JP2016091809A - Intermediate layer raw material composition for capacitor air battery, electrode having intermediate layer including such raw material composition, and capacitor air battery including such electrode - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitor air battery having a novel structure in which a metal air battery and an electric double layer capacitor are combined together, and having a momentary discharge capacity and a high energy density.SOLUTION: A capacitor air battery comprises: an air electrode layer; an electrolyte layer; and a negative electrode layer including a covered negative electrode abutting against a first intermediate layer. The first intermediate layer is in contact with the electrolyte layer. The raw material composition of the intermediate layer includes a granular material including a carbon-based material. It is preferable that the granular material consists of particles having an average particle diameter of 0.02-500 μm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、キャパシタ空気電池用の中間層原料組成物、該原料組成物を含有する中間層を有する電極、および該電極を備えるキャパシタ空気電池に関する。   The present invention relates to an intermediate layer raw material composition for a capacitor air battery, an electrode having an intermediate layer containing the raw material composition, and a capacitor air battery including the electrode.

負極材料に金属を利用し、空気中の酸素を正極活物質として用いる金属空気電池は、正極活物質を電池に内蔵する必要がなく、電池容器内の大部分の空間に負極活物質を充填することが可能なため、原理的には化学電池の中で最も大きなエネルギー密度を有する。そのため、電池の小型軽量化や高容量化が期待できる。   Metal-air batteries that use metal as the negative electrode material and use oxygen in the air as the positive electrode active material do not require the positive electrode active material to be built into the battery, and fill the negative electrode active material in most of the space in the battery container. In principle, it has the highest energy density among chemical cells. Therefore, it can be expected to reduce the size and weight of the battery and increase the capacity.

金属空気電池は、燃料電池のように、空気から供給される酸素を多孔質の空気触媒電極において連続的に還元してエネルギーを供給することができる。しかしながら、金属空気電池の電力出力は、多孔質の空気触媒極中の酸素の拡散速度が低いことにより限定されるため、ハイブリッド電気自動車または電気自動車への適用に必要とされる瞬間的な高い電力出力を実現できないという問題があった。   Like a fuel cell, a metal-air cell can supply energy by continuously reducing oxygen supplied from air at a porous air catalyst electrode. However, since the power output of metal-air batteries is limited by the low diffusion rate of oxygen in the porous air catalyst electrode, the instantaneous high power required for hybrid electric vehicles or electric vehicle applications There was a problem that the output could not be realized.

他方、瞬間的な充電・放電には、電気化学二重層を利用したキャパシタが適しているため、二次電池と電気二重層キャパシタとを積層してなるハイブリッド蓄電用電子部品が考案された(特許文献1)。また、金属空気電池と電気二重層キャパシタとを積層して同一容器内に収納したハイブリッド電池が提案されている(特許文献2)。しかしながら、いずれの電池も、二次電池と電気二重層キャパシタとが別体であるため、さらなる小型化や薄型化をはかり、電池の高容量化を進めることは困難であった。   On the other hand, a capacitor using an electrochemical double layer is suitable for instantaneous charging / discharging, and therefore, an electronic component for hybrid power storage composed of a secondary battery and an electric double layer capacitor was devised (patent) Reference 1). A hybrid battery in which a metal-air battery and an electric double layer capacitor are stacked and accommodated in the same container has been proposed (Patent Document 2). However, in any of the batteries, since the secondary battery and the electric double layer capacitor are separate, it has been difficult to further reduce the size and thickness of the battery and increase the capacity of the battery.

特開2004−355823号公報JP 2004-355823 A 特開2013−077434号公報JP 2013-077744 A

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、金属空気電池と電気二重層キャパシタとが複合した新規な構造を有し、瞬間的な放電容量と高いエネルギー密度を有するキャパシタ空気電池を提供することを目的とする。また、上記キャパシタ空気電池を製造するための中間層原料組成物、上記原料組成物を含有する中間層を有する電極を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a capacitor air battery having a novel structure in which a metal air battery and an electric double layer capacitor are combined, and having an instantaneous discharge capacity and high energy density. With the goal. Moreover, it aims at providing the electrode which has an intermediate | middle layer raw material composition for manufacturing the said capacitor | condenser air battery, and the intermediate | middle layer containing the said raw material composition.

本発明者らは、カーボン系材料を含有する組成物を用いて金属負極に中間層を形成することによって、電池の充電時に電気二重層が形成され、電池の瞬間的な放電容量が増大することを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のものを提供する。   The present inventors form an electric double layer when charging a battery by forming an intermediate layer on a metal negative electrode using a composition containing a carbon-based material, and increase the instantaneous discharge capacity of the battery. As a result, the present invention has been completed. Specifically, the present invention provides the following.

本発明の第1の態様は、キャパシタ空気電池の電極に当接して被覆する中間層の原料組成物であって、カーボン系材料を含む粒状物を含有することを特徴とする。   A first aspect of the present invention is a raw material composition for an intermediate layer that contacts and covers an electrode of a capacitor air battery, and includes a granular material containing a carbon-based material.

本発明の第2の態様は、キャパシタ空気電池用負極であって、金属電極層が、本発明第1態様の原料組成物から構成された第1中間層と当接して被覆されたことを特徴とする。   A second aspect of the present invention is a negative electrode for a capacitor air battery, wherein the metal electrode layer is coated in contact with the first intermediate layer composed of the raw material composition of the first aspect of the present invention. And

本発明の第3の態様は、キャパシタ空気電池用負極であって、集電支持体を含有する触媒層が、本発明第1態様の原料組成物から構成された第2中間層と当接して被覆されたことを特徴とする。   A third aspect of the present invention is a negative electrode for a capacitor air battery, wherein a catalyst layer containing a current collecting support is in contact with a second intermediate layer composed of the raw material composition of the first aspect of the present invention. It is characterized by being coated.

本発明の第4の態様は、キャパシタ空気電池であって、空気極層、電解質層、および、本発明第3態様のキャパシタ空気電池用負極を含む負極層を有し、第1中間層が電解質層と接していることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is a capacitor air battery, which includes an air electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer including the negative electrode for a capacitor air battery according to the third aspect of the present invention, wherein the first intermediate layer is an electrolyte. It is characterized by being in contact with the layer.

本発明によれば、金属空気電池と電気二重層キャパシタとが複合した新規な構造を有し、瞬間的な放電容量と高いエネルギー密度を有する、キャパシタ空気電池を提供することが可能となる。また、上記キャパシタ空気電池を製造するための中間層原料組成物、および上記原料組成物を含有する中間層を有する電極を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a capacitor air battery having a novel structure in which a metal air battery and an electric double layer capacitor are combined, and having an instantaneous discharge capacity and a high energy density. Moreover, the intermediate | middle layer raw material composition for manufacturing the said capacitor air battery and the electrode which has an intermediate | middle layer containing the said raw material composition can be provided.

本発明のキャパシタ空気電池の一態様を示す図である。It is a figure which shows the one aspect | mode of the capacitor air battery of this invention. 本発明のキャパシタ空気電池の別の一態様を示す図である。It is a figure which shows another one aspect | mode of the capacitor air battery of this invention. 従来の金属空気電池の一態様を示す図である。It is a figure which shows the one aspect | mode of the conventional metal air battery. 実施例2の充放電試験後の負極の中間層表面のX線回折パターンを示す図である。4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a surface of an intermediate layer of a negative electrode after a charge / discharge test of Example 2. FIG. 実施例2の充放電試験後の空気極の中間層表面のX線回折パターンを示す図である。4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern on the surface of an intermediate layer of an air electrode after a charge / discharge test of Example 2. FIG.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施態様に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention. .

本発明の第1の態様である原料組成物は、キャパシタ空気電池の電極に当接して被覆する中間層を構成し、カーボン系材料を含む粒状物を含有することを特徴とする。   The raw material composition according to the first aspect of the present invention constitutes an intermediate layer that is in contact with and covers the electrode of the capacitor air battery, and contains a granular material containing a carbon-based material.

上記カーボン系材料は、それを含む粒状物を結着樹脂を介して互いに結合させることで、多孔性の層を形成できるものであれば、特に限定されずに使用できる。その形状は、様々な形状であることができる。たとえば、粒子状、棒状、繊維状、不定型等を挙げることができるが、これらに限定されない。   The carbon-based material can be used without any particular limitation as long as it can form a porous layer by bonding granular materials containing the carbon-based material to each other via a binder resin. The shape can be various shapes. For example, particle shape, rod shape, fiber shape, indeterminate shape, and the like can be mentioned, but not limited thereto.

上記カーボン系材料としては、炭素原子を主体とする物質、たとえば、カーボンブラック等のカーボン微粒子、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ等のカーボン繊維、グラファイト等の層状カーボン、グラフェン等のシート状カーボン、活性炭等が挙げることができる。上記カーボン系材料は、導電性のものも非導電性のものであっても構わない。   Examples of the carbon-based material include substances mainly composed of carbon atoms, such as carbon fine particles such as carbon black, carbon fibers such as carbon nanotubes and carbon fibers, layered carbon such as graphite, sheet-like carbon such as graphene, activated carbon, and the like. Can be mentioned. The carbon-based material may be conductive or non-conductive.

本発明の第1の態様である原料組成物に含まれる粒状物には、さらに、酸化物系材料を含有していてもよい。上記酸化物系材料として、種々のセラミックス、金属やケイ素等の酸化物が特に限定されることなく使用できる。たとえば、金属やケイ素の酸化物を使用することが好ましい。電池特性向上の観点からは、これらのうち、Al、ZrO、SiO、MnO、TiO、V、VO、Fe、WO等が好ましく、TiO、V、ZrO、Fe、WOがより好ましい。 The granular material contained in the raw material composition according to the first aspect of the present invention may further contain an oxide-based material. As the oxide material, various ceramics, oxides such as metal and silicon can be used without any particular limitation. For example, it is preferable to use metal or silicon oxide. Among these, Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , MnO 2 , TiO 2 , V 2 O 5 , VO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 and the like are preferable from the viewpoint of improving battery characteristics, TiO 2. , V 2 O 5 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WO 3 are more preferable.

特に、TiO、V、ZrO、Fe、WO等の酸化物材料は、負極金属由来のアルミニウムイオン等の多価イオンの結晶構造内への出入りが容易なため充放電しやすく、一種の負極材料としての働きも有する。そのため、その使用が好ましい。特に、TiOは、酸化還元を伴った電気化学反応が安定していることから、副生成物の蓄積を抑制するとともにイオンの充放電を起こすことができてより好ましい。 In particular, oxide materials such as TiO 2 , V 2 O 5 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WO 3 are filled because it is easy to enter and exit the crystal structure of multivalent ions such as aluminum ions derived from the negative electrode metal. It is easy to discharge and also functions as a kind of negative electrode material. Therefore, its use is preferred. In particular, TiO 2 is more preferable because the electrochemical reaction accompanied by oxidation / reduction is stable, so that accumulation of by-products can be suppressed and charge / discharge of ions can be caused.

上記カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物の平均粒子径は、0.02μm以上であることが好ましく、0.05μm以上であることがさらに好ましい。その平均粒子径は、望ましくは、0.5μm以上であり、10μm以上であることがさらに望ましい。また、500μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。その平均粒子径は、望ましくは、50μm以下であり、30μm以上であることがさらに望ましい。平均粒子径が0.02μm以上であれば、多孔性の中間層を形成した場合に、電解液と負極の接触を阻害せず、負極を形成する金属の溶出は可能となり好ましい。また、平均粒子径が500μm以下であれば、多孔性の中間層を形成した場合に、負極金属の充放電時の反応副産物の電極上への蓄積を防止できるとともに、電気二重層の形成面積が高くなり好ましい。   The average particle diameter of the granular material containing the carbon-based material and / or oxide-based material is preferably 0.02 μm or more, and more preferably 0.05 μm or more. The average particle diameter is desirably 0.5 μm or more, and more desirably 10 μm or more. Moreover, it is preferable that it is 500 micrometers or less, and it is more preferable that it is 100 micrometers or less. The average particle diameter is desirably 50 μm or less, and more desirably 30 μm or more. An average particle diameter of 0.02 μm or more is preferable because, when a porous intermediate layer is formed, the metal forming the negative electrode can be eluted without hindering the contact between the electrolyte and the negative electrode. Further, if the average particle diameter is 500 μm or less, when a porous intermediate layer is formed, it is possible to prevent accumulation of reaction by-products on the electrode during charging and discharging of the negative electrode metal, and the formation area of the electric double layer is reduced. It becomes high and is preferable.

なお、本発明における粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した、積算%の分布曲線から得られる50%粒子径(d50)である。 The particle diameter in the present invention is a 50% particle diameter (d 50 ) obtained from a cumulative distribution curve measured with a laser diffraction particle size distribution measuring device.

また、上記カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物のBET比表面積は、1m/g以上であることが好ましく、20m/g以上であることがさらに好ましい。そのBET比表面積は、望ましくは、100m/g以上であり、300m/g以上であることがさらに望ましい。また、3000m/g以下であることが好ましく、2000m/g以下であることがさらに好ましい。そのBET比表面積は、望ましくは、1000m/g以下であり、700m/g以上であることがさらに望ましい。上記BET比表面積が1m/g以上であれば、多孔性の中間層を形成した場合に、電解液と負極の接触を阻害せず、負極を形成する金属の溶出は可能となり好ましい。BET比表面積が3000m/g以下であれば、多孔性の中間層を形成した場合に、キャパシタ空気電池の充放電時の反応副産物の電極上への蓄積を防止できるとともに、電気二重層の形成面積が高くなり好ましい。 Moreover, it is preferable that the BET specific surface area of the granular material containing the carbon-based material and / or the oxide-based material is 1 m 2 / g or more, and more preferably 20 m 2 / g or more. The BET specific surface area is desirably 100 m 2 / g or more, and more desirably 300 m 2 / g or more. Further, it is preferably 3000 m 2 / g or less, and more preferably not more than 2000 m 2 / g. The BET specific surface area is desirably 1000 m 2 / g or less, and more desirably 700 m 2 / g or more. When the BET specific surface area is 1 m 2 / g or more, when a porous intermediate layer is formed, the contact between the electrolytic solution and the negative electrode is not hindered, and the metal forming the negative electrode can be eluted, which is preferable. When the BET specific surface area is 3000 m 2 / g or less, when a porous intermediate layer is formed, it is possible to prevent accumulation of reaction by-products on the electrode during charge / discharge of the capacitor air battery, and formation of an electric double layer The area increases, which is preferable.

上記カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と混合する結着樹脂は、酸化物系材料またはカーボン系材料同士を結合させることができれば、種々の熱硬化性または熱可塑性樹脂のなかから広く選択することができる。熱硬化性樹脂としては、たとえば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、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)等のフッ素系樹脂、エチルセルロース等のセルロース、ポリアミド樹脂等を挙げることができる。   The binder resin mixed with the carbon material and / or the granular material containing the oxide material may be any of various thermosetting or thermoplastic resins as long as the oxide material or the carbon material can be bonded to each other. You can choose from a wide range. Examples of the thermosetting resin include phenol resins and epoxy resins, and examples of the thermoplastic resin include olefin resins such as polyethylene and polypropylene, and fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). And cellulose such as ethyl cellulose, polyamide resin and the like.

本発明の第1の態様である原料組成物は、上記のカーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と、上記結着樹脂とを、公知の方法により、乾式で混合して製造してもよいし、あるいは、溶剤とともに湿式で混合して製造してもよい。   The raw material composition according to the first aspect of the present invention is produced by mixing the above-mentioned carbon-based material and / or oxide-based material and the above-mentioned binder resin in a dry manner by a known method. Alternatively, it may be produced by wet mixing with a solvent.

本発明の原料組成物を湿式で製造する場合に使用できる溶剤としては、公知の溶剤が、特に制限されることなく使用可能である。上記溶剤は、上記結着樹脂を溶解できるものであることが好ましく、少なくとも使用時に、撹拌手段等を用いて酸化物系材料および/またはカーボン系材料を分散して、スラリー状にできるものが好ましい。たとえば、水、アルコール等の水系溶媒、酢酸ブチル等のエステル系溶媒、ピロリドン系溶媒等を挙げることができる。   As a solvent that can be used when the raw material composition of the present invention is produced by a wet method, a known solvent can be used without any particular limitation. The solvent is preferably a solvent capable of dissolving the binder resin, and at least when used, a solvent capable of dispersing the oxide-based material and / or the carbon-based material by using a stirring means or the like is preferable. . For example, an aqueous solvent such as water and alcohol, an ester solvent such as butyl acetate, a pyrrolidone solvent, and the like can be given.

カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物に対する結着樹脂の重量比は、1/1以上4/1以下とすることが好ましい。1/1以上であれば、多孔性の中間層の孔の中に電解液の透過性が高くなり好ましく、4/1以下であれば、中間層の強度が十分に高くなって、機械的な外力にも耐えることができるために好ましい。   The weight ratio of the binder resin to the particulate matter containing the carbon-based material and / or the oxide-based material is preferably 1/1 or more and 4/1 or less. If it is 1/1 or more, the permeability of the electrolyte in the pores of the porous intermediate layer is high, and if it is 4/1 or less, the strength of the intermediate layer is sufficiently high, It is preferable because it can withstand external force.

[キャパシタ空気電池用負極]
本発明の第2の態様のキャパシタ空気電池用負極は、金属電極層が中間層と当接して被覆されたキャパシタ空気電池用負極であって、上記中間層が本発明の第1の態様の組成物から構成されることを特徴とする。
[Negative electrode for capacitor air battery]
The negative electrode for a capacitor air battery according to the second aspect of the present invention is a negative electrode for a capacitor air battery in which a metal electrode layer is coated in contact with the intermediate layer, and the intermediate layer is a composition according to the first aspect of the present invention. It is composed of objects.

負極の金属電極層には、酸化反応により金属イオンと電子を生成して活物質として働く、通常の金属空気電池に使用される物質であれば何れも用いることできる。このような物質として、たとえば、アルミニウム、鉄、マグネシウム、亜鉛、ナトリウム、カルシウム、リチウム等を挙げることができる。さらに、これらの金属に他の金属元素を加えた合金も使用することができる。たとえば、アルミニウム合金、あるいはマグネシウム合金を挙げることができ、アルミニウム合金としては、アルミニウムにLi、Mg、Sn、Zn、In、Mn、Ga、Bi、Fe等をそれぞれ単独でまたは2種以上合金化させたアルミニウム合金を挙げることができる。なかでも、Al−Li、Al−Mg、Al−Sn、Al−Zn等のアルミニウム合金は、高い電池電圧を与えるので、特に好ましい。   Any metal electrode layer can be used as long as it is a material used in a normal metal-air battery, which generates metal ions and electrons by an oxidation reaction and works as an active material. Examples of such a substance include aluminum, iron, magnesium, zinc, sodium, calcium, and lithium. Furthermore, alloys obtained by adding other metal elements to these metals can also be used. For example, an aluminum alloy or a magnesium alloy can be mentioned. As the aluminum alloy, Li, Mg, Sn, Zn, In, Mn, Ga, Bi, Fe, etc. can be alloyed alone or in combination of two or more. Aluminum alloys can be mentioned. Among these, aluminum alloys such as Al—Li, Al—Mg, Al—Sn, and Al—Zn are particularly preferable because they give a high battery voltage.

金属電極層を中間層で被覆するには、
1)上記カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂を溶剤に溶かした組成物を金属電極層に塗布乾燥する、
2)予めカーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂を混合した組成物を金属電極層とともに加熱して、あるいは加熱せずに圧力を印加して成形する、
3)カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂とを混合した組成物を型内に導入し、加熱して、あるいは加熱をおこなわずに圧力を印加してペレット様の層状物に成形し、前記層状物を金属電極層と重ねる、
4)カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂とを混合した組成物を金属電極層と接触した状態で加熱して、あるいは加熱せずに圧力を印加して層状物に成形する、
といった方法のなかから、適宜選択することができる。
To coat the metal electrode layer with an intermediate layer,
1) Applying and drying a composition containing a granular material containing the carbon-based material and / or oxide-based material and a binder resin in a solvent on a metal electrode layer;
2) A composition in which a granular material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin are mixed together is heated together with the metal electrode layer or molded by applying pressure without heating.
3) Pellets are formed by introducing a composition in which a particulate material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin are mixed into a mold and heating or applying pressure without heating. Formed into a layered product, and the layered product is overlaid on the metal electrode layer,
4) A composition obtained by mixing a particulate material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin is heated in contact with the metal electrode layer, or a layer is formed by applying pressure without heating. Molding into objects,
From these methods, it can be selected as appropriate.

電気二重層キャパシタの静電容量は電極の表面積と比例的な関係にあるため、特に、比表面積の大きな多孔質層を電極に設けることにより、静電容量の高い電気二重層キャパシタとして働くことを可能とすることができる。   Since the capacitance of an electric double layer capacitor is proportional to the surface area of the electrode, it can function as an electric double layer capacitor with a high capacitance, especially by providing a porous layer with a large specific surface area on the electrode. Can be possible.

さらに、多孔性の中間層は、充放電の際に生じる、負極を構成する金属や電解液中の金属イオンに由来する金属酸化物、金属水酸化物等の副生成物をその孔中に蓄積して、電解液と接する金属電極層表面上へのこれらの蓄積を抑制するために、キャパシタ空気電池の長期にわたる充放電を可能とする。したがって、電解液中のイオンとの相互作用可能な面積と副生成物の蓄積可能量を最適化して、多孔性層の厚みを適宜設定することが好ましい。   Furthermore, the porous intermediate layer accumulates in the pores by-products such as metal oxides and metal hydroxides derived from the metal constituting the negative electrode and metal ions in the electrolyte, which are generated during charging and discharging. Thus, in order to suppress the accumulation of these on the surface of the metal electrode layer in contact with the electrolytic solution, the capacitor air battery can be charged and discharged over a long period of time. Therefore, it is preferable to set the thickness of the porous layer appropriately by optimizing the area where the ions in the electrolyte can interact and the amount of by-products that can be accumulated.

[キャパシタ空気電池用空気極]
本発明の第3の態様のキャパシタ空気電池用空気極は、集電支持体を含有する触媒層が多孔性層と当接して被覆されたキャパシタ空気電池用空気極であって、上記多孔性層が本発明の第1の態様から構成されることを特徴とする。
[Air electrode for capacitor air battery]
The air electrode for a capacitor air battery according to a third aspect of the present invention is an air electrode for a capacitor air battery in which a catalyst layer containing a current collecting support is coated in contact with the porous layer, the porous layer Is constituted by the first aspect of the present invention.

本発明の空気極は、空気中から酸素を吸収しこれを水酸化物イオンに変換する役目をする触媒層が多孔性層と当接して被覆されたていればよい。上記触媒層には、空気極触媒材料が含有される。空気極触媒材料としては、負極で生成した電子を受け取り、酸素を還元する物質であれば、種々の触媒を制限なく用いることができる。La(1−x)MnO(0.05<x<0.95;A=Ca,Sr,Ba)で表されるランタンマンガナイト等のペロブスカイト型複合酸化物、Mn、Mn等のマンガン低級酸化物、あるいは活性炭、カーボン、カーボンナノチューブ等の炭素系材料は、酸素還元能と導電性を兼ね備えており好ましい。 The air electrode of the present invention is only required to be coated with a catalyst layer that serves to absorb oxygen from the air and convert it into hydroxide ions in contact with the porous layer. The catalyst layer contains an air electrode catalyst material. As the air electrode catalyst material, various catalysts can be used without limitation as long as they are substances that receive electrons generated at the negative electrode and reduce oxygen. Perovskite complex oxides such as lanthanum manganite represented by La (1-x) A x MnO 3 (0.05 <x <0.95; A = Ca, Sr, Ba), Mn 2 O 3 , Mn Manganese lower oxides such as 3 O 4 or carbon-based materials such as activated carbon, carbon, and carbon nanotubes are preferred because they have both oxygen reducing ability and conductivity.

上記触媒層は、その内部に集電支持体を含有する。集電支持体は触媒層の中央にあってもよいし、触媒層の片面に層状に存在してもよい。集電支持体が触媒層の片面に存在する場合は、正極集電体は、通常、電解質層と反対側の空気との接触部側に配置され得るが、正極層と多孔性層との間に配置しても構わない。 The catalyst layer contains a current collecting support inside. The current collecting support may be in the center of the catalyst layer, or may be present in layers on one side of the catalyst layer. When the current collector support is present on one side of the catalyst layer, the positive electrode current collector can usually be disposed on the contact portion side of the air opposite to the electrolyte layer, but between the positive electrode layer and the porous layer. You may arrange in.

正極集電体としては、カーボンペーパー、金属メッシュ等の多孔質構造、網目状構造、繊維、不織布等、従来から集電体として用いられる形態の材料を、特に限定されず用いることができる。たとえば、SUS、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン等から形成した金属メッシュを用いることができる。その他の正極集電体として、酸素供給孔を有する金属箔を用いることもできる。   As the positive electrode current collector, materials in a form conventionally used as a current collector, such as a porous structure such as carbon paper and a metal mesh, a network structure, a fiber, and a nonwoven fabric, can be used without particular limitation. For example, a metal mesh formed from SUS, nickel, aluminum, iron, titanium or the like can be used. As another positive electrode current collector, a metal foil having an oxygen supply hole can also be used.

上記触媒層は、さらに、集電を目的としない支持体を含有していてもよい。たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、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)等のフッ素系樹脂、ポリアミド樹脂等を挙げることができる。   The catalyst layer may further contain a support not intended for current collection. Examples thereof include olefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyamide resins.

触媒層を中間層で被覆するには、
1)上記カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂を溶剤に溶かした組成物を触媒層に塗布乾燥する、
2)予めカーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂を混合した組成物を触媒層とともに加熱して、あるいは加熱せずに圧力を印加して成形する、
3)カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂とを混合した組成物を型内に導入し、加熱して、あるいは加熱をおこなわずに圧力を印加してペレット様の層状物に成形し、前記層状物を触媒層と重ねる、
4)カーボン系材料および/または酸化物系材料を含む粒状物と結着樹脂とを混合した組成物を触媒層と接触した状態で加熱して、あるいは加熱せずに圧力を印加して層状物に成形する、
といった方法のなかから、適宜選択することができる。
To coat the catalyst layer with an intermediate layer,
1) A composition obtained by dissolving the above carbon-based material and / or oxide-based material and a binder resin in a solvent is applied to a catalyst layer and dried.
2) A composition obtained by mixing a granular material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin in advance is heated together with the catalyst layer, or is formed by applying pressure without heating.
3) Pellets are formed by introducing a composition in which a particulate material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin are mixed into a mold and heating or applying pressure without heating. To form a layered product, and layer the layered product on the catalyst layer.
4) A layered product obtained by heating a composition in which a granular material containing a carbon-based material and / or an oxide-based material and a binder resin are mixed in contact with the catalyst layer or by applying pressure without heating. To mold,
From these methods, it can be selected as appropriate.

本発明において中間層は、多孔性であることが好ましい。電極表面積が増大して、電気二重層を形成する面積が高くなるためである。同時に、中間層は、充放電の際に生じる、負極を構成する金属や電解液中の金属イオンに由来する金属酸化物、金属水酸化物等の副生成物をその孔中に蓄積して、電解液と接する金属電極層表面上へのこれらの蓄積を抑制するために、キャパシタ空気電池の長期にわたる充放電を可能ならしめる働きを有すると考えられる。さらに、通常の金属空気電池の欠点である、負極に生じたデンドライトが空気極に到達して短絡することや、空気極からの電解液の蒸発を、効果的に防止する。そのために、適切な厚みを設定することが好ましい。   In the present invention, the intermediate layer is preferably porous. This is because the surface area of the electric double layer is increased by increasing the electrode surface area. At the same time, the intermediate layer accumulates in the pores byproducts such as metal oxides, metal hydroxides, etc. derived from the metal ions constituting the negative electrode and metal ions generated during charging and discharging, In order to suppress these accumulations on the surface of the metal electrode layer in contact with the electrolytic solution, it is considered that the capacitor air battery has a function of enabling long-term charge / discharge. Furthermore, it is possible to effectively prevent the dendrite generated in the negative electrode from reaching the air electrode and short-circuiting, and the evaporation of the electrolytic solution from the air electrode, which are disadvantages of a normal metal-air battery. Therefore, it is preferable to set an appropriate thickness.

[キャパシタ空気電池]
本発明の第4の態様のキャパシタ空気電池は、空気極層、負極層、および電解質層を有し、上記負極層が本発明の第2の態様のキャパシタ空気電池用負極を含み、上記キャパシタ空気電池用負極の中間層が上記電解質層と接していることを特徴とする。さらに、上記の空気極層が、本発明の第3の態様のキャパシタ空気電池用空気極を含み、上記空気極多孔性層が電解質層と接していてもよい。以下に、図を用いて、上記キャパシタ空気電池についてさらに詳細に説明する。
[Capacitor air battery]
A capacitor air battery according to a fourth aspect of the present invention has an air electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer, and the negative electrode layer includes the negative electrode for a capacitor air battery according to the second aspect of the present invention. The intermediate layer of the negative electrode for a battery is in contact with the electrolyte layer. Furthermore, the air electrode layer may include the air electrode for a capacitor air battery according to the third aspect of the present invention, and the air electrode porous layer may be in contact with the electrolyte layer. Hereinafter, the capacitor air battery will be described in more detail with reference to the drawings.

本発明のキャパシタ空気電池は、少なくとも、空気極層と負極層が電解質層を挟み込む構造を基本とし、負極層に含まれる本発明の第2の態様のキャパシタ空気電池用負極2が、中間層3が設けられた面で電解質層4と接するように配置される(図1)。少なくとも負極層に、中間層3が設けられることによって、中間層3の電解質液と接する面に、電解質液中の電解質の荷電粒子の移動に基づいて電気二重層が形成されて、従来の電気二重層キャパシタと同様にして蓄電される。上記キャパシタ空気電池は、空気極層に含まれる本発明の第3の態様のキャパシタ空気電池用空気極1を、中間層3が設けられた面で電解質層4と接するように設けられてもよい(図2)。2つの中間層を有することにより、より高い瞬間的な放電容量とエネルギー密度を達成できる。   The capacitor air battery of the present invention basically has a structure in which at least the air electrode layer and the negative electrode layer sandwich the electrolyte layer, and the negative electrode 2 for a capacitor air battery according to the second aspect of the present invention contained in the negative electrode layer is an intermediate layer 3. It arrange | positions so that the electrolyte layer 4 may be contact | connected in the surface provided with (FIG. 1). By providing the intermediate layer 3 at least on the negative electrode layer, an electric double layer is formed on the surface of the intermediate layer 3 in contact with the electrolyte solution based on the movement of the charged particles of the electrolyte in the electrolyte solution. Electricity is stored in the same manner as the multilayer capacitor. In the capacitor air battery, the capacitor air battery air electrode 1 of the third aspect of the present invention contained in the air electrode layer may be provided in contact with the electrolyte layer 4 on the surface on which the intermediate layer 3 is provided. (FIG. 2). By having two intermediate layers, a higher instantaneous discharge capacity and energy density can be achieved.

これに対し、従来の金属空気電池は電極層に中間層3を有していないため(図3)、電気二重層の形成を利用して蓄電することができず、瞬間的な放電容量の向上を達成できない。   On the other hand, since the conventional metal-air battery does not have the intermediate layer 3 in the electrode layer (FIG. 3), it can not be stored using the formation of the electric double layer, and the instantaneous discharge capacity is improved. Cannot be achieved.

本発明のキャパシタ空気電池に用いられる電解質層は、主に、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する電解液から構成される。電解液の種類は、負極金属層を構成する金属の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液(電解質水溶液)であってもよく、プロピレンカーボネート(PC)等の有機溶媒を用いた電解液(有機電解液)であってもよい。また、これにポリマー、保湿ポリマー、水ガラス等を添加することも可能である。   The electrolyte layer used in the capacitor air battery of the present invention is mainly composed of an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a solvent and has ionic conductivity. The type of the electrolytic solution varies depending on the type of metal constituting the negative electrode metal layer, but may be an electrolytic solution (aqueous electrolyte solution) using a water solvent, or an electrolytic solution using an organic solvent such as propylene carbonate (PC). (Organic electrolyte) may be sufficient. Moreover, it is also possible to add a polymer, a moisturizing polymer, water glass, etc. to this.

電解液には、たとえば、負極金属に、亜鉛、アルミニウム、鉄、マグネシウム等を用いる場合、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性水溶液、あるいは塩化ナトリウム水溶液等の中性付近の電解液を用いることができる。また、リチウム、ナトリウム、カルシウム等の場合、電解液に、第4級アンモニウム塩等を溶解した有機電解液を用いることができる。また、海水、イオン液体等の電解液も用いてもよい。   For example, when zinc, aluminum, iron, magnesium, or the like is used as the negative electrode metal, an alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution, or a neutral electrolytic solution such as an aqueous sodium chloride solution is used. Can be used. In the case of lithium, sodium, calcium, etc., an organic electrolytic solution in which a quaternary ammonium salt or the like is dissolved in the electrolytic solution can be used. Moreover, you may use electrolyte solution, such as seawater and an ionic liquid.

電解液に加えることのできるポリマーとしては、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。   Examples of polymers that can be added to the electrolyte include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, and cellulose.

本発明のキャパシタ空気電池に、蒸発等により減少した電解液や水を新たに補充してもよい。電解液等を補充することにより、何度でも容量の低下を回復させ得ることが、通常の空気電池とは異なる本キャパシタ空気電池の特徴である。蒸発に伴う電解液の補充は、電解液中の電解質濃度に影響を与えるので、水等の溶媒を補充することが好ましい。また、本発明のキャパシタ空気電池は、電解液中の溶質濃度が高まることにより電解質が析出した場合においても、随時析出した結晶を取り除くことにより初期と変わらず電池を使用し続けることができる。また、補充する電解液に海水等を使用した場合には、電解液等の補充にかかるコストを抑えることが可能となる。   The capacitor air battery of the present invention may be newly supplemented with an electrolyte solution or water that has decreased due to evaporation or the like. The feature of this capacitor air battery, which is different from ordinary air batteries, is that the decrease in capacity can be recovered any number of times by replenishing the electrolyte or the like. Since the replenishment of the electrolytic solution accompanying evaporation affects the electrolyte concentration in the electrolytic solution, it is preferable to replenish a solvent such as water. Moreover, the capacitor air battery of the present invention can continue to use the battery as in the initial state by removing the precipitated crystals at any time even when the electrolyte is precipitated by increasing the solute concentration in the electrolytic solution. Further, when seawater or the like is used as the electrolyte to be replenished, it is possible to reduce the cost for replenishing the electrolyte or the like.

本発明の電解質層は、さらに、セパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、特に限定されないが、たとえば、ポリプロピレン製不織布、ポリフェニレンスルフィド製不織布等の高分子不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂等の微多孔フィルム、これらの織布またはこれらの組み合わせを用いることができる。   The electrolyte layer of the present invention may further include a separator. Although it does not specifically limit as a separator, For example, polymer nonwoven fabrics, such as a nonwoven fabric made from a polypropylene, a nonwoven fabric made from polyphenylene sulfide, microporous films, such as olefin resin, such as polyethylene and a polypropylene, these woven fabrics, or these combinations are used. Can do.

本発明に係るキャパシタ空気電池は、通常、空気極、負極、電解質層を収納する電池ケースを有する。電池ケースの形状は特に限定されないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等の二次電池に適用される所望の形状をとることができる。電池ケースは、大気開放型であっても、密閉型であってもよい。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極が十分に大気と接触可能な構造を有する。一方、密閉型の電池ケースは、正極活物質である酸素(空気)の導入管および排気管を設けることができる。また、電池ケースに、電解液等の補充を行うための注入孔等の構造を設けてもよい。   The capacitor air battery according to the present invention usually has a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer. The shape of the battery case is not particularly limited, but specifically, a desired shape applied to a secondary battery such as a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, or a laminate type can be taken. The battery case may be an open air type or a sealed type. The battery case that is open to the atmosphere has a structure in which at least the air electrode can sufficiently come into contact with the atmosphere. On the other hand, a sealed battery case can be provided with an introduction pipe and an exhaust pipe for oxygen (air), which is a positive electrode active material. Moreover, you may provide structures, such as an injection hole for replenishing electrolyte solution etc., in a battery case.

本発明のキャパシタ空気電池の製造方法について説明する。本発明の空気電池の製造方法は、上述した空気電池を得ることができる方法であれば、特に限定されるものではなく、従来の金属空気電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。   The manufacturing method of the capacitor air battery of this invention is demonstrated. The method for producing an air battery of the present invention is not particularly limited as long as the above-described air battery can be obtained, and the same method as the conventional method for producing a metal-air battery can be used.

たとえば、コインセル型の電池を製造する場合は、不活性ガス雰囲気下において、まず、負極層および多孔性層を有する負極を、多孔性層が内側となるように電池ケースに配置し、次に、その負極層上にセパレータを配置し、次に、そのセパレータ上から、電解液を注液し、次に、空気極層および空気極集電体を有する空気極を、多孔性層をセパレータ側に向けて配置し、次に、空気極側電池ケースに配置し、これらを最後にかしめる方法等を挙げることができるが、これに限定されない。   For example, when manufacturing a coin cell type battery, under an inert gas atmosphere, first, a negative electrode having a negative electrode layer and a porous layer is placed in a battery case so that the porous layer is inside, then, A separator is disposed on the negative electrode layer, and then an electrolytic solution is injected from above the separator. Next, an air electrode having an air electrode layer and an air electrode current collector is disposed, and a porous layer is disposed on the separator side. Examples of the method may include, but are not limited to, a method in which the battery is disposed in the air electrode side and then placed in the air electrode side battery case, and these are caulked last.

本発明のキャパシタ空気電池は、通常の二次電池や電気二重層キャパシタが使用できる機器への適用が可能である。たとえば、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品等が挙げられる。そのほか、パソコンや携帯端末等のメモリのバックアップ電源、パソコン等の瞬時停電対策用電源等の用途はもちろんのこと、電気自動車またはハイブリッド自動車、太陽電池と併用したソーラー発電エネルギー貯蔵システム等の用途まで種々の産業分野において様々な用途に好適に用いることができる。   The capacitor air battery of the present invention can be applied to a device in which a normal secondary battery or an electric double layer capacitor can be used. For example, a mobile phone, a mobile device, a robot, a personal computer, an in-vehicle device, various home electric products, and the like can be given. In addition to applications such as memory backup power supplies for personal computers and portable terminals, power supplies for measures against instantaneous power outages such as personal computers, various applications such as electric power generation or hybrid vehicles, solar power generation energy storage systems used in combination with solar cells, etc. It can be suitably used for various applications in the industrial field.

本発明のキャパシタ空気電池は、その特徴を生かして、高いピーク電力を非常に短い時間だけ必要とし、通常は非常に低い電力出力を保つか、あるいは、停止状態となる電気機器への適用に適している。たとえば、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動スクーター、建設機械等には、定速走行時には、安定した電力を長時間供給される必要がある一方、加速時には、短時間に高いピーク電力が供給されなければならない。このような、電気機器に適用する場合に、本発明のキャパシタ空気電池は特に有効である。   The capacitor air battery of the present invention takes advantage of its characteristics and requires a high peak power for a very short time, and is usually suitable for application to an electric device that keeps a very low power output or is in a stopped state. ing. For example, electric vehicles, hybrid vehicles, electric scooters, construction machines, etc. need to be supplied with stable power for a long time when traveling at a constant speed, while high peak power must be supplied in a short time during acceleration. Don't be. The capacitor air battery of the present invention is particularly effective when applied to such an electrical device.

また、本発明のキャパシタ空気電池は、蒸発した電解液に、たとえば、海水や水を補充することにより、電池容量を回復させることができるため、海洋周辺における発電設備、電源設備等への利用に特に適している。   Further, the capacitor air battery of the present invention can recover the battery capacity by, for example, supplementing the evaporated electrolyte with seawater or water, so that it can be used for power generation facilities, power supply facilities, etc. Especially suitable.

次に、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

<実施例1>
(負極の製造)
粒径6μm、BET比表面積1600〜2400m/gの活性炭粒子、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、および溶剤としてN−メチルピロリドンを重量比で、1:1:8で混合してインク化した。
つづいて、製造したインクを、厚さ1mmの市販の金属アルミニウムに、ドクターブレード法を用いて塗布した。塗布後130℃、1hの焼成を行って多孔性層を設け、25mm×35mmに切り出して負極を製造した。
<Example 1>
(Manufacture of negative electrode)
Activated carbon particles having a particle diameter of 6 μm, a BET specific surface area of 1600 to 2400 m 2 / g, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent were mixed at a weight ratio of 1: 1: 8 to form an ink. .
Subsequently, the manufactured ink was applied to a commercially available metal aluminum having a thickness of 1 mm using a doctor blade method. After the coating, firing was performed at 130 ° C. for 1 hour to provide a porous layer, which was cut into 25 mm × 35 mm to produce a negative electrode.

(空気極の製造)
市販の酸化マンガンと活性炭とポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを重量比4:4:2で秤量し、エタノールを溶媒として十分に混合した後、テフロン(登録商標)樹脂製のシートに集電体となるニッケルメッシュとともに塗布し、120℃、1hで乾燥した後、φ15mmに加工し、空気極とした。
(電池の製造)
上記で製造した負極を、多孔性層側を上にして、内径25mm、長さ15mmのフッ素樹脂金型の片側にはめ込み、負極を筒底としてフッ素樹脂金型に、電解液として2mol/LのNaOH水溶液が染み込んだガーゼを介して、気泡が入らないように上記で製造した空気極で密栓して、図1の構成を有するキャパシタ空気電池を製造した。
(Manufacture of air electrode)
Commercially available manganese oxide, activated carbon, and polyvinylidene fluoride (PVDF) were weighed in a weight ratio of 4: 4: 2, mixed thoroughly using ethanol as a solvent, and then a current collector was placed on a sheet made of Teflon (registered trademark) resin. After coating with a nickel mesh and drying at 120 ° C. for 1 h, it was processed to φ15 mm to form an air electrode.
(Manufacture of batteries)
The negative electrode produced above was fitted into one side of a fluororesin mold having an inner diameter of 25 mm and a length of 15 mm with the porous layer side up, and the negative electrode was used as the bottom of the cylinder to the fluororesin mold and 2 mol / L as the electrolyte. A capacitor air battery having the configuration of FIG. 1 was manufactured by sealing with the air electrode manufactured above so that air bubbles would not enter through gauze soaked with an aqueous NaOH solution.

<実施例2>
(活性炭ペレットの製造)
活性炭とPVDFを8:2の比で混合して20MPaの圧力でプレスし、多孔性のペレットを作成した。
電池製造時に電解液の染み込んだガーゼを介して、上記で製造したペレットと空気極で密栓してしたほかは、実施例1と同様にして、図2の構成を有するキャパシタ空気電池を製造した。
<Example 2>
(Manufacture of activated carbon pellets)
Activated carbon and PVDF were mixed at a ratio of 8: 2 and pressed at a pressure of 20 MPa to prepare porous pellets.
A capacitor air battery having the configuration shown in FIG. 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the pellet produced above was sealed with an air electrode through a gauze soaked with an electrolyte during the production of the battery.

<比較例>
負極として、中間層を形成していない金属アルミニウムを使用したほかは、実施例1と同様にして、図3のアルミニウム空気電池を製造した。
<Comparative example>
The aluminum-air battery of FIG. 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that metal aluminum without an intermediate layer was used as the negative electrode.

[電池評価1]
実施例1,2のキャパシタ空気電池と、比較例で得られたアルミニウム空気電池の充放電特性を定法に従い測定した。充放電サイクル中、毎回、電解液の補充を行った。1、10および20回目に測定した電池の容量と電流密度を、それぞれ表1に示した。
[電池評価2]
充放電特性評価後の実施例2のキャパシタ空気電池から、負極および正極側の中間層をそれぞれ取出し、その表面のX線回折パターンを評価して図4および図5に示した。図4は、実施例2の負極に設けられた電界層に面する中間層表面のX線回折パターンであり、図5は、同実施例2の空気極に設けられた中間層表面のX線回折パターンである。
[Battery evaluation 1]
The charge / discharge characteristics of the capacitor air batteries of Examples 1 and 2 and the aluminum air battery obtained in the comparative example were measured according to a conventional method. The electrolyte solution was replenished every time during the charge / discharge cycle. The capacity and current density of the batteries measured at the first, tenth and twentieth times are shown in Table 1, respectively.
[Battery evaluation 2]
The intermediate layer on the negative electrode side and the positive electrode side was taken out from the capacitor air battery of Example 2 after the charge / discharge characteristic evaluation, and the X-ray diffraction pattern of the surface was evaluated and shown in FIGS. 4 is an X-ray diffraction pattern of the surface of the intermediate layer facing the electric field layer provided on the negative electrode of Example 2, and FIG. 5 is an X-ray of the surface of the intermediate layer provided on the air electrode of Example 2. It is a diffraction pattern.



Figure 2016091809
Figure 2016091809

実施例1と比較例の結果とを比較すると、負極上に中間層を設けることにより、電池容量のサイクル特性が向上するとともに、電流密度が上昇することが分かる。この結果は、充放電に伴う副生成物が、多孔性の中間層により負極と遮断され、電極に直接副生成物が析出する代わりに中間層に析出することにより、繰り返し充放電を行った場合の電池容量の維持が可能となるとともに、電気二重層の生成による電流密度の向上が生じていることを示唆する。また、実施例2の結果から、さらなる空気極への中間層の設置が、この傾向を増大させることが確認された。   Comparing the results of Example 1 and the comparative example, it can be seen that providing the intermediate layer on the negative electrode improves the battery capacity cycle characteristics and increases the current density. This result shows that by-products associated with charging / discharging are blocked from the negative electrode by the porous intermediate layer, and the by-products are deposited on the intermediate layer instead of depositing directly on the electrode, so that repeated charging / discharging is performed. This suggests that the battery capacity can be maintained and the current density is improved by the generation of the electric double layer. Moreover, from the result of Example 2, it was confirmed that the installation of the intermediate layer on the air electrode further increases this tendency.

電極に中間層を設けた、実施例1,2キャパシタ空気電池の電流密度は、中間層を設けていない通常の金属空気電池に比べて、3〜10倍の電流密度を達成できる。このような、電流密度の増大は、充電時に、中間層に電気二重層が形成することを示唆するものである。   The current density of the first and second capacitor air batteries in which the intermediate layer is provided on the electrode can achieve a current density of 3 to 10 times that of a normal metal air battery in which no intermediate layer is provided. Such an increase in current density suggests that an electric double layer is formed in the intermediate layer during charging.

図4の充放電試験後の実施例2の負極に設けられた電界層に面する中間層の表面のX線回折パターンから、アルミニウム負極由来の副生成物であるAl(OH)が生成していることが確認された。さらに、図5から、空気極の多孔性層の表面には、アルミニウム負極由来のAlに加えて電解液中のNaOHに由来するNaOが析出していることを確認した。これらの結果から、充放電に伴う副生成物が、多孔性層により負極と遮断され、電極に直接副生成物が析出する代わりに中間層に析出することにより、充放電特性の向上と維持を可能としていることが示唆される。 From the X-ray diffraction pattern of the surface of the intermediate layer facing the electric field layer provided on the negative electrode of Example 2 after the charge / discharge test of FIG. 4, Al (OH) 3 as a byproduct derived from the aluminum negative electrode was generated. It was confirmed that Furthermore, from FIG. 5, it was confirmed that Na 2 O derived from NaOH in the electrolytic solution was deposited on the surface of the porous layer of the air electrode in addition to Al 2 O 3 derived from the aluminum negative electrode. From these results, by-products associated with charge / discharge are blocked from the negative electrode by the porous layer, and instead of depositing by-products directly on the electrode, they are deposited in the intermediate layer, thereby improving and maintaining the charge / discharge characteristics. It is suggested that it is possible.

1 空気極
2 負極
3 中間層
4 電解質層
1 Air electrode 2 Negative electrode 3 Intermediate layer 4 Electrolyte layer

Claims (8)

カーボン系材料を含む粒状物を含有する、キャパシタ空気電池の電極に当接して被覆する中間層の原料組成物。   A raw material composition for an intermediate layer, which contains a granular material containing a carbon-based material and is in contact with and coats an electrode of a capacitor air battery. 前記粒状物が、平均粒子径0.02μm以上500μm以下の粒子である請求項1に記載された原料組成物。   The raw material composition according to claim 1, wherein the granular material is a particle having an average particle diameter of 0.02 μm to 500 μm. 前記粒状物が、BET比表面積1m/g以上3000m/g以下である請求項1または2に記載された原料組成物。 The raw material composition according to claim 1, wherein the granular material has a BET specific surface area of 1 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less. 前記粒状物が酸化物系材料をさらに含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載された原料組成物。   The raw material composition as described in any one of Claims 1-3 in which the said granular material further contains an oxide type material. 金属電極層が、請求項1〜4のいずれか一項に記載された原料組成物から構成された第1中間層と当接して被覆されたキャパシタ空気電池用負極。   A negative electrode for a capacitor air battery, wherein the metal electrode layer is in contact with and covered with the first intermediate layer made of the raw material composition according to any one of claims 1 to 4. 集電支持体を含有する触媒層が、請求項1〜4のいずれか一項に記載された組成物から構成される第2中間層と当接して被覆されたキャパシタ空気電池用空気極。   An air electrode for a capacitor air cell, in which a catalyst layer containing a current collecting support is coated in contact with a second intermediate layer composed of the composition described in any one of claims 1 to 4. 空気極層、電解質層、および、請求項5に記載されたキャパシタ空気電池用負極を含む負極層を有し、前記第1中間層が前記電解質層と接しているキャパシタ空気電池。   A capacitor air battery comprising: an air electrode layer; an electrolyte layer; and a negative electrode layer including the negative electrode for a capacitor air battery according to claim 5, wherein the first intermediate layer is in contact with the electrolyte layer. 前記空気極層が、請求項6に記載されたキャパシタ空気電池用空気極を含み、前記第2中間層が前記電解質層と接している請求項7に記載されたキャパシタ空気電池。   The capacitor air battery according to claim 7, wherein the air electrode layer includes an air electrode for a capacitor air battery according to claim 6, and the second intermediate layer is in contact with the electrolyte layer.
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