JP2016046039A - Metal air battery and electrolytic medium for metal air battery positive electrode side - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属空気電池、およびその正極側用の電解媒体に関する。 The present invention relates to a metal-air battery and an electrolytic medium for its positive electrode side.
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リチウム空気電池などの金属空気電池に期待が寄せられている。金属空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に使用するものである。 Due to the widespread use of electric vehicles, there are expectations for metal-air batteries such as lithium-air batteries that have a much higher energy density than lithium-ion batteries. The metal-air battery uses oxygen in the air as a positive electrode active material.
電解質の種類に着目すると、リチウム空気電池は非水系電解質(特許文献1、特許文献2)と、水系電解質(特許文献3、特許文献4)との2つに大別される。
Focusing on the type of electrolyte, lithium-air batteries are broadly divided into two types: non-aqueous electrolytes (
特許文献1〜4のいずれの文献でも、金属空気電池の正極側の触媒は、正極の材料である炭素繊維などに塗布して担持させている。そのため、正極を作製するためには触媒を適正量塗布する工程や塗布後に乾燥させる工程が必要であり、正極を作製するのに多くの工程が必要であった。特に、触媒を塗布する場合には、触媒を結着剤と混ぜて炭素繊維材料に塗布する必要があった。そのため、正極の重量が増加し、重量当たりのエネルギー密度が低下する問題があった。
In any of
また、金属空気電池の正極側では、反応が進行すると、反応生成物が触媒表面や触媒の反応場に生成してしまい、正極の材料に担持させた触媒の触媒能が落ちてしまうという問題があった。さらに、正極の材料表面に塗布した触媒の表面は、別の触媒や添加した結着剤で隠れてしまうため、反応に寄与しなくなるおそれがあった。 In addition, when the reaction proceeds on the positive electrode side of the metal-air battery, a reaction product is generated on the catalyst surface or the reaction field of the catalyst, and the catalytic ability of the catalyst supported on the positive electrode material is reduced. there were. Furthermore, since the surface of the catalyst applied to the material surface of the positive electrode is hidden by another catalyst or an added binder, there is a possibility that it may not contribute to the reaction.
さらに、金属空気電池に一般的な課題として、放電電流値を大きくした際に、正極近傍のイオンの偏りにより、正極における酸素の供給が追いつかないと、反応が進まず、内部抵抗ばかりが大きくなり、直ぐに放電電圧が低下する問題があった。 Furthermore, as a general problem for metal-air batteries, when the discharge current value is increased, if the supply of oxygen at the positive electrode cannot catch up due to the bias of ions near the positive electrode, the reaction will not proceed and only the internal resistance will increase. There was a problem that the discharge voltage immediately decreased.
そこで、本発明は、金属空気電池の正極の作製を容易にすることができるとともに、放電電圧の低下を防ぐことができる優れた金属空気電池およびその正極側用の電解媒体を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an excellent metal-air battery that can facilitate the production of a positive electrode of a metal-air battery and prevent a decrease in discharge voltage, and an electrolytic medium for the positive electrode side. And
上記課題を解決するため、本発明は、その一態様として、金属空気電池の正極側用の電解媒体であって、この電解媒体は、前記金属空気電池の放電時には酸素還元反応を促進する金属触媒が溶解されている電解液を含むものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides, as one aspect thereof, an electrolytic medium for a positive electrode side of a metal-air battery, which is a metal catalyst that promotes an oxygen reduction reaction during discharge of the metal-air battery. The electrolyte solution is dissolved.
前記金属触媒は、貴金属を含むものが好ましい。また、前記金属触媒は、金属錯体が好ましい。前記金属錯体は、I−、Br−、Cl−、F−、CN−、SCN−、S2−、OH−、NO3 −、NCS−、H2O、NH3およびCOからなる群から選択された少なくとも1つのリガンドを含むものが好ましい。前記電解液は、非水系電解液または水系電解液であってもよい。 The metal catalyst preferably contains a noble metal. The metal catalyst is preferably a metal complex. The metal complex is selected from the group consisting of I − , Br − , Cl − , F − , CN − , SCN − , S 2− , OH − , NO 3 − , NCS − , H 2 O, NH 3 and CO. Preferred are those containing at least one ligand that has been prepared. The electrolytic solution may be a non-aqueous electrolytic solution or an aqueous electrolytic solution.
また、本発明は、別の態様として、金属空気電池であって、正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に配置され且つ前記正極に接する電解媒体とを備え、この電解媒体は、前記金属空気電池の放電時には酸素還元反応を促進する金属触媒が溶解されている電解液を含むものである。 Moreover, the present invention, as another aspect, is a metal-air battery, comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic medium disposed between and in contact with the positive electrode and the negative electrode. The metal-air battery includes an electrolytic solution in which a metal catalyst that promotes an oxygen reduction reaction is dissolved during discharge.
前記負極は、金属リチウム又はリチウムを主成分とする合金もしくは化合物を含む負極層と、この負極層を挟み込み、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層とを備えることが好ましい。 The negative electrode preferably includes a negative electrode layer containing metallic lithium or a lithium-based alloy or compound, and two plate-shaped isolation layers sandwiching the negative electrode layer and having lithium ion conductivity.
放電時の酸素還元反応を促進する金属触媒は、従来、正極の炭素材料に担持させていたが、本発明によれば、正極に接する電解液に溶かすだけである。よって、正極作製の際に、触媒を炭素材料に塗布等して担持させる工程を省くことができ、正極の作製工数を削減することができる。また、触媒を固定させるための結着剤が不要となり、正極が軽量化され、重量当たりのエネルギー密度も向上させることができる。本発明では、電解液に溶けた金属触媒が均一に存在しているので、別の金属触媒や結着剤で金属触媒を覆うことがなく、反応促進に寄与しない触媒の発生を防ぐことができる。 Conventionally, the metal catalyst that promotes the oxygen reduction reaction during discharge was supported on the carbon material of the positive electrode. However, according to the present invention, it is only dissolved in the electrolyte solution in contact with the positive electrode. Therefore, in the production of the positive electrode, the step of applying the catalyst to the carbon material and supporting it can be omitted, and the number of steps for producing the positive electrode can be reduced. In addition, a binder for fixing the catalyst becomes unnecessary, the positive electrode is reduced in weight, and the energy density per weight can be improved. In the present invention, since the metal catalyst dissolved in the electrolytic solution is present uniformly, the metal catalyst is not covered with another metal catalyst or a binder, and the generation of a catalyst that does not contribute to the promotion of the reaction can be prevented. .
さらに、本発明では、金属触媒を電解液に溶解させたため、金属触媒は電解液中に均一に且つ移動可能に存在し、よって、従来の正極の炭素材料に担持させるような固相の触媒表面で反応を促進させていた場合と比べると、正極の酸素還元反応の反応効率を向上させることができる。これにより、放電電流値を大きくしても、放電電圧の低下が生じるのを防ぐことができる。また、正極で反応が進行して反応生成物が生成しても、金属触媒は電解液に溶けているため、反応生成物が触媒を覆うようなことは生じず、よって、触媒反応の阻害や触媒能の低下を防ぐことができ、安定した放電電圧を維持することができる。 Furthermore, in the present invention, since the metal catalyst is dissolved in the electrolytic solution, the metal catalyst is present in the electrolytic solution uniformly and movably. Therefore, the solid catalyst surface supported on the carbon material of the conventional positive electrode. The reaction efficiency of the oxygen reduction reaction of the positive electrode can be improved as compared with the case where the reaction is promoted by. Thereby, even if the discharge current value is increased, it is possible to prevent the discharge voltage from being lowered. Further, even if the reaction proceeds at the positive electrode and a reaction product is generated, the metal catalyst is dissolved in the electrolytic solution, so that the reaction product does not cover the catalyst. A decrease in catalytic ability can be prevented, and a stable discharge voltage can be maintained.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る金属空気電池およびその正極側用の電解媒体の一実施の形態について、より詳細に説明する。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of a metal-air battery and an electrolytic medium for the positive electrode side according to the present invention will be described in more detail.
図1に示すように、本実施形態に係る金属空気電池1は、負極部20と、正極部30と、正極部と負極部との間に位置する電解媒体部40とを主に備える。負極部20は、金属イオンを吸蔵放出可能な負極活物質を有するものである。正極部30は、酸化還元可能な酸素を含有する空気を正極活物質として用いるものであり、空気極部ともいう。
As shown in FIG. 1, the metal-
正極部30は、本実施の形態では複合体であり、導電性とガス拡散性を有する材料から構成される正極層32と、正極層32に電気的に接続される正極集電体31と、正極層32を部分的に覆う正極外殻33とを備える。
The
正極層32の導電性とガス拡散性を有する材料としては、多孔質構造を有する導電性材料を用いてもよい。多孔質構造としては、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。より具体的には、カーボンペーパや、カーボンクロス、カーボン不織布などの炭素繊維材料がある。カーボンクロスは、炭素繊維を規則正しく編み込んだシート状のものであり、カーボン不織布は、炭素繊維をランダムに絡み合わせたシート状のものである。その他、多孔質構造を有すれば、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属材料でもよい。これらの中でも、正極の軽量化や、電解液に対する耐腐食性の高さから、炭素繊維がより好ましい。
As the material having conductivity and gas diffusibility of the
正極層32は薄板形状を有する。正極層32は、正極外殻33によって囲まれているが、正極層32の一方の面が、負極部20の少なくとも一方の面(すなわち、後述する隔離層24の面)に対向するように、正極外殻33には開口が設けられている。また、正極活物質である空気が正極層32に導入されるように、正極外殻33には別の開口が設けられている。さらに、正極外殻33には、正極集電体31を外殻外側に引き出すための開口(図示省略)が設けられている。
The
正極集電体31は、金属空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよい。正極集電体31の材料としては、例えば、ステンレス鋼、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炭素繊維材料を用いることができる。
The positive
電解媒体部40は、電解媒体41と、電解媒体41を収容する電解媒体外殻42とを備える。電解媒体41は、図2に示すように、金属触媒44が溶解されている電解液43を含むものである。金属触媒44は、少なくとも金属空気電池1の放電時に正極層32で行われる酸素還元反応を促進する触媒活性を有するものである。もちろん、金属触媒44は、金属空気電池1の充電時に正極層32で行われる酸素酸化反応を促進する触媒活性を有していてもよい。
The
このような金属触媒44としては、貴金属やその他の遷移金属などを使用することができる。貴金属としては、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Irやその酸化物が挙げられる。その他の遷移金属としては、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、La、Ce等やその酸化物が挙げられる。
As such a
金属触媒44は、溶解されている必要があるために、金属錯体とすることが好ましい。特に錯体の場合、金属元素の価数が変化しても錯体が維持されるので、金属触媒の反応サイクルを容易に維持することができる。金属錯体のリガンドとしては、I−、Br−、Cl−、F−、CN−、SCN−、S2−、OH−、NO3 −、NCS−、H2O、NH3、CO等が挙げられる。これらの中でも、電解媒体41が酸性である方が大電流を流しても放電電圧を維持できることから、ハロゲンイオンが好ましく、Cl−がより好ましい。
Since the
金属触媒44の濃度は、上記の触媒効果を発揮するために、電解液1L当たりの当該金属元素の重量を1.0g以上とすることが好ましく、2.0g以上がより好ましく、4.0g以上が更に好ましい。金属触媒44の濃度が高くなり過ぎると、電解液の比重が重くなり、電池の重量が増加してしまうため、その上限は、電解液1L当たり40g以下が好ましい。
The concentration of the
電解液43は、金属触媒44を溶解できるものであれば、水系電解液でも非水系電解液でもよい。水系電解液としては、塩酸水溶液、硝酸水溶液、ホウ酸水溶液、酢酸水溶液、アンモニア水などを用いることができる。電解液のpHは、特に限定されないが、酸性の電解液の場合、大電流を流しても放電電圧を維持できる。もちろん、金属触媒44を溶解することができれば、電解液のpHは塩基性でもよい。
The
なお、電解液43は、例えば金属錯体などの金属触媒44を溶解することで電気伝導性を有することに至った液体も含むものである。例えば、金属触媒として、ヘキサクロロ白金(IV)錯体を用いる場合、金属触媒を溶かす溶媒として単なる水(蒸留水)を用いることができ、この場合の電解媒体41は、金属触媒44として白金が溶解した塩酸の電解液43を含むものとなる。
The
非水系電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)やエチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネート、またはそれらの混合溶液を用いることができ、導電性を持たせるために、LiPF6、LiClO4、LiBF4等の電解質を添加してもよい。 As the non-aqueous electrolyte, a cyclic carbonate such as propylene carbonate (PC) or ethylene carbonate (EC), a chain carbonate such as dimethyl carbonate (DMC) or ethyl methyl carbonate (EMC), or a mixed solution thereof may be used. In order to provide conductivity, an electrolyte such as LiPF 6 , LiClO 4 , or LiBF 4 may be added.
また、電解媒体41は、金属媒体44が電解液43中で均一に存在し、且つ正極層32に移動可能に存在するのであれば、金属触媒が溶解された電解液を、多孔質体に含浸させたものを使用してもよい。多孔質体としては、ポリエチレンやポリプロピレン等の多孔膜の他、樹脂不織布やガラス繊維不織布などの不織布などを用いてよい。
In addition, the electrolytic medium 41 impregnates the porous body with the electrolytic solution in which the metal catalyst is dissolved as long as the
電解媒体41は、電解媒体外殻42に収容されているが、電解媒体32が負極部20の後述する隔離層24と正極層32の両方に接するように、電解媒体外殻42には開口が設けられている。
Although the
なお、このような放電時の酸素還元反応を促進する金属触媒44は、従来、正極の炭素材料に担持させていたが、本発明では、正極層32に接する電解液43に溶かすだけであるので、よって、正極層33を形成する際に、金属触媒44を炭素材料に塗布等して担持させる工程を省くことができ、正極の作製工数を削減することができる。
The
さらに、従来、正極の炭素材料に触媒を担持させる際には、触媒を固定させるために結着剤を添加する必要があったが、本発明では、電解液43に金属触媒44を溶かすだけであるので、金属触媒44を固定させる必要は無く、結着剤を混ぜる必要はなくなる。よって、正極層33を軽量化することができ、重量に対してのエネルギー密度を向上させることができる。また、従来の炭素材料に触媒を担持させる方法では、炭素材料中に触媒が不均一に固定されたり、結着剤が触媒を覆ってしまったりすることがあり、反応の促進に寄与しない触媒が発生するおそれがあったが、本発明では、電解液43に溶けた金属触媒44が均一に存在しているので、別の金属触媒や結着剤で金属触媒を覆うことがなく、よって、反応促進に寄与しない触媒が発生することを防ぐことができる。
Furthermore, conventionally, when the catalyst is supported on the carbon material of the positive electrode, it has been necessary to add a binder to fix the catalyst. However, in the present invention, the
負極部20は、本実施の形態では複合体であり、図1に示すように、負極集電体21と、負極活物質で構成する負極層22と、緩衝層23と、隔離層24とを、この順に積層して備えるものである。
The
負極集電体21は、線状または板状を有している。負極集電体21の材料は、金属空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよく、例えば、銅、ニッケル等でよい。
The negative electrode
負極層22の負極活物質は、金属イオンを吸蔵放出可能な材料であれば特に限定されないが、例えば、ナトリウムや、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、リチウムなどの金属を用いることができる。この中でも開放電圧が高く、実用的な観点からリチウムがより好ましい。また、負極活物質は、金属リチウムに限定されず、リチウムを主成分とする合金もしくは化合物であってもよい。リチウムを主成分とする合金は、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、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛等を含むことができる。リチウムを主成分とする化合物は、例えば、Li3−xMxN(M=Co、Cu、Ni)がある。
The negative electrode active material of the
隔離層24は、負極部20が電解媒体部40と接する面に位置しており、負極層22を水分から保護するためのものである。隔離層24の材料は、耐水性および金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ガラスセラミックスを用いることができる。負極活物質として金属リチウムを用いる場合、隔離層24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。このような隔離層24の材料としては、例えば、NASICON(Na Superionic Conductor:ナトリウム超イオン導電体)型のリチウムイオン伝導体が挙げられる。また、一般式LiM2(PO4)3(MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をIn、Al等の3価のカチオンM’で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1+xM2−xM’x(PO4)3であらわされるリチウムイオン伝導体が挙げられる。さらに、一般式LiM2(PO4)3(MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をTa等の5価のカチオンM”で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1−xM2−xM”x(PO4)3であらわされるリチウムイオン伝導体が挙げられる。これらのリチウムイオン伝導体のPはSiで置換されている場合があり、一般式Li1+x+yTi2−xAlxP3−ySiyO12(LTAP)であらわされるリチウムイオン伝導体がイオン伝導性の観点から望ましい。これらの他にも、高いリチウムイオン伝導性をもつ硫化物系セラミック電解質等も挙げられる。
The
緩衝層23は、負極層22と隔離層24とが接触すると、負極層22のリチウム等の負極活物質と隔離層24のガラスセラミックスとが反応して、隔離層24が劣化する場合があることから、負極層22と隔離層24との接触を防ぐためのものである。緩衝層23は、金属イオン伝導性のポリマー電解質または有機電解質である。例えば、有機電解液をセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロース等のシート)に浸み込ませたものを使用してもよい。負極活物質として金属リチウムを用いる場合、緩衝層23のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。使用される有機電解液は、炭酸エチレンに、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルを混合し、さらにリチウム塩を添加したものである。その他、緩衝層23は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体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液をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiTFSI(Li(CF3SO2)2N)、Li(C2F4SO2)2N、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等が挙げられる。
In the
ポリマーとしては、PEO(ポリエチレンオキシド)、PPO(ポリプロピレンオキシド)等が挙げられる。ゲル電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAN(ポリアクリロニトリル)、PVP(ポリビニルピロリドン)、PEO−PMA(ポリエチレンオキシド修飾ポリメタクリレートの架橋体)、PVdF(ポリフッ化ビリニデン)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAA(ポリアクリル酸)、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)等が挙げられる。なお、緩衝層23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104〜105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。また、緩衝層23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、BaTiO3の粉末をポリマーに分散させてもよい。セラミックス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。
Examples of the polymer include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). The polymer serving as the host for the gel electrolyte is PEO (polyethylene oxide), PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PVP (polyvinylpyrrolidone), PEO-PMA (crosslinked product of polyethylene oxide-modified polymethacrylate), PVdF (polyfluoride). And vinylidene fluoride), PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylic acid), PVdF-HFP (copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene), and the like. In addition, when using especially desirable PEO as a polymer of the
なお、電解媒体41として非水系電解液を用いた場合は、緩衝層23や隔離層24は、負極部20に必ずしも備えられていなくてもよい。すなわち、負極部20において、負極層22は電解媒体41と直接に隣接するように配置されていてもよい。
When a nonaqueous electrolytic solution is used as the
上述した負極集電体21、負極層22、緩衝層23および隔離層24の積層体は、負極外殻25で覆われているが、この積層体の隔離層24の面が正極部30の正極層32の面に対向するように、負極外殻25には開口が設けられている。また、負極外殻25には、負極集電体21を外殻外側に引き出すための開口が設けられている。
The laminate of the negative electrode
次に、このような構成の金属空気電池1の作用について説明する。金属空気電池1の放電反応は、負極部20の負極層22が負極活物質として金属リチウムを用いた場合、以下の式で表すことができる。
(負極側) 2Li→2Li++2e−・・・(式1)
(正極側) 1/2O2+H2O+2e−→2OH−・・・(式2)
Next, the operation of the metal-
(Negative electrode side) 2Li → 2Li + + 2e − (Formula 1)
(Positive electrode side) 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e − → 2OH − (Formula 2)
そして、電解媒体部40の金属触媒44は、図2に示すように、正極層32に接する電解液43中を移動可能に存在することから、正極層32で生じる放電時の酸素還元反応(式2)を促進することができる。金属触媒44として白金(Pt)を用いた場合、以下の式で表すことができる。
As shown in FIG. 2, the
触媒のPt(IV)は電解液43中に均一に且つ移動可能に存在するため、容易に負極側から電子を受容して、Pt(II)となるが、正極層32での酸素還元反応(式2)を促進するために、電子を放出してPt(IV)に戻る。よって、従来の正極の炭素材料に担持させるような固相の触媒表面で反応を促進させていた場合と比べると、触媒能力を向上させることができ、正極の酸素還元反応の反応効率を向上させることができる。その結果、放電電流値を大きくしても、正極の酸素還元反応における酸素供給が足りなくなるという状態を回避することができ、放電電圧の低下が生じるのを防ぐことができる。
Since Pt (IV) of the catalyst exists uniformly and movably in the
また、正極層32で反応が進行して反応生成物が生成しても、金属触媒44は電解液43に溶けているため、反応生成物が触媒を覆うようなことは生じず、よって、触媒反応の阻害や触媒能の低下を防ぐことができる。その結果、長時間の放電後も安定した放電電圧を維持することができる。
Further, even if the reaction proceeds in the
金属空気電池1の充電反応は、上記と同様の条件の場合、以下の式で表すことができる。
(負極側) 2Li←2Li++2e−・・・(式3)
(正極側) 1/2O2+H2O+2e−←2OH−・・・(式4)
The charging reaction of the metal-
(Negative electrode side) 2Li ← 2Li + + 2e − (Formula 3)
(Positive electrode side) 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e − ← 2OH − (Formula 4)
金属触媒44は、その種類によっては、上記の充電時の酸素酸化反応(式4)も促進することができる。その際の金属触媒44の作用は、上述した放電時の場合と電子の放出および受容が逆になるだけで、同様に正極の酸素酸化反応の反応効率を向上させることができる。
Depending on the type of the
なお、金属空気電池1は、図1に示す構成に限定されるものではなく、例えば、図3に示す構成にすることもできる。図3に示すように、この実施形態の金属空気電池100では、電解媒体140が容器110内に満たされ、この電解媒体140中に一対の負極部120と正極部130が対向するように配置されている。なお、負極部120と正極部130の複数の対が積層するように配置してもよい。
In addition, the
正極部130と電解媒体140の構成は、上述した図1の構成と同様のため、ここでの説明は省略する。負極部120は、負極集電体121と、2つの負極層122と、2つの緩衝層(セパレータ)123と、2つの隔離層(固体電解質)124と、接合部125、2つのガスケットシート126とを備えている。
Since the structure of the
2つの負極層122は、負極集電体121の一部を挟み込む板形状であり、負極活物質からなる。負極集電体121の長さは、2つの負極層122に挟まれる長さであれば集電体として効果を有する。2つの緩衝層123は、2つの負極層122を挟み込むシート状の部材である。2つのガスケットシート126は、2つの負極層22を取り囲むように、2つの隔離層124の間に配置され、2つの隔離層124の間の空間を密閉する。
The two
2つの隔離層(固体電解質)124は、2つの緩衝層123の外側に配置され、2つの負極層122の全部を挟み込む板形状であり、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質である。この2枚の固体電解質により負極層122を挟むことで、負極層122を保護している。
The two isolation layers (solid electrolytes) 124 are disposed outside the two
負極部120は、2つの固体電解質で2枚の負極層122を挟むように構成されている。負極部120は、負極層122をアルミラミネート等の包材に収納する必要がなく、正極部130と負極部120を1つのセルとして、積層しやすい構造である。
The
接合部125は、2つの隔離層124の外周縁部間を接合して閉ざすように形成されている。この例の接合部125は、固体電解質等の両端に設けられている。
The joining
ガスケット126の材料としては、有機電解質に耐性があるゴムまたはエラストマーであれば特に限定されないが、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体のゴムまたはエラストマー、またはフッ素系のゴムまたはエラストマーが好適である。
The material of the
接合部125の材料としては、例えば、接着剤を用いることができ、接着剤としては、透湿性が低く、密閉性が高いものが好適であり、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤、オレフィン系接着剤、および合成ゴム系接着剤などが挙げられる。
For example, an adhesive can be used as the material of the
このような構成の金属空気電池100でも、図1の構成と同様に、電解媒体140が、金属触媒が溶解された電解液を含むものであるので、正極部130の酸素還元反応の反応効率を向上させることができるとともに、触媒反応の阻害や触媒能の低下を防ぐことができ、長時間にわたって安定した放電電圧を維持することができる。
Also in the metal-
以下、本発明に係る金属空気電池の実施例および比較例について説明する。実施例および比較例で用いた金属空気電池は、図3に示す構成と同様のものであり、容器としてビーカーを用い、正極部としてカーボンクロスを用い、負極層として金属リチウムを用いた。金属触媒を溶解させた電解液、金属触媒の濃度、電解液のpHについては表1に示す。 Examples of the metal-air battery according to the present invention and comparative examples will be described below. The metal-air batteries used in Examples and Comparative Examples have the same configuration as that shown in FIG. 3, using a beaker as a container, using carbon cloth as a positive electrode part, and using metallic lithium as a negative electrode layer. Table 1 shows the electrolytic solution in which the metal catalyst is dissolved, the concentration of the metal catalyst, and the pH of the electrolytic solution.
実施例の塩化白金酸溶液(H2PtCl6)、塩化パラジウム溶液(PdCl2)、塩化ルテニウム溶液(RuCl3)、硝酸ロジウム溶液(Rh(NO3)3)はいずれも田中貴金属工業社製のものである。比較例では、金属触媒を溶解しない単なる塩酸溶液、2Mの塩化リチウム溶液(LiCl)を用いた。いずれの電解液も容量は30mlとした。各溶液のpHは横河電機社製のpHメータ(PH72)にて測定した。 The chloroplatinic acid solution (H 2 PtCl 6 ), palladium chloride solution (PdCl 2 ), ruthenium chloride solution (RuCl 3 ), and rhodium nitrate solution (Rh (NO 3 ) 3 ) of the examples are all manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Is. In the comparative example, a simple hydrochloric acid solution that does not dissolve the metal catalyst and a 2M lithium chloride solution (LiCl) were used. All electrolytes had a capacity of 30 ml. The pH of each solution was measured with a pH meter (PH72) manufactured by Yokogawa Electric Corporation.
負極部の作製は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中にて両面金属リチウム付き銅箔集電体をガラスセラミックス2枚とで挟み周囲を接着剤で密閉することにより複合負極を作製した。より詳細には、先ず、ガラスセラミックスの縁に外周が重なるサイズにカットしたラバーガスケットを用意し、その内部を後に入れる金属リチウムが収まるサイズに切り抜いた。これを2つ用意し、ガラスセラミックス2枚に張り付けた。ガラスセラミックスのラバーガスケットの内部にセパレータ(セルロース)、両面金属リチウム付き銅箔集電体(本城金属社製)を順に乗せ、非水系電解液(キシダ化学社製の1M LiPF6/EC:EMC=1:1)で満たした。液面の高さとしてはリチウム金属が存在する箇所に到達していればよいとした。最後にもう1枚のガラスセラミックを載せて2液常温硬化型エポキシ系接着剤にて固定し、複合負極を作製した。 The negative electrode part was produced by sandwiching a copper foil current collector with double-sided metal lithium between two glass ceramics in a glove box under an argon atmosphere and sealing the periphery with an adhesive to produce a composite negative electrode. More specifically, first, a rubber gasket cut to a size where the outer periphery overlaps with the edge of the glass ceramic was prepared, and the inside was cut out to a size that could accommodate the metal lithium to be inserted later. Two of these were prepared and pasted on two glass ceramics. A separator (cellulose) and a copper foil current collector with lithium metal on both sides (made by Honjo Metal Co., Ltd.) are placed in this order in a glass ceramic rubber gasket, and a non-aqueous electrolyte (1M LiPF 6 / EC: EMC produced by Kishida Chemical Co., Ltd.) = 1: 1). As the height of the liquid level, it is only necessary to reach a location where lithium metal exists. Finally, another glass ceramic was placed and fixed with a two-pack room temperature curing epoxy adhesive to produce a composite negative electrode.
金属リチウム部の厚さは片面200μm、銅箔部は10μmのものを使用した。固体電解質にはLTAP(オハラ社製)を用いた。LTAPは、一般式Li1+x+yTi2−xAlxP3−ySiyO12で表されるリチウムイオン伝導体であり、耐水性を有しているが、耐リチウム金属性を有しておらず、そのため隔離層をセパレータと非水系電解液とで構成した。ラバーガスケットの材質としては、厚さ250μmのエチレンプロピレンゴム(EPDM)を使用した。 The thickness of the metallic lithium part was 200 μm on one side and the copper foil part was 10 μm. LTAP (manufactured by OHARA) was used as the solid electrolyte. LTAP is lithium ion conductor represented by the general formula Li 1 + x + y Ti 2 -x Al x P 3-y Si y O 12, has the water resistance, he has a resistance to lithium metal Therefore, the isolation layer was composed of a separator and a non-aqueous electrolyte. As a material for the rubber gasket, ethylene propylene rubber (EPDM) having a thickness of 250 μm was used.
放電試験の条件は、電流密度2mA/cm2にて放電し、200秒後の放電電圧を、北斗電工製充放電試験機SD8で測定した。その結果を表1および図4に示す。 The conditions for the discharge test were discharging at a current density of 2 mA / cm 2 and measuring the discharge voltage after 200 seconds with a charge / discharge tester SD8 manufactured by Hokuto Denko. The results are shown in Table 1 and FIG.
表1および図4に示すように、金属触媒を溶解しない単なる塩酸溶液や塩化リチウム溶液を用いた比較例1、2に比べて、金属触媒を溶解した電解溶液を用いた実施例1〜4のリチウム空気電池は、いずれも高い放電電圧を示した。pHが小さくなると放電電圧が大きくなることが知られているが、同様のpHで触媒を含む実施例1と触媒を含まない比較例1の結果より、触媒を含む実施例1の方が大きい放電電圧を示したことから、電解液中に溶解した触媒が、正極の反応の触媒として機能したことを示すといえる。また、電解液として硝酸溶液を用いた実施例4に比べて、塩酸溶液を用いた実施例1〜3の方がいずれも高い放電電圧を示した。 As shown in Table 1 and FIG. 4, in comparison with Comparative Examples 1 and 2 using a simple hydrochloric acid solution or a lithium chloride solution that does not dissolve the metal catalyst, Examples 1 to 4 using an electrolytic solution in which the metal catalyst was dissolved were used. All the lithium air batteries showed high discharge voltage. It is known that the discharge voltage increases as the pH decreases, but the discharge of Example 1 containing the catalyst is larger than the result of Example 1 containing the catalyst and Comparative Example 1 containing no catalyst at the same pH. Since the voltage was shown, it can be said that the catalyst dissolved in the electrolyte functioned as a catalyst for the positive electrode reaction. Moreover, compared with Example 4 which used the nitric acid solution as electrolyte solution, the direction of Examples 1-3 using the hydrochloric acid solution showed all the high discharge voltage.
1、100 金属空気電池
110 容器
20、120 負極部
21、121 負極集電体
22、122 負極層
23、123 緩衝層
24、124 隔離層
25 負極外殻
30、130 正極部
31 正極集電体
32 正極層
33 正極外殻
40 電解媒体部
41、140 電解媒体
42 電解媒体外殻
43 電解液
44 金属触媒
125 接合部
126 ガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 Metal-
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