JP2016009525A - Negative electrode composite material of lithium air battery, lithium air battery and lithium air battery module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative composite material of a lithium air battery, a lithium air battery and a lithium air battery system that can suppress extreme increase in size and implement light weight and compact size even when energy density and input/output density are increased as compared with conventional air batteries.SOLUTION: A negative electrode composite material 10 of a lithium air battery has a plate-like or linear negative electrode collector 2, two plate-like negative layers 1 which contain metal lithium, lithium alloy or a lithium component and pinches a part of the negative electrode collector, and an isolation layer 3 which is configured in a hollow box-like shape opened at one surface thereof, contains the two negative layers therein and has lithium ion conductivity.

Description

本発明は、リチウム空気電池の負極複合体、リチウム空気電池、およびリチウム空気電池モジュールに関する。   The present invention relates to a negative electrode composite of a lithium air battery, a lithium air battery, and a lithium air battery module.

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、リチウム合金、またはリチウム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 using metal lithium, a lithium alloy, or a lithium compound as a negative electrode active material is known. 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か、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態様、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 is directly opposed to one surface of one negative electrode composite and is enclosed in a container or a laminate film. In the case of increasing the input / output density (output per weight), 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, the mode in which a large number of air batteries having the same structure are simply used, or the mode in which the air battery having the same structure is simply enlarged is mounted on an electric vehicle in order to increase the required air battery mounting space inefficiently and greatly. In reality, it is difficult to adopt.

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。   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.

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、軽量化および小型化を実現するリチウム空気電池の負極複合体、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。   Therefore, the present invention provides a lithium-air battery negative electrode composite, lithium air, which can suppress an excessive increase in size even when the energy density and input / output density are increased as compared with a conventional air battery, and realizes a reduction in weight and size. An object is to provide a negative electrode composite of a battery and a lithium-air battery.

前記目的を達成するため、本発明はリチウム空気電池の負極複合体であって、板状または線状の負極集電体と、金属リチウム、リチウム合金、またはリチウム化合物を含み、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、一面が開口した中空箱形状であり、内部に前記2つの負極層を収容する、リチウムイオン伝導性を有する隔離層とを備えるリチウム空気電池の負極複合体を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a negative electrode composite for a lithium-air battery, which includes a plate-like or linear negative electrode current collector and metallic lithium, a lithium alloy, or a lithium compound, and the negative electrode current collector A lithium-air battery comprising two plate-shaped negative electrode layers sandwiching a portion of the electrode and a hollow box shape having one open surface, and a lithium ion conductive isolation layer accommodating the two negative electrode layers therein A negative electrode composite is provided.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、その一態様において、前記開口がガスケットおよび/または接着剤により密閉されていることが好適である。   In one embodiment of the negative electrode composite for a lithium-air battery according to the present invention, the opening is preferably sealed with a gasket and / or an adhesive.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、その一態様において、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ことが好適である。   In one aspect of the negative electrode composite of the lithium-air battery according to the present invention, it is preferable that a buffer layer is further provided between the negative electrode layer and the isolation layer.

本発明は、別の側面において、リチウム空気電池であり、上記負極複合体と、導電性材料を含有し、前記隔離層の少なくとも一面に対向する面を有する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続された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を提供する。   In another aspect, the present invention provides a lithium-air battery, the negative electrode composite, an air electrode layer containing a conductive material and having a surface facing at least one surface of the isolation layer, and the air electrode layer Provided is a lithium-air battery comprising an air electrode provided with a plate-like or linear air electrode current collector electrically connected.

本発明に係るリチウム空気電池は、その一態様において、前記空気極層が、一面が開口した中空箱形状であり、内部に前記負極複合体を収容し、前記空気極層の内面の各々が、前記隔離層の外面の1つと対向していることが好適である。   In one aspect of the lithium-air battery according to the present invention, the air electrode layer has a hollow box shape with one side opened, the negative electrode composite is accommodated therein, and each of the inner surfaces of the air electrode layer is It is preferable to face one of the outer surfaces of the isolation layer.

本発明に係るリチウム空気電池は、その一態様において、前記空気極層が、一体部品として形成されていることが好適である。   In one aspect of the lithium-air battery according to the present invention, it is preferable that the air electrode layer is formed as an integral part.

本発明は、別の側面において、リチウム空気電池モジュールであり、並列に接続された複数の上記リチウム空気電池を備えるリチウム空気電池モジュールを提供する。   In another aspect, the present invention provides a lithium-air battery module comprising a plurality of the lithium-air batteries connected in parallel.

本発明に係るリチウム空気電池モジュールは、その一態様において、前記複数のリチウム空気電池を収容するケースと、前記ケース内に蓄えられ、少なくとも前記空気極に接する電解質とをさらに備えることが好適である。   In one aspect, the lithium-air battery module according to the present invention preferably further includes a case that houses the plurality of lithium-air batteries, and an electrolyte that is stored in the case and contacts at least the air electrode. .

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、軽量化および小型化を実現するリチウム空気電池の負極複合体、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ができる。   According to the present invention, an anode composite of a lithium-air battery, which can suppress an excessive increase in size even when the energy density and input / output density are increased as compared with a conventional air battery, and realizes a reduction in weight and size, lithium air A negative electrode composite of a battery and a lithium air battery can be provided.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体の一実施形態を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows one Embodiment of the negative electrode composite of the lithium air battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の実施形態を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows other embodiment of the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の実施形態を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows other embodiment of the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池の一実施形態を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows one Embodiment of the lithium air battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池の他の実施形態を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows other embodiment of the lithium air battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池モジュールの一実施形態を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows one Embodiment of the lithium air battery module which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気電池モジュールの他の実施形態を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows other embodiment of the lithium air battery module which concerns on this invention. 実施例1のセルの負極複合体を示す模式的断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a cell of Example 1. FIG. 比較例1のセルの負極複合体を示す模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a cell of Comparative Example 1. FIG.

以下に、本発明に係るリチウム空気電池のリチウム空気電池の負極複合体、リチウム空気電池、およびリチウム空気電池モジュールについて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the negative electrode composite, the lithium air battery, and the lithium air battery module of the lithium air battery of the lithium air battery according to the present invention will be described in more detail. The present invention is not limited to the following embodiments.

図1に、本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体について、その一実施形態を示す。図1に示すリチウム空気電池の負極複合体10は、主たる構成要素として、2つの負極層1、負極集電体2、および隔離層3を備えている。   FIG. 1 shows an embodiment of a negative electrode composite for a lithium-air battery according to the present invention. A negative electrode composite 10 of a lithium-air battery shown in FIG. 1 includes two negative electrode layers 1, a negative electrode current collector 2, and an isolation layer 3 as main components.

2つの負極層1は、長方形の平板形状であり、負極集電体2の一部を挟み込んでいる。2つの負極層1は、略同じサイズおよび形状である。負極層1の厚さおよびサイズは、所望の電池容量に応じて適宜調整することができる。   The two negative electrode layers 1 have a rectangular flat plate shape and sandwich a part of the negative electrode current collector 2. The two negative electrode layers 1 have substantially the same size and shape. The thickness and size of the negative electrode layer 1 can be appropriately adjusted according to the desired battery capacity.

負極層1は、金属リチウム、リチウム合金、またはリチウム化合物を含み、一般的なリチウムイオン電池に用いられる負極と同様のものを用いることができる。負極層1は、高容量化の観点から、金属リチウムを含むことが好適である。リチウム合金は、好ましくは、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、ヒ素、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛、カドミウムからなる群から選択される少なくとも1種以上の金属元素と、リチウムとの合金である。リチウム化合物は、リチウムイオンを脱挿入できるものであれば特に限定されない。リチウム化合物としては、Li3−xN(式中、Mは、Co、Cu、またはNiなどを表す。)、リチウム酸化物、およびリチウム硫化物が挙げられる。 The negative electrode layer 1 contains metallic lithium, a lithium alloy, or a lithium compound, and can be the same as the negative electrode used in a general lithium ion battery. The negative electrode layer 1 preferably contains metallic lithium from the viewpoint of increasing the capacity. The lithium alloy is preferably at least one metal element selected from the group consisting of magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, arsenic, antimony, bismuth, silver, gold, zinc, cadmium, It is an alloy with lithium. The lithium compound is not particularly limited as long as it can desorb and insert lithium ions. Examples of the lithium compound include Li 3-x M x N (wherein M represents Co, Cu, Ni, or the like), lithium oxide, and lithium sulfide.

負極集電体2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、所望の導電性を有していれば良い。例えば、銅、ニッケル、またはそれらの合金等を挙げることができる。負極集電体2は、板状または線状の形状である。負極集電体2は、2つの負極層1の間に挟み込まれる部分と、負極層1から導出されて隔離層3の外側に露出する部分とを有する。この露出部分は、外部と電気的に接続可能であり、負極端子として機能する。   The material of the negative electrode current collector 2 may be 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, or alloys thereof can be used. The negative electrode current collector 2 has a plate shape or a linear shape. The negative electrode current collector 2 has a portion that is sandwiched between two negative electrode layers 1 and a portion that is led out from the negative electrode layer 1 and exposed to the outside of the isolation layer 3. This exposed portion can be electrically connected to the outside and functions as a negative electrode terminal.

隔離層3は、固体電解質からなり、負極複合体10の外殻の大部分を構成する。隔離層3は、一面が開口した中空直方体形状である。隔離層3の正対する前側面3bおよび後側面3cは、負極層1よりも一回り大きいサイズである。隔離層3の内部には、2つの負極層1が収容されており、負極集電体2が隔離層3の開口面3aから導出されている。図示は両略されているが、隔離層3の開口は、ゴム、エラストマー、および接着剤等の蓋材により適切に閉塞されている。   The isolation layer 3 is made of a solid electrolyte and constitutes most of the outer shell of the negative electrode composite 10. The isolation layer 3 has a hollow rectangular parallelepiped shape with one side opened. The front side surface 3 b and the rear side surface 3 c facing the isolation layer 3 are slightly larger than the negative electrode layer 1. Inside the isolation layer 3, two negative electrode layers 1 are accommodated, and the negative electrode current collector 2 is led out from the opening surface 3 a of the isolation layer 3. Although the illustration is omitted, the opening of the isolation layer 3 is appropriately closed by a cover material such as rubber, elastomer, and adhesive.

本実施形態では、隔離層3は中空直方体形状であるが、実質的に本発明の目的を達成する限り、隔離層3は中空箱形状であってよい。中空箱形状には、立方体や直方体形状の他に、平行多面体などの多面体、角錐体、円柱(楕円柱を含む)、円錐台等の任意の形状が含まれる。隔離層3は、角部などに部分的に曲面を有していてもよい。隔離層3には、諸条件が許す限り、凹凸部分、突起、穴、またはスリットなどが設けられていてもよい。「一面が開口した」とは、2つの負極層1を開口を通じて収容した後、該開口を塞ぐことができるものであり、開口を閉塞することを妨げるものではない。開口は、2つの負極層1が通過可能な程度の大きさとすることができる。   In this embodiment, the isolation layer 3 has a hollow rectangular parallelepiped shape. However, as long as the object of the present invention is substantially achieved, the isolation layer 3 may have a hollow box shape. The hollow box shape includes an arbitrary shape such as a polyhedron such as a parallel polyhedron, a pyramid, a cylinder (including an elliptical column), a truncated cone, and the like in addition to a cube and a rectangular parallelepiped shape. The isolation layer 3 may partially have a curved surface at a corner or the like. As long as various conditions permit, the isolation layer 3 may be provided with uneven portions, protrusions, holes, or slits. “One side is open” means that the two negative electrode layers 1 are accommodated through the openings and then the openings can be closed, and the opening is not blocked. The opening can have a size that allows the two negative electrode layers 1 to pass therethrough.

隔離層3は、電解質を含む正極層と負極層1とを仕切るセパレータの役割を果たし、負極層1を水分から保護する。図1に示す実施形態では、隔離層3は、その内面が、負極層1と接触しない状態で配置されているが、接触してもよい。本実施形態において、隔離層3と負極層1とは直接に隣接するように配置されているが、隔離層3と負極層1とは、後述する緩衝層を間に介して配置されていてもよい。   The isolation layer 3 serves as a separator that partitions the positive electrode layer containing the electrolyte from the negative electrode layer 1 and protects the negative electrode layer 1 from moisture. In the embodiment shown in FIG. 1, the isolation layer 3 is disposed such that the inner surface thereof does not contact the negative electrode layer 1, but may be in contact. In the present embodiment, the isolation layer 3 and the negative electrode layer 1 are disposed so as to be directly adjacent to each other, but the isolation layer 3 and the negative electrode layer 1 may be disposed with a buffer layer described later therebetween. Good.

隔離層3の開口面3aを除く5つの側面は、それぞれ電極として機能することができる。隔離層3の開口面3aを除く5つの側面は、各々が空気極層に対面することができるが、5つの側面のうち少なくとも1面、例えば1面、2面、3面、または4面が空気極層に対面していれば、リチウム空気電池を構成することができる。   The five side surfaces other than the opening surface 3a of the isolation layer 3 can function as electrodes. Each of the five side surfaces except the opening surface 3a of the isolation layer 3 can face the air electrode layer, but at least one of the five side surfaces, for example, one surface, two surfaces, three surfaces, or four surfaces is present. If it faces the air electrode layer, a lithium-air battery can be constructed.

隔離層3は、好ましくは耐水性、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からなる。隔離層3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3としては、例えば、NASICON(Na Super Ionic 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3として、一般式LiM(PO(式中、MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオンを表す)で表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で表されるリチウムイオン伝導体が挙げられる。また、隔離層3として、一般式LiM(PO(式中、MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオンを表す)で表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で表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)で表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 3 is preferably made of glass ceramics having water resistance and lithium ion conductivity. The isolation layer 3 preferably has a lithium ion conductivity of 10 −5 S / cm or more. Examples of the isolation layer 3 include a NASICON (Na Super Ionic Conductor) type lithium ion conductor. Further, as the isolation layer 3, a tetravalent cation M of a lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (wherein M represents a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge). Lithium ion conduction represented by the general formula Li 1 + x M 2−x M ′ x (PO 4 ) 3 in which lithium ion conductivity is improved by substituting a part of the trivalent cation M ′ such as In and Al. The body is mentioned. Further, as the isolation layer 3, a tetravalent cation M of a lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (wherein M represents a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge, etc.). some lithium ion conductivity represented by "formula Li 1-x M 2-x M with improved lithium ion conductivity by replacing" x (PO 4) 3 5 monovalent cation M of Ta or the like The body is mentioned. P in these lithium ion conductors may be substituted by 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) is an ion. Desirable from the viewpoint of conductivity.

隔離層3の内部には、有機電解質が満たされている。有機電解質は、負極層1と隔離層3との間に存在し、負極層1と隔離層3との間のリチウムイオンの電導を担う。リチウムイオン電導の観点からは、有機電解質が隔離層3内で満たされている状態が望ましいが、軽量化の観点からは、有機電解質を含浸する緩衝層4を介して負極層1と隔離層3との間が接して密着性が保たれており、リチウムイオン電導を有していれば良い。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、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)などのリチウム塩を添加したものである。 The inside of the isolation layer 3 is filled with an organic electrolyte. The organic electrolyte exists between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3 and is responsible for the conduction of lithium ions between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3. From the viewpoint of lithium ion conduction, it is desirable that the organic electrolyte is filled in the isolation layer 3, but from the viewpoint of weight reduction, the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3 are interposed via the buffer layer 4 impregnated with the organic electrolyte. As long as it has lithium ion conductivity. 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 4 (peroxide). Lithium salt such as lithium chlorate) or LiBF 4 (lithium tetrafluorophosphate) is added.

本実施形態に係る負極複合体10は、直方体形状であり、6つの面のうち5つの面が電極として使用されることができ、発電に寄与させることができる。従来は活電部として寄与しなかった側面部の電極化により、従来のリチウム空気電池と比べて、単位体積あたりの電池反応に有効な面積を増加させて入出力密度を向上することができる。   The negative electrode composite 10 according to the present embodiment has a rectangular parallelepiped shape, and five of the six surfaces can be used as electrodes, and can contribute to power generation. By making the side surface electrode that has not conventionally contributed as a live part, the effective area for battery reaction per unit volume can be increased and the input / output density can be improved as compared with a conventional lithium-air battery.

本実施形態に係る負極複合体10は、隔離層3が中空直方体形状であり、有機電解質が漏れることがない構造である。よって、負極複合体の有機電解質が漏洩するのを防止するために開口面のみを封止すればよく、全ての側面部をガスケット等で封止する必要はない。さらに、負極複合体10を組み立てる際に隔離層3を傾ける必要がない。よって、有機電解質を漏出させることなく容易に負極複合体10を作製することができる。このように有機電解質が負極複合体内部から漏れるおそれがないため、有機電解質の注液量を目的の値とすることができ、目的の値通りの放電電圧を達成することができる。作製された負極複合体10ごとの有機電解質の量のバラツキも生じないため、同じ特性を有する負極複合体10を常に得ることができる。さらに、隔離層3の内部には、マイクロシリンジなどを用いて有機電解質を容易に注液することが可能である。よって、本実施形態に係る負極複合体10は、接着剤などの蓋材を外すことにより、後から有機電解質を内部に追加することが可能である。   The negative electrode composite 10 according to the present embodiment has a structure in which the isolation layer 3 has a hollow rectangular parallelepiped shape and the organic electrolyte does not leak. Therefore, in order to prevent the organic electrolyte of the negative electrode composite from leaking, it is only necessary to seal the opening surface, and it is not necessary to seal all side surfaces with a gasket or the like. Furthermore, it is not necessary to tilt the isolation layer 3 when assembling the negative electrode composite 10. Therefore, the negative electrode composite 10 can be easily manufactured without leaking the organic electrolyte. Thus, since there is no possibility that the organic electrolyte leaks from the inside of the negative electrode composite, the injection amount of the organic electrolyte can be set to a target value, and a discharge voltage according to the target value can be achieved. Since there is no variation in the amount of organic electrolyte for each negative electrode composite 10 produced, it is possible to always obtain the negative electrode composite 10 having the same characteristics. Furthermore, it is possible to easily inject the organic electrolyte into the isolation layer 3 using a microsyringe or the like. Therefore, in the negative electrode composite 10 according to the present embodiment, it is possible to add the organic electrolyte to the inside later by removing a cover material such as an adhesive.

一方、負極複合体が2枚の平板形状の隔離層で負極層を挟み込む構造である場合、各々の平板形状の隔離層の周縁に窓枠状のガスケットを配置したものを、負極層を挟み込むようにガスケット同士を重ね合わせることにより組み付ける。このような負極複合体では、ガスケット同士を重ね合わせて隔離層内の空間を密閉する前に有機電解質をあらかじめ隔離層上の枠状ガスケットに囲まれた空間に注入しておく。しかし、ガスケット同士を重ね合わせる際に、少なくとも一方の平板形状の隔離層を傾ける必要があるため、有機電解質がガスケットの枠内から漏れてしまい、有機電解質の量が目的の値よりも少なくなる。これにより、負極層と隔離層との間のイオン導電性が低下して内部抵抗が大きくなり、その結果、放電電圧が目的の値よりも小さくなるという問題がある。さらに、作製される負極複合体ごとに、内部の有機電解質の量にバラツキが生じる結果、同じ特性を有する負極複合体の作製が困難になる。また、このような負極複合体では、一旦密着させたガスケットを分解すると、負極複合体内部の有機電解質が漏れ出るため、負極複合体内部に後から有機電解質を追加することもできない。   On the other hand, in the case where the negative electrode composite has a structure in which the negative electrode layer is sandwiched between two flat plate-shaped isolation layers, a window frame-shaped gasket arranged on the periphery of each flat plate-shaped isolation layer is inserted between the negative electrode layers. Assemble by overlapping gaskets. In such a negative electrode composite, the organic electrolyte is previously injected into the space surrounded by the frame-shaped gasket on the isolation layer before the gaskets are overlapped to seal the space in the isolation layer. However, when the gaskets are overlapped with each other, it is necessary to incline at least one flat plate-shaped isolation layer, so that the organic electrolyte leaks from the inside of the gasket frame, and the amount of the organic electrolyte becomes less than the target value. As a result, the ionic conductivity between the negative electrode layer and the isolation layer is lowered and the internal resistance is increased. As a result, there is a problem that the discharge voltage becomes smaller than a target value. Furthermore, as a result of variations in the amount of the organic electrolyte in each negative electrode composite produced, it becomes difficult to produce a negative electrode composite having the same characteristics. Further, in such a negative electrode composite, once the gasket that has been brought into close contact is disassembled, the organic electrolyte inside the negative electrode composite leaks out, so that it is not possible to add an organic electrolyte later into the negative electrode composite.

図2に、本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体の他の実施形態を示す。図3には、本実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aの模式的な断面を示す。   In FIG. 2, other embodiment of the negative electrode composite of the lithium air battery which concerns on this invention is shown. In FIG. 3, the typical cross section of 10 A of negative electrode composites of the lithium air battery which concerns on this embodiment is shown.

図2および図3に示す実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aは、主たる構成要素として、2つの負極層1、負極集電体2、隔離層3、緩衝層4、ガスケット5、および接着剤6を備える。本実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aは、ガスケット5および接着剤6によって、内部が密閉されていることを特徴とする。なお、同一の符号を付した構成要素は、図1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。   A negative electrode composite body 10A of a lithium-air battery according to the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 includes, as main components, two negative electrode layers 1, a negative electrode current collector 2, an isolation layer 3, a buffer layer 4, a gasket 5, and An adhesive 6 is provided. The negative electrode composite body 10 </ b> A of the lithium-air battery according to this embodiment is characterized in that the inside is sealed with a gasket 5 and an adhesive 6. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected has the same structure as embodiment described about FIG. 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

緩衝層4は、負極層1と隔離層3の間に配置される。緩衝層4は、負極層1と隔離層3とを隔て、隔離層3を負極層1との接触から保護するとともに、負極層1と隔離層3とイオン伝導性を高める。緩衝層4は、好ましくは2つの負極層1の全体を覆うように包み込む。緩衝層4には、リチウムイオン伝導性のポリマー電解質、リチウムイオン伝導性の固体電解質または有機電解質が含まれる。緩衝層4のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率、電導率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。 The buffer layer 4 is disposed between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3. The buffer layer 4 separates the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3, protects the isolation layer 3 from contact with the negative electrode layer 1, and enhances the ion conductivity of the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3. The buffer layer 4 is preferably wrapped so as to cover the entire two negative electrode layers 1. The buffer layer 4 includes a lithium ion conductive polymer electrolyte, a lithium ion conductive solid electrolyte, or an organic electrolyte. The buffer layer 4 preferably has a lithium ion conductivity (also expressed as lithium ion conductivity, conductivity) of 10 −5 S / cm or more.

緩衝層4は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体状の電解質であってもよいし、リチウム塩を溶解した有機電解質をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。固体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)、PPO(ポリプロピレンオキシド)等である。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)、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。リチウム塩は、LiPF、LiClO、LiBF、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSON、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等である。 The buffer layer 4 may be a solid electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a polymer, or may be a gel electrolyte in which an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved is swollen in a polymer. Examples of the polymer serving as a host for the solid electrolyte include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). Examples of the polymer serving as a host for the gel electrolyte include PEO (polyethylene oxide), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVDF-HFP (copolymer of poly (vinylidene fluoride) and hexafluoropropylene). Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , 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、固体状の電解質のポリマーとして、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 polymer of a solid electrolyte, the molecular weight of PEO is desirably 10 4 to 10 5 , and the molar ratio of PEO and lithium salt is 8 to 30: 1. It is desirable to be.

緩衝層4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 4, 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.

また、緩衝層4は有機電解質をセパレータに染み込ませたものであっても良い。1枚のセパレータで2つの負極層1の全体を包み込んでもよく、2枚以上のセパレータを用いて2つの負極層1を挟み込むように包んでもよい。セパレータの素材は、有機電解質が染み込みやすい多孔質の材料であり、例えば、紙(セルロース)、化学繊維不織布、並びにポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、およびポリイミド(PI)などの多孔質高分子膜が挙げられる。セパレータに染み込ませる有機電解質は、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、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)などのリチウム塩を添加したものである。 Further, the buffer layer 4 may be one in which an organic electrolyte is soaked in a separator. The whole of the two negative electrode layers 1 may be wrapped with one separator, or the two negative electrode layers 1 may be wrapped with two or more separators. The material of the separator is a porous material that easily penetrates the organic electrolyte. For example, paper (cellulose), chemical fiber nonwoven fabric, and porous polymers such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyimide (PI). A membrane is mentioned. The organic electrolyte soaked into the separator 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), A lithium salt such as LiClO 4 (lithium perchlorate) or LiBF 4 (lithium tetrafluorophosphate) is added.

隔離層3がガラスセラミックスからなる場合、負極層1と隔離層3とが直接接触することにより、隔離層3のガラスセラミックスが負極層1のリチウムと反応して劣化する場合がある。例えば、隔離層3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4を挿入して負極層1と隔離層3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、リチウム空気電池の長寿命化に寄与する。   When the isolation layer 3 is made of glass ceramics, the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3 may be in direct contact with each other, so that the glass ceramics of the isolation layer 3 may react with lithium in the negative electrode layer 1 and deteriorate. For example, when the material of the isolation layer 3 is LTAP, the LTAP may be deteriorated by reaction with lithium. However, such a reaction is suppressed by inserting the buffer layer 4 to prevent contact between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 3. This contributes to extending the life of the lithium-air battery.

ガスケット5は、隔離層3の開口面3aを塞ぐように、隔離層3の開口端縁において側面間に固定される。ガスケット5は、開口面3aに装着可能な大きさの長方形の形状である。ガスケット5の厚さは、隔離層3の開口端縁の側面間に固定可能であれば、特に限定されず、当業者が適宜設定することができる。ガスケット5は、隔離層3の側面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5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5は、負極層1に接していてもよく、接触していなくてもよい。ガスケット5は、2枚のガスケットからなり、重ね合わせ面を通して負極集電体2を負極複合体10の外部に導出している。あるいは、ガスケット5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2のための貫通孔がガスケット5に設けられている。ガスケット5は、その一部が、隔離層3の開口端から外側にはみ出していてもよい。   The gasket 5 is fixed between the side surfaces at the opening edge of the isolation layer 3 so as to block the opening surface 3 a of the isolation layer 3. The gasket 5 has a rectangular shape that can be attached to the opening surface 3a. The thickness of the gasket 5 is not particularly limited as long as it can be fixed between the side surfaces of the opening edge of the isolation layer 3, and can be appropriately set by those skilled in the art. The gasket 5 may be fixed to the inner surface of each of the side surfaces of the isolation layer 3 by any method, but is preferably fixed by the adsorptivity and / or adhesiveness of the gasket 5 itself. The gasket 5 may be in contact with the negative electrode layer 1 or may not be in contact therewith. The gasket 5 includes two gaskets, and the negative electrode current collector 2 is led out of the negative electrode composite 10 through the overlapping surface. Alternatively, the gasket 5 may be configured as one member. In such a case, a through hole for the negative electrode current collector 2 is provided in the gasket 5. A part of the gasket 5 may protrude outward from the opening end of the isolation layer 3.

ガスケット5により負極複合体内の空間が密閉されるため、負極複合体10Aへの水分や溶液の侵入や、負極複合体内からの有機電解質の漏出を防ぐことができる。有機電解質は、接着剤や樹脂等の劣化原因となるが、ガスケット5による有機電解質の漏出の防止により、接着剤6の劣化を抑制することができる。   Since the space in the negative electrode complex is sealed by the gasket 5, it is possible to prevent moisture and solution from entering the negative electrode complex 10A and leakage of the organic electrolyte from the negative electrode complex. The organic electrolyte causes deterioration of the adhesive, resin, and the like, but the deterioration of the adhesive 6 can be suppressed by preventing leakage of the organic electrolyte by the gasket 5.

ガスケット5の材料は、ゴムまたはエラストマーであり、好ましく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る。有機電解質に耐性であるゴムまたはエラストマーを用いれば、負極複合体内部の有機電解質によるガスケット5の劣化が起こりにくくなり、負極複合体10Aの内部の密閉性をより長期間にわたって維持することができる。ゴムまたはエラストマーは、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ことが好適である。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。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 material of the gasket 5 is rubber or elastomer, preferably rubber or elastomer that is resistant to organic electrolyte. If rubber or elastomer that is resistant to the organic electrolyte is used, the gasket 5 is less likely to be deteriorated by the organic electrolyte inside the negative electrode composite, and the hermeticity inside the negative electrode composite 10A can be maintained for a longer period of time. The rubber or elastomer is preferably a rubber or elastomer made of ethylene-propylene-diene copolymer, or a fluorine-based rubber or elastomer. 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. 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.

接着剤6は、隔離層3の開口面3aを塞ぐように、隔離層3の開口端縁に固定され、負極集電体2の残部を隔離層3の外側に露出させつつ隔離層内の空間を密閉する。接着剤6は、隔離層3の開口面3aの全体を覆うように固定される。接着剤6は、好ましくはガスケット5に接触し、ガスケット5を外部から固定する。接着剤6は、負極集電体4が貫通する貫通部を有する。接着剤6により、負極複合体10Aの密閉性をさらに向上させることができる。接着剤6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6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、接着剤6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5により隔離層内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10A内部への侵入を防ぐことができる。このため、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。   The adhesive 6 is fixed to the opening edge of the isolation layer 3 so as to block the opening surface 3 a of the isolation layer 3, and the space in the isolation layer is exposed while the remaining part of the negative electrode current collector 2 is exposed to the outside of the isolation layer 3. To seal. The adhesive 6 is fixed so as to cover the entire opening surface 3 a of the isolation layer 3. The adhesive 6 preferably contacts the gasket 5 and fixes the gasket 5 from the outside. The adhesive 6 has a penetrating portion through which the negative electrode current collector 4 penetrates. The adhesive 6 can further improve the sealing performance of the negative electrode composite 10 </ b> A. As the adhesive 6, those having low moisture permeability and high sealing properties are suitable. For example, epoxy adhesives, acrylic adhesives, silicone adhesives, olefin adhesives, synthetic rubber adhesives, and the like Is mentioned. More preferably, the adhesive further has resistance to an aqueous electrolyte (preferably an organic electrolyte), such as an epoxy adhesive or an olefin adhesive. The adhesive 6 preferably has a curing condition that cures at room temperature in a short time. In addition, the adhesive 6 may contain an alcoholic solvent or the like that degrades metallic lithium as a trace component. However, since the space in the isolation layer is hermetically sealed by the gasket 5, Intrusion into the negative electrode composite body 10A can be prevented. For this reason, the freedom degree of the kind of adhesive agent which can be used can be improved.

本実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aは、ガスケット5および接着剤6により内部空間が密閉されている。よって、有機電解質が負極複合体内部に閉じ込められ、外側に漏出することがない。そのため、有機電解質が負極複合体10Aの外側に存在する電解質に触れて、電解質の濃度やpHが変化するというおそれがなく、所望の放電特性を達成することができる。   The internal space of the negative electrode composite body 10 </ b> A of the lithium-air battery according to this embodiment is sealed by the gasket 5 and the adhesive 6. Therefore, the organic electrolyte is confined inside the negative electrode composite and does not leak to the outside. Therefore, there is no fear that the organic electrolyte touches the electrolyte present outside the negative electrode composite 10A and the concentration and pH of the electrolyte change, and desired discharge characteristics can be achieved.

さらに、本実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aでは、ガスケット5および接着剤6が、直方体形状の隔離層3の上面に位置する開口に固定されている。よって、リチウム空気電池の通常の使用状態では、負極複合体10Aの外側で空気極と負極複合体10Aとの間でリチウムイオンの伝導を担う電解質が、負極複合体10Aのガスケット5および接着剤6に付着しない。また、ガスケット5および接着剤6は、上面に位置する開口に固定されているため、負極複合体10Aの内部に存在する有機電解質とも接触しない。よって、本実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体10Aは、ガスケット5および接着剤6が電解質との接触によって劣化することがないという利点を有する。このため、ガスケット5および接着剤6の劣化による破損によって、内部の有機電解質が漏出することがなく、負極複合体10Aの密閉性が向上している。また、通常の使用の範囲では、ガスケット5および接着剤6は電解質および有機電解質に接触しないため、ガスケット5および接着剤6の材質について、電解質および有機電解質に対する相性を考慮しなくてもよい。よって、負極複合体10Aの設計の自由度が向上するという利点がある。   Furthermore, in the negative electrode composite body 10 </ b> A of the lithium-air battery according to the present embodiment, the gasket 5 and the adhesive 6 are fixed to an opening located on the upper surface of the rectangular parallelepiped isolation layer 3. Therefore, in a normal use state of the lithium-air battery, the electrolyte responsible for lithium ion conduction between the air electrode and the negative electrode composite 10A outside the negative electrode composite 10A is the gasket 5 and the adhesive 6 of the negative electrode composite 10A. Does not adhere to. Further, since the gasket 5 and the adhesive 6 are fixed to the opening located on the upper surface, the gasket 5 and the adhesive 6 do not come into contact with the organic electrolyte present in the negative electrode composite 10A. Therefore, 10 A of negative electrode composites of the lithium air battery which concern on this embodiment have the advantage that the gasket 5 and the adhesive agent 6 do not deteriorate by contact with electrolyte. For this reason, the internal organic electrolyte does not leak due to damage due to deterioration of the gasket 5 and the adhesive 6, and the sealing performance of the negative electrode composite 10 </ b> A is improved. Moreover, in the range of normal use, the gasket 5 and the adhesive 6 do not contact the electrolyte and the organic electrolyte, and therefore, the compatibility of the gasket 5 and the adhesive 6 with the electrolyte and the organic electrolyte need not be considered. Therefore, there exists an advantage that the freedom degree of design of 10 A of negative electrode composites improves.

図4に、本発明に係るリチウム空気電池について、その一実施形態を示す。図5には、本実施形態に係るリチウム空気電池の模式的な断面を示す。   FIG. 4 shows an embodiment of a lithium air battery according to the present invention. In FIG. 5, the typical cross section of the lithium air battery which concerns on this embodiment is shown.

図4および図5に示す実施形態に係るリチウム空気電池100は、主たる構成要素として、負極複合体10Aと空気極13とを備える。空気極13は、空気極層11と空気極集電体12とを備える。なお、同一の符号を付した構成要素は、図1〜3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。   The lithium-air battery 100 according to the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 includes a negative electrode composite 10A and an air electrode 13 as main components. The air electrode 13 includes an air electrode layer 11 and an air electrode current collector 12. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected has the same structure as embodiment described about FIGS. 1-3, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

空気極層11は、一面が開口した中空直方体形状であり、内部に負極複合体10Aを収容している。空気極層11の開口面を除く5つの内面の各々は、負極複合体10Aを構成する隔離層3の開口面を除く5つの面)のうちの1つと対向している。負極複合体10Aの隔離層3の外面と、空気極層11の内面とは、実際には相互に各々接しているが、図4および図5においては識別しやすいように離間させて示している。空気極層11は、一体部品として形成されている。空気極層11は、負極複合体10Aの形状、すなわち隔離層3の形状に合わせた形状であり、隔離層3を嵌め込み可能なように、隔離層3よりも一回り大きいサイズを有する。図示は省略されているが、空気極層11の開口は、ゴム、エラストマー、および接着剤等の蓋材により適切に閉塞されている。   The air electrode layer 11 has a hollow rectangular parallelepiped shape with one surface opened, and accommodates the negative electrode composite 10 </ b> A therein. Each of the five inner surfaces excluding the opening surface of the air electrode layer 11 faces one of the five surfaces excluding the opening surface of the isolation layer 3 constituting the negative electrode composite 10A. The outer surface of the isolation layer 3 of the negative electrode composite 10A and the inner surface of the air electrode layer 11 are actually in contact with each other, but are separated from each other in FIGS. 4 and 5 for easy identification. . The air electrode layer 11 is formed as an integral part. The air electrode layer 11 has a shape that matches the shape of the negative electrode composite body 10A, that is, the shape of the isolation layer 3, and is slightly larger than the isolation layer 3 so that the isolation layer 3 can be fitted therein. Although not shown, the opening of the air electrode layer 11 is appropriately closed with a cover material such as rubber, elastomer, and adhesive.

本実施形態では、空気極層11は中空直方体形状であるが、隔離層3の形状に合わせて、立方体や直方体形状の他に、平行多面体などの多面体、角錐体、円柱(楕円柱を含む)、円錐台等の任意の形状の中空箱形状とすることができる。空気極層11は、角部などに部分的に曲面を有していてもよい。空気極層11には、諸条件が許す限り、凹凸部分、突起、穴、またはスリットなどが設けられていてもよい。「一面が開口した」とは、負極複合体10Aを開口を通じて収容した後、該開口を塞ぐことができるものであり、開口を閉塞することを妨げるものではない。開口は、負極複合体10Aが通過可能な程度の大きさとすることができる。   In the present embodiment, the air electrode layer 11 has a hollow rectangular parallelepiped shape, but in addition to a cube or a rectangular parallelepiped shape, a polyhedron such as a parallel polyhedron, a pyramid, or a cylinder (including an elliptical column) is used in accordance with the shape of the isolation layer 3. The hollow box shape can be any shape such as a truncated cone. The air electrode layer 11 may partially have curved surfaces at corners or the like. The air electrode layer 11 may be provided with uneven portions, protrusions, holes, or slits as long as various conditions permit. “One side is open” means that after the negative electrode composite 10A is accommodated through the opening, the opening can be closed, and the opening is not blocked. The opening can have a size that allows the negative electrode composite 10A to pass therethrough.

空気極層11は、導電性材料を含有する。空気極層11は、導電性およびガス拡散性を有する素材、好ましくは炭素繊維などの導電体を素材とする。具体的には、空気極層11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、多孔質性のステンレス、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は、導電性があり、軽量化に優れ、電解質に対する耐腐食性の高い材料であり、特に好ましくはカーボン材料である。空気極層11は、毛細管現象で電解質15を吸い上げて負極複合体10Aと空気極13との間に電解質を介在させる。   The air electrode layer 11 contains a conductive material. The air electrode layer 11 is made of a material having conductivity and gas diffusibility, preferably a conductor such as carbon fiber. Specifically, the air electrode layer 11 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 porous metal material such as stainless steel, nickel, aluminum, or iron may be used. A preferable air electrode material is a material that is conductive, excellent in weight reduction, and highly resistant to corrosion with respect to an electrolyte, and particularly preferably a carbon material. The air electrode layer 11 sucks up the electrolyte 15 by a capillary phenomenon and interposes the electrolyte between the negative electrode composite 10 </ b> A and the air electrode 13.

空気極層11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11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。具体的な空気極層11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 11 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 11 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 and the like are used. be able to. 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 layer 11 include a method in which the slurry is applied and adhered by a doctor blade method or a spray method.

空気極集電体12は、板状または線状の形状を有し、空気極層11に電気的に接続される。空気極集電体12は、空気極層11の外側に露出する部分を有し、この露出部分は外部と電気的に接続可能されて、正極端子として機能する。空気極集電体12の材料としては、リチウム空気電池100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12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。空気極集電体12は、空気極層11と同じ材料で形成されていてもよい。   The air electrode current collector 12 has a plate shape or a linear shape, and is electrically connected to the air electrode layer 11. The air electrode current collector 12 has a portion exposed to the outside of the air electrode layer 11, and this exposed portion can be electrically connected to the outside and functions as a positive electrode terminal. The material of the air electrode current collector 12 may be any material as long as it can exist stably in the operating range of the lithium air battery 100 and has a desired conductivity. Examples of the material of the air electrode current collector 12 include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, gold, and platinum, and carbon materials such as carbon cloth and carbon nonwoven fabric. The air electrode current collector 12 may be formed of the same material as the air electrode layer 11.

図4および図5には示されていないが、リチウム空気電池100の使用の際には、容器内に貯留された電解質にリチウム空気電池100の一部を浸すなどして、電解質が適切に供給される。   Although not shown in FIGS. 4 and 5, when the lithium air battery 100 is used, the electrolyte is appropriately supplied by immersing a part of the lithium air battery 100 in the electrolyte stored in the container. Is done.

本実施形態に係るリチウム空気電池100は、中空直方体形状の空気極層11の5つの内面の各々が、隔離層3の側面または底面の1つと対向しており、負極電極の単位体積あたりの電池反応に有効な面積が大幅に増加している。よって、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、従来のリチウム空気電池と比べて、エネルギー密度が向上している。 In the lithium-air battery 100 according to the present embodiment, each of the five inner surfaces of the hollow rectangular parallelepiped air electrode layer 11 faces one of the side surfaces or the bottom surface of the isolation layer 3, and the battery per unit volume of the negative electrode The effective area for reaction has increased significantly. Therefore, the energy density of the lithium air battery 100 according to the present embodiment is improved as compared with the conventional lithium air battery.

さらに、本実施形態に係るリチウム空気電池100では、空気極層11が、負極複合体10の形状に合わせて、中空直方体形状の一体部品として形成されているため、負極複合体10と空気極層11との組み付け工程を簡易にすることができる。また、負極複合体10の側面および底面の数だけ、すなわち5つの空気極層を用意する必要がなく、空気極層としての部品の個数を低減させることができる。   Furthermore, in the lithium-air battery 100 according to the present embodiment, the air electrode layer 11 is formed as an integral part of a hollow rectangular parallelepiped shape in accordance with the shape of the negative electrode composite 10, so that the negative electrode composite 10 and the air electrode layer 11 can be simplified. Moreover, it is not necessary to prepare the number of side surfaces and the bottom surface of the negative electrode composite 10, that is, five air electrode layers, and the number of parts as the air electrode layers can be reduced.

また、従来のリチウム空気電池は、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た。一方、本実施形態に係るリチウム空気電池100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。   Further, the conventional lithium-air battery is enclosed in a container or a laminate film with one surface of one air electrode facing one surface of one negative electrode composite. On the other hand, the lithium-air battery 100 according to the present embodiment eliminates the need for a laminate film in a conventional lithium-air battery, reduces the number of parts, and eliminates difficult adhesion in joining the laminate film polypropylene and glass ceramics.

図6に、本発明に係るリチウム空気電池モジュールについて、その一実施形態を示す。図6に示す実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200は、並列的に接続された複数のリチウム空気電池100を備える。なお、同一の符号を付した構成要素は、図1〜5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。   FIG. 6 shows an embodiment of a lithium air battery module according to the present invention. The lithium air battery module 200 according to the embodiment shown in FIG. 6 includes a plurality of lithium air batteries 100 connected in parallel. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected has the same structure as embodiment demonstrated about FIGS. 1-5, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200では、複数のリチウム空気電池100が並列的に接続される。リチウム空気電池100は、相互に接触させて配置される。または、リチウム空気電池100は、直接接触させずに、間に空気が透過し反応性が向上し易いような通気孔を介して配置してもよい。複数のリチウム空気電池100は、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等の材質で空気透過用の穴が空いたチューブなどにより相互に固定されてもよい。並列的に接続されるリチウム空気電池100の個数は、必要とする電流に合わせた個数とすることができる。なお、図示は両略されているが、各々のリチウム空気電池100は、空気極層11の開口が、ゴム、エラストマー、および接着剤等の蓋材により適切に閉塞されている。   In the lithium air battery module 200 according to the present embodiment, a plurality of lithium air batteries 100 are connected in parallel. The lithium air batteries 100 are arranged in contact with each other. Or you may arrange | position the lithium air battery 100 through the vent hole which air permeate | transmits between and it is easy to improve reactivity, without making it contact directly. The plurality of lithium-air batteries 100 are formed of a fluororesin molded product made of polyethylene, polypropylene, or a fluoropolymer having vinylidene fluoride units and tetrafluoroethylene units, or a fluoropolymer having vinylidene fluoride units and tetrafluoroethylene units. They may be fixed to each other by a tube made of a material such as fluororesin and having a hole for air permeation. The number of lithium-air batteries 100 connected in parallel can be set in accordance with the required current. Although not shown in the figure, in each lithium air battery 100, the opening of the air electrode layer 11 is appropriately closed with a cover material such as rubber, elastomer, and adhesive.

図6には示されていないが、リチウム空気電池モジュール200の使用の際には、容器内に貯留された電解質にリチウム空気電池モジュール200の一部を浸すなどして、電解質が適切に供給される。   Although not shown in FIG. 6, when the lithium air battery module 200 is used, the electrolyte is appropriately supplied by immersing a part of the lithium air battery module 200 in the electrolyte stored in the container. The

本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200は、空気極層11自体がリチウム空気電池セルの外装の役割を兼ねているため、モジュール内部にリチウム空気電池セルごとの仕切りを設ける必要がない。このため、リチウム空気電池モジュール200は、軽量化およびコストダウンを実現可能である。一方、従来の空気電池モジュールでは、リチウム空気電池の外装に相当する仕切りをモジュール内に設け、仕切られた空間内で空気電池セルが形成されていた。そのため、仕切り板などの仕切り用の部品が別途必要であり、重量およびコストの観点で不利であった。   In the lithium-air battery module 200 according to the present embodiment, the air electrode layer 11 itself also serves as the exterior of the lithium-air battery cell, so there is no need to provide a partition for each lithium-air battery cell inside the module. For this reason, the lithium air battery module 200 can realize weight reduction and cost reduction. On the other hand, in the conventional air battery module, a partition corresponding to the exterior of the lithium air battery is provided in the module, and the air battery cell is formed in the partitioned space. Therefore, partition parts such as a partition plate are separately required, which is disadvantageous in terms of weight and cost.

従って、本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200によれば、従来の空気電池と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、軽量化および小型化を実現することができる。   Therefore, according to the lithium air battery module 200 according to the present embodiment, even if the energy density and the input / output density are increased as compared with the conventional air battery, an extreme increase in size is suppressed, and a reduction in weight and size is realized. be able to.

図7に、本実施形態に係るリチウム空気電池モジュールの他の例を示す。図7に示す実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200Aは、主たる構成要素として、並列的に接続された複数のリチウム空気電池100と、ケース101と、電解質15とを備える。なお、同一の符号を付した構成要素は、図1〜6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。   FIG. 7 shows another example of the lithium air battery module according to the present embodiment. A lithium air battery module 200A according to the embodiment shown in FIG. 7 includes a plurality of lithium air batteries 100 connected in parallel, a case 101, and an electrolyte 15 as main components. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected has the same structure as embodiment demonstrated about FIGS. 1-6, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

ケース101は、六面体、例えば直方体形状を呈する中空体である。ケース101の材質は、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ることが好適である。あるいは、ケース101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101の側壁に通気口が設けられる。通気口は、後述する電解質15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。   The case 101 is a hexahedron, for example, a hollow body having a rectangular parallelepiped shape. The material of the case 101 is a gas-permeable but liquid-impermeable material, such as a molded product of polyethylene, polypropylene, or a fluororesin made of a fluoropolymer having vinylidene fluoride units and tetrafluoroethylene units, or vinylidene fluoride. A porous body of a fluororesin composed of a fluoropolymer having a ride unit and a tetrafluoroethylene unit is preferred. Alternatively, the case 101 may be a molded article made of a material that is impermeable to both gas and liquid. In this case, a vent is provided on the side wall of the case 101. The vent is provided at a position where the electrolyte 15 described later does not leak, and allows air to flow inside and outside the case.

ケース101の内部には、電解質15と並列的に接続された複数のリチウム空気電池100とが収納される。ケース101の外側には負極集電体2および空気極集電体12のみが引き出されて露出している。図示は省略されているが、ケース101の上面には、電解質15の揮発・汚染防止のために、蓋が取り付けられていることが好ましい。   A plurality of lithium-air batteries 100 connected in parallel with the electrolyte 15 are accommodated in the case 101. Only the negative electrode current collector 2 and the air electrode current collector 12 are drawn out and exposed outside the case 101. Although not shown, it is preferable that a lid is attached to the upper surface of the case 101 to prevent volatilization and contamination of the electrolyte 15.

電解質15は、ケース101内に蓄えられ、リチウム空気電池100の空気極層11に接している。電解質15は、空気極層11に毛細管現象により吸い上げられ、空気極層11と負極複合体10との間に介在し、空気極層11と隔離層3との間でリチウムイオンの伝導を担う。   The electrolyte 15 is stored in the case 101 and is in contact with the air electrode layer 11 of the lithium air battery 100. The electrolyte 15 is sucked up into the air electrode layer 11 by capillary action, and is interposed between the air electrode layer 11 and the negative electrode composite 10, and is responsible for conduction of lithium ions between the air electrode layer 11 and the isolation layer 3.

電解質15は、水系電解質である。水系電解液としては、通常、水にリチウム塩を含有させたものを用いることができる。リチウム塩としては、例えばLiCl、LiOH、LiNO、CHCOLi等のリチウム塩等を挙げることができる。電解質15は、少なくとも空気極層11の底面に接していればよく、好ましくは空気極層11の側面の5分の1〜5分の3を浸す程度の量でケース101内に貯留される。 The electrolyte 15 is a water based electrolyte. As the aqueous electrolyte, a solution containing lithium salt in water can be usually used. Examples of the lithium salt include lithium salts such as LiCl, LiOH, LiNO 3 , and CH 3 CO 2 Li. The electrolyte 15 only needs to be in contact with at least the bottom surface of the air electrode layer 11, and is preferably stored in the case 101 in an amount that immerses 1/5 to 3/5 of the side surface of the air electrode layer 11.

あるいは、電解質15は、ポリマー電解質であっても良い。この場合、電解質15は、空気極層11と隔離層3との間に挟まれる薄膜状体であってよく、空気極層11の表面をコーティングする膜状体であってもよい。   Alternatively, the electrolyte 15 may be a polymer electrolyte. In this case, the electrolyte 15 may be a thin film-like body sandwiched between the air electrode layer 11 and the isolation layer 3, or may be a film-like body that coats the surface of the air electrode layer 11.

本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200Aは、複数のリチウム空気電池100を並列接続して1つのケース101に収容する。このような構造にすることにより、ケース内の全てのリチウム空気電池100に電解質15を共有させることができる。よって、リチウム空気電池100ごとに電解質を用意する必要がなく、電解質の貯留量を削減することができる。その結果、リチウム空気電池モジュール200A全体としての重量および体積を低減させ、軽量化を達成することができ、エネルギー密度を向上させることができる。   In the lithium-air battery module 200A according to the present embodiment, a plurality of lithium-air batteries 100 are connected in parallel and accommodated in one case 101. With this structure, the electrolyte 15 can be shared by all the lithium air batteries 100 in the case. Therefore, there is no need to prepare an electrolyte for each lithium-air battery 100, and the amount of stored electrolyte can be reduced. As a result, the weight and volume of the lithium air battery module 200A as a whole can be reduced, weight reduction can be achieved, and the energy density can be improved.

さらに、本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200Aは、放電の進行に伴って電解質15が揮発しても、ケース101内に電解質を補充すればよく、各リチウム空気電池100ごとに電解質を補給する必要がない。   Further, in the lithium air battery module 200A according to the present embodiment, even if the electrolyte 15 volatilizes as the discharge progresses, it is only necessary to replenish the electrolyte in the case 101, and replenish the electrolyte for each lithium air battery 100. There is no need.

また、本実施形態に係るリチウム空気電池モジュール200Aでは、リチウム空気電池100が直方体形状であるため、ケース101内にリチウム空気電池100を効率的に配置することが可能である。また、空気極層11自体が外装の役割を兼ねているため、ケース101内に、リチウム空気電池の外装に相当する仕切り用の部品を別途設ける必要がない。従って、ケース101内部の空間を有効に活用することができ、このことは、リチウム空気電池モジュール200Aのエネルギー密度の向上に寄与している。   Further, in the lithium air battery module 200A according to the present embodiment, the lithium air battery 100 has a rectangular parallelepiped shape, and therefore, the lithium air battery 100 can be efficiently disposed in the case 101. In addition, since the air electrode layer 11 itself also serves as an exterior, it is not necessary to separately provide a partitioning part corresponding to the exterior of the lithium-air battery in the case 101. Therefore, the space inside the case 101 can be used effectively, which contributes to the improvement of the energy density of the lithium air battery module 200A.

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の負極複合体、リチウム空気電池、およびリチウム空気電池モジュールは、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 negative electrode composite_body | complex of lithium air battery which concerns on this invention, a lithium air battery, and a lithium air battery module are not restrict | limited by the following Example.

[実施例1]
1.箱状構造の固体電解質203の作製
(1)リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板をカットして、5枚の板状にした。
(2)2液硬化型のエポキシ系接着剤を板状のLTAP薄板の端面に塗布して、貼り合わせ、一面が開口した箱状の5面体を組み立てることにより、固体電解質203を作製した。
[Example 1]
1. Production of Box-shaped Structure Solid Electrolyte 203 (1) A lithium ion conductive glass ceramic (LTAP) thin plate was cut into five plates.
(2) A two-component curable epoxy adhesive was applied to the end face of a plate-shaped LTAP thin plate, bonded together, and a box-shaped pentahedron with one side opened was assembled to prepare a solid electrolyte 203.

2.負極複合体の作製
負極複合体210を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのArによる不活性雰囲気下で以下の手順で組み立てた。図8には、負極複合体210の模式的な断面図を示す。
(1)負極複合体210の構成部材である上記1で作製した箱状の固体電解質203、銅箔(負極集電体)202の両面に貼り合わせた金属リチウム負極201(四角形、2枚)、PP樹脂の多孔質シートによるセパレータ204(四角形、2枚)、および上面に配置するガスケットシート205(EPDM、1枚)を準備した。
(2)金属リチウム負極201(銅箔202の集電体付き)を、2枚のPP樹脂の多孔質シートによるセパレータ204に挟み、箱状の固体電解質203内に挿入した。
(3)固体電解質203内に有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)を滴下した。固体電解質203内の上部まで電解液に満たされているのを確認した。
(4)金属リチウム201に貼付された銅箔(負極集電体)202の一部を固体電解質203の外側に露出させ、固体電解質203の上部の開口部にガスケットシート205を取り付けた。ガスケットシート205と固体電解質203の端部をエポキシ系接着剤206(2液常温硬化型)にて接着して密閉した。
2. Production of Negative Electrode Composite The negative electrode composite 210 was assembled in the following procedure under an inert atmosphere with Ar having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of −76 ° C. dp. FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of the negative electrode composite 210.
(1) The box-shaped solid electrolyte 203 produced in 1 above, which is a constituent member of the negative electrode composite 210, and the metal lithium negative electrode 201 (square, two) bonded to both surfaces of the copper foil (negative electrode current collector) 202, A separator 204 (square, two sheets) made of a PP resin porous sheet and a gasket sheet 205 (EPDM, one sheet) arranged on the upper surface were prepared.
(2) A metallic lithium negative electrode 201 (with a copper foil 202 current collector) was sandwiched between two PP resin porous sheets 204 and inserted into a box-shaped solid electrolyte 203.
(3) An organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) was dropped into the solid electrolyte 203. It was confirmed that the electrolyte solution was filled up to the upper part in the solid electrolyte 203.
(4) A part of the copper foil (negative electrode current collector) 202 affixed to the metal lithium 201 was exposed to the outside of the solid electrolyte 203, and a gasket sheet 205 was attached to the upper opening of the solid electrolyte 203. The end portions of the gasket sheet 205 and the solid electrolyte 203 were adhered and sealed with an epoxy adhesive 206 (two-component room temperature curing type).

3.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400mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を100mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)15ml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。その後、上記の箱状の固体電解質を覆うような一面が開口した箱状の5面体に空気極をカットして組み立てた。正極集電体は、空気極と同じ材質のものを空気極に貼付した。
3. Production of Air Electrode 400 mg of platinum-supported carbon (Pt 45.8%) as a catalyst for oxygen reduction of the positive electrode and 100 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder) were weighed, and N-methyl-2- A mixed solvent was prepared by adding 15 ml of pyrrolidone (NMP).
The mixed solvent was stirred and dispersed with a stirrer (AR-100 manufactured by Shinki Co., Ltd.) for 15 minutes and with ultrasonic waves for 60 minutes, and coated on a carbon cloth using a coating machine, and then placed on a hot plate to be 110. An air electrode having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 was produced by heating and drying at 0 ° C. for 1 hour. After that, the air electrode was cut and assembled into a box-shaped pentahedron whose one surface was opened so as to cover the box-shaped solid electrolyte. The positive electrode current collector was affixed to the air electrode with the same material as the air electrode.

4.水系電解質の調製
42.4gのLiClを精製水500mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。
4). Preparation of aqueous electrolyte 42.4 g of LiCl was dissolved in 500 ml of purified water to prepare a 2M LiCl aqueous solution.

5.セルの作製
箱状の空気極に箱状の負極複合体210を収納したものを、空気極を収容可能な大きさの、通気口が空いたプラスチック製のケース内に入れて、水系電解質をセル全体が浸る程度に加え、実施例1のリチウム空気電池のセルとした。
5. Preparation of Cell A container in which a box-shaped negative electrode composite 210 is housed in a box-shaped air electrode is placed in a plastic case having a size that can accommodate the air electrode and having a vent hole. In addition to the extent that the whole was immersed, a lithium-air battery cell of Example 1 was obtained.

[比較例1]
1.負極複合体の作製
負極複合体310を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのArによる不活性雰囲気下で以下の手順で作製した。図9に、負極複合体310の模式的な断面図を示す。負極複合体310は、実施例1の負極複合体210と同様の外形サイズを有する。
(1)負極複合体310の構成部材である固体電解質303(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301(金属Li、四角形、2枚、銅箔(負極集電体)310の両面に貼付)、セルロースセパレータ304(四角形、2枚)、およびガスケットシート308(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質303の各々にガスケットシート308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303上に、セルロースセパレータ304を、ガスケットシート308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304に滴下して全体に染み込ませた。金属リチウム301を、セルロースセパレータ304上に、ガスケットシート308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304を金属リチウム301上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ304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303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308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308の粘着性により密閉させた。負極複合体310の内部の構成部材同士が、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309(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質303の間を密閉するように、固体電解質303の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤309を硬化させた。
[Comparative Example 1]
1. Production of Negative Electrode Composite A negative electrode composite 310 was produced by the following procedure in an inert atmosphere with Ar having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of −76 ° C. dp. FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the negative electrode composite 310. The negative electrode composite 310 has the same outer size as the negative electrode composite 210 of Example 1.
(1) Solid electrolyte 303 (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, square, two pieces), which is a constituent member of the negative electrode composite 310, metal lithium 301 (metal Li, square, two pieces, copper foil (negative electrode collection) Electrical body) 310) and cellulose separator 304 (square, 2 sheets) and gasket sheet 308 (EPDM, square frame, 2 sheets) were prepared. A gasket sheet 308 was attached to each of the two solid electrolytes 303.
(2) On one solid electrolyte 303 shown on the lower side in FIG. 9, the cellulose separator 304 is disposed so as to enter the frame of the gasket sheet 308, and an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M). Of LiPF 6 ) was dripped into the cellulose separator 304 and soaked throughout. The metallic lithium 301 was placed on the cellulose separator 304 so as to enter the frame of the gasket sheet 308, and the second cellulose separator 304 was placed on the metallic lithium 301. The organic electrolyte was dropped into the second cellulose separator 304 and soaked throughout.
(3) The upper solid electrolyte 303 prepared in (1) is placed over the product in (2), and the upper and lower gasket sheets 308 are pasted so as not to shift so that no external air or the like enters. Thus, the gasket sheet 308 was sealed by the adhesiveness. The constituent members inside the negative electrode composite 310 were pressed and fixed from the outside so that the components contact each other with good adhesion.
(4) An epoxy adhesive 309 (two-component room temperature curing type) is thinly applied to the entire periphery of the outer peripheral edge of the solid electrolyte 303 so that the space between the two solid electrolytes 303 is sealed. 309 was cured.

2.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。
2. Production of Air Electrode Weigh 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), and measure N-methyl-2- A mixed solvent was prepared by adding 3 ml of pyrrolidone (NMP).
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.

3.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。
3. Preparation of aqueous electrolyte The aqueous electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1.

4.セルの作製
負極複合体310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310、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、比較例1のリチウム空気電池のセルとした。
4). Production of Cell In a plastic case with a hole and a size that can accommodate the negative electrode composite 310, an air electrode, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, a negative electrode composite 310, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, and A cell in which the air electrode was stacked so that there was no deviation in this order was accommodated, and a lithium-air battery cell of Comparative Example 1 was obtained.

[放電試験]
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ALS608Aで10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している。放電電圧の測定結果を表1に示す。実施例1および比較例1のセルはいずれも放電の初期において高い放電電圧を示したが、実施例1のセルは、比較例1のセルと比べてさらに長時間高い放電電圧を維持した。
[Discharge test]
In the cells of Example 1 and Comparative Example 1, the discharge voltage when discharged at 4 mA / cm 2 (about 0.1 C discharge rate) was measured with ALS608A manufactured by BAS for 10 hours. Here, 1C indicates a current value at which discharge is completed in just one hour after constant-current discharge of a cell having a nominal capacity. The measurement results of the discharge voltage are shown in Table 1. The cells of Example 1 and Comparative Example 1 both showed a high discharge voltage at the beginning of discharge, but the cell of Example 1 maintained a higher discharge voltage for a longer time than the cell of Comparative Example 1.

Figure 2016009525
Figure 2016009525

1 負極層
2 負極集電体
3 隔離層
3a 開口面
3b 前側面
3c 後側面
4 緩衝層
5 ガスケット
6 接着剤
10、10A 負極複合体
11 空気極層
12 空気極集電体
13 空気極
15 電解質
100 リチウム空気電池
101 ケース
200、200A リチウム空気電池モジュール

201 金属リチウム
202 銅箔
203 固体電解質
204 セパレータ
205 ガスケットシート
206 エポキシ系接着剤
210 負極複合体

301 金属リチウム
302 銅箔
303 固体電解質
304 セルロースセパレータ
308 ガスケットシート
309 エポキシ系接着剤
310 負極複合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode layer 2 Negative electrode collector 3 Separation layer 3a Opening surface 3b Front side surface 3c Rear side surface 4 Buffer layer 5 Gasket 6 Adhesive 10, 10A Negative electrode complex 11 Air electrode layer 12 Air electrode current collector 13 Air electrode 15 Electrolyte 100 Lithium air battery 101 Case 200, 200A Lithium air battery module

201 Metal Lithium 202 Copper Foil 203 Solid Electrolyte 204 Separator 205 Gasket Sheet 206 Epoxy Adhesive 210 Negative Electrode Composite

301 Metal Lithium 302 Copper Foil 303 Solid Electrolyte 304 Cellulose Separator 308 Gasket Sheet 309 Epoxy Adhesive 310 Negative Electrode Composite

Claims (8)

板状または線状の負極集電体と、
金属リチウム、リチウム合金、またはリチウム化合物を含み、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、
一面が開口した中空箱形状であり、内部に前記2つの負極層を収容する、リチウムイオン伝導性を有する隔離層と
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 plate-shaped negative electrode layers containing metallic lithium, a lithium alloy, or a lithium compound and sandwiching a part of the negative electrode current collector;
A negative electrode composite for a lithium-air battery, which has a hollow box shape with one surface open and includes a lithium ion conductive isolation layer that accommodates the two negative electrode layers therein.
前記開口がガスケットおよび/または接着剤により密閉されている請求項1に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 1, wherein the opening is sealed with a gasket and / or an adhesive. 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1または2に記載の負極複合体。   The negative electrode composite according to claim 1, further comprising a buffer layer between the negative electrode layer and the isolation layer. 請求項1〜3のいずれかに記載の負極複合体と、
導電性材料を含有し、前記隔離層の少なくとも一面に対向する面を有する空気極層と、
前記空気極層に電気的に接続された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 1 to 3,
An air electrode layer containing a conductive material and having a surface opposite to at least one surface of the isolation layer;
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.
前記空気極層が、一面が開口した中空箱形状であり、内部に前記負極複合体を収容し、前記空気極層の内面の各々が、前記隔離層の外面の1つと対向している請求項4に記載のリチウム空気電池。   The air electrode layer has a hollow box shape with an open surface, accommodates the negative electrode composite therein, and each inner surface of the air electrode layer faces one of the outer surfaces of the isolation layer. 4. The lithium air battery according to 4. 前記空気極層が、一体部品として形成されている請求項5に記載のリチウム空気電池。   The lithium air battery according to claim 5, wherein the air electrode layer is formed as an integral part. 並列に接続された複数の請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム空気電池を備えるリチウム空気電池モジュール。   A lithium air battery module comprising a plurality of lithium air batteries according to any one of claims 1 to 6 connected in parallel. 前記複数のリチウム空気電池を収容するケースと、
前記ケース内に蓄えられ、少なくとも前記空気極に接する電解質と
をさらに備える請求項7に記載のリチウム空気電池モジュール。
A case housing the plurality of lithium-air batteries;
The lithium air battery module according to claim 7, further comprising an electrolyte stored in the case and in contact with at least the air electrode.
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