that of the conventional lithium air secondary battery except the structure mentioned.
First, in a glove box under an argon atmosphere, both surfaces of the negative electrode 2 were ground with edges of a glass plate to remove oxides formed on the surface. This search exposed a surface of lithium metal with a metallic luster. And the negative electrode 2 was installed in the lower casing 4 made of stainless steel.

そして、厚さ0.025mmの多孔質膜(TOYO社製、GA−55)を2枚重ねてなるセパレータ7を介した状態で、正極1をセットした。正極1は、MnOを担持したグラフェン層を備えた多孔質炭素を配した表面が、負極2に対向するようにセットされた。それから、上記の非水電解液3を正極1の集電体12と負極2との間に注入した。 And the positive electrode 1 was set in the state through the separator 7 formed by stacking two porous films (manufactured by TOYO, GA-55) having a thickness of 0.025 mm. The positive electrode 1 was set so that the surface on which the porous carbon provided with the graphene layer carrying MnO x was opposed to the negative electrode 2. Then, the nonaqueous electrolyte 3 was injected between the current collector 12 of the positive electrode 1 and the negative electrode 2.

その後、集電体12の上にPTFEが含浸した厚さ0.025mmのカーボンペーパー13(Toray社製、EC−TP1−H090T)を載せ、シール用のOリング6を介してSUS製の第1の上部ケーシング51を装着し、更に第2の上部ケーシング52を装着し、下部ケーシング4に組付けて、かしめジグ(図示せず)によりセルを固定した。カーボンペーパー13は、本例ではガス拡散層として使用される。   Thereafter, a carbon paper 13 having a thickness of 0.025 mm impregnated with PTFE (EC-TP1-H090T, manufactured by Toray Co., Ltd.) is placed on the current collector 12, and the first SUS product is made through an O-ring 6 for sealing. The upper casing 51 was attached, and the second upper casing 52 was further attached. The lower casing 4 was assembled, and the cells were fixed by caulking jigs (not shown). The carbon paper 13 is used as a gas diffusion layer in this example.

また、第1の上部ケーシング51の内部の中空部に設けられたガス室14に、充填タンク(図示せず)から充填後のガス室14内の圧力が0.01MPaとなるように純酸素ガスを充填した。その後、ガス室14を密閉した。正極1は、触媒シート11を配した集電体12、集電体12の上面を覆うカーボンペーパー13、カーボンペーパー13を介して集電体12と接触するガス室14中の酸素ガスによって形成される空気極である。   Further, pure oxygen gas is supplied so that the pressure in the gas chamber 14 after filling from the filling tank (not shown) into the gas chamber 14 provided in the hollow portion inside the first upper casing 51 becomes 0.01 MPa. Filled. Thereafter, the gas chamber 14 was sealed. The positive electrode 1 is formed by a current collector 12 provided with a catalyst sheet 11, a carbon paper 13 covering the upper surface of the current collector 12, and oxygen gas in a gas chamber 14 that is in contact with the current collector 12 via the carbon paper 13. The air electrode.

なお、図示しないが、第2の上部ケーシング52には、集電体12に圧着されたニッケルワイヤを介して正極1と導通し、かつ第2の上部ケーシング52とは絶縁している端子が設けられている。また、同様に、下部ケーシング4には、負極2と導通し、かつ下部ケーシング4とは絶縁している端子が設けられている。
以上により本実施例の試料6のリチウム空気二次電池Cが製造された。
Although not shown, the second upper casing 52 is provided with a terminal that is electrically connected to the positive electrode 1 through a nickel wire crimped to the current collector 12 and is insulated from the second upper casing 52. It has been. Similarly, the lower casing 4 is provided with a terminal that is electrically connected to the negative electrode 2 and insulated from the lower casing 4.
Thus, the lithium air secondary battery C of Sample 6 of this example was manufactured.

(比較例2)
比較例2は、正極材料が異なること以外は実施例2と同様なリチウム空気電池である。
具体的には、実施例2のマンガン酸化物(MnO)を担持した炭素複合体に替えて、ケッチェンブラック(ライオン製,商品名:ECP600JD)と、触媒となる電解MnO(東ソー社製,商品名:FMH)と、の混合物を用いた。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 is a lithium-air battery similar to Example 2 except that the positive electrode material is different.
Specifically, in place of the carbon composite supporting the manganese oxide (MnO x ) of Example 2, Ketjen black (made by Lion, trade name: ECP600JD) and electrolytic MnO 2 (made by Tosoh Corporation) serving as a catalyst , Trade name: FMH).

(評価)
実施例2及び比較例2のリチウム空気二次電池の評価として、充電容量及び放電容量を測定した。測定結果を、表2にあわせて示した。
具体的には、それぞれの空気二次電池を北斗電工社製の充放電装置(HJ1001SM8A型)に接続し、正極1と負極2との間で定電流放電,10分間休止,定電流充電,10分間の休止を行い、定電流充放電時の電池容量(放電容量及び充電容量)を測定した。
(Evaluation)
As evaluation of the lithium air secondary battery of Example 2 and Comparative Example 2, the charge capacity and the discharge capacity were measured. The measurement results are shown in Table 2.
Specifically, each air secondary battery is connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A type) manufactured by Hokuto Denko Corporation, constant current discharge between positive electrode 1 and negative electrode 2, rest for 10 minutes, constant current charge, 10 The battery capacity (discharge capacity and charge capacity) during constant current charging / discharging was measured after a pause of minutes.

リチウム空気二次電池の定電流放電は、0.125mAの電流(正極材料の単位重量あたり0.25mA/cm)を流し、2Vになるまで放電した。定電流充電は、0.125mAの電流(正極材料の単位重量あたり0.25mA/cm)を流し、4.2Vになるまで充電した。
そして、1回目の放電容量に対する5回目の放電容量の比を算出し、容量維持率とした。
The lithium-air secondary battery was discharged at a constant current of 0.125 mA (0.25 mA / cm 2 per unit weight of the positive electrode material) until it reached 2V. In the constant current charging, a current of 0.125 mA (0.25 mA / cm 2 per unit weight of the positive electrode material) was passed, and charging was performed until the voltage reached 4.2V.
The ratio of the fifth discharge capacity to the first discharge capacity was calculated and used as the capacity retention rate.

表2に示したように、実施例2のリチウム空気二次電池は、比較例2のリチウム空気二次電池に比べて、容量維持率に優れていることが確認できる。このことから、所定量の亜鉛と金属系材料とを同時に有する炭素複合体を正極に使用することで、サイクル特性の低下を抑えることができたことがわかる。   As shown in Table 2, it can be confirmed that the lithium-air secondary battery of Example 2 is superior in capacity retention rate to the lithium-air secondary battery of Comparative Example 2. From this, it can be seen that by using a carbon composite having a predetermined amount of zinc and a metal-based material at the same time for the positive electrode, a decrease in cycle characteristics could be suppressed.

C:リチウム空気二次電池
1:正極
11:触媒シート 12:集電体
13:カーボンペーパー 14:ガス室
2:負極
3:非水電解液
4:下部ケーシング
51:第1の上部ケーシング 52:第2の上部ケーシング
6:シール用Oリング
7:セパレータ
C: Lithium air secondary battery 1: Positive electrode 11: Catalyst sheet 12: Current collector 13: Carbon paper 14: Gas chamber 2: Negative electrode 3: Non-aqueous electrolyte 4: Lower casing 51: First upper casing 52: First Upper casing of 2 6: O-ring for sealing 7: Separator

Claims (10)

全体を100mass%としたときに、0mass%よりも大きく、かつ1mass%以下の亜鉛と、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方と電気化学的に反応可能な金属,遷移金属,これらの合金,これらの複合酸化物より選ばれる金属系材料と、残部の炭素と、からなる炭素複合体であって、
細孔分布を測定したときに、細孔径が10〜60nmの細孔の占める容積が40vol%以上であることを特徴とする炭素複合体。
When the whole is 100 mass%, zinc that is greater than 0 mass% and less than 1 mass% and is capable of electrochemically reacting with at least one of alkali metals and alkaline earth metals, transition metals, alloys thereof, A carbon composite composed of a metal-based material selected from these composite oxides and the remaining carbon,
A carbon composite characterized in that when the pore distribution is measured, the volume occupied by pores having a pore diameter of 10 to 60 nm is 40 vol% or more.
前記炭素が多孔質炭素基材を形成し、前記亜鉛及び前記金属系材料が該多孔質炭素基材の表面に担持されている請求項1記載の炭素複合体。   The carbon composite according to claim 1, wherein the carbon forms a porous carbon base material, and the zinc and the metal-based material are supported on a surface of the porous carbon base material. 前記亜鉛及び前記金属系材料が前記多孔質炭素基材の細孔内に担持されている請求項2記載の炭素複合体。   The carbon composite according to claim 2, wherein the zinc and the metal material are supported in pores of the porous carbon substrate. 前記金属系材料は、Sn,Siの少なくとも一方を、20mass%以上、かつ60mass%以下で含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素複合体。   The carbon composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the metallic material contains at least one of Sn and Si at 20 mass% or more and 60 mass% or less. リチウムイオン二次電池に用いられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素複合体。   The carbon composite according to any one of claims 1 to 4, which is used for a lithium ion secondary battery. 前記金属系材料は、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,Ru,Pd,Ag,Pt,Auの金属、前記金属を含む合金及び前記金属を含む複合酸化物、金属フタロシアニン類の少なくとも一種である請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素複合体。   Examples of the metal-based material include V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Pd, Ag, Pt, and Au, alloys containing the metal, composite oxides containing the metal, and metal phthalocyanines. The carbon composite according to claim 1, which is at least one kind. リチウム空気二次電池に用いられる請求項1〜3,6のいずれか1項に記載の炭素複合体。   The carbon composite according to claim 1, which is used for a lithium-air secondary battery. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭素複合体を電極に用い、かつリチウムイオンが電気容量を担うことを特徴とする蓄電デバイス。   An electrical storage device using the carbon composite according to any one of claims 1 to 7 as an electrode, and lithium ions serving as an electric capacity. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素複合体を負極に用いたリチウムイオン二次電池である請求項8記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 8, which is a lithium ion secondary battery using the carbon composite according to any one of claims 1 to 5 as a negative electrode. 請求項1〜3,6〜7のいずれか1項に記載の炭素複合体を正極(1)に用いたリチウム空気二次電池(C)である請求項8記載の蓄電デバイス。   The electrical storage device according to claim 8, which is a lithium-air secondary battery (C) using the carbon composite according to any one of claims 1 to 3 and 6 to 7 as a positive electrode (1).
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