JP2016201199A - Secondary battery using hydroxide ion conductivity ceramics separator - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery including a plurality of unit batteries with good space efficiency, while isolating between positive and negative electrodes reliably by a hydroxide ion conductivity ceramics separator.SOLUTION: A secondary battery includes a columnar porous base material including a plurality of cell holes provided in parallel from a first end face toward a second end face and/or from the second end face toward the first end face, positive electrodes and negative electrodes disposed in the plurality of cell holes alternately for each cell hole or hole array, a positive electrode internal collector inserted into the positive electrode, and extending to the first end face or the outer peripheral surface, a negative electrode internal collector inserted into the negative electrode, and extending to the second end face or the outer peripheral surface, a hydroxide ion conductivity ceramics separator formed on the inner wall surface of the cell hole, and isolating the positive electrode and/or negative electrode from the porous base material, and an electrolyte.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを用いた二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator.

ニッケル亜鉛二次電池や亜鉛空気二次電池等の亜鉛二次電池は古くから開発及び検討がなされてきたものの、未だ実用化に至っていない。これは、充電時に負極を構成する亜鉛がデンドライトという樹枝状結晶を生成し、このデンドライトがセパレータを突き破って正極と短絡を引き起こすという問題があるためである。したがって、ニッケル亜鉛二次電池や亜鉛空気二次電池等の亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡を防止する技術が強く望まれている。   Although zinc secondary batteries such as nickel-zinc secondary batteries and zinc-air secondary batteries have been developed and studied for a long time, they have not yet been put into practical use. This is because the zinc constituting the negative electrode produces dendritic crystals called dendrite during charging, and this dendrite breaks through the separator and causes a short circuit with the positive electrode. Therefore, a technique for preventing a short circuit due to zinc dendrite in a zinc secondary battery such as a nickel zinc secondary battery or a zinc-air secondary battery is strongly desired.

そのような問題ないし要望に対処すべく、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを用いた電池が提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡の防止を目的として、水酸化物イオン伝導性の無機固体電解質体からなるセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されており、無機固体電解質体として一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は少なくとも1種以上の2価の陽イオンであり、M3+は少なくとも1種以上の3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)の基本組成を有する層状複水酸化物(LDH)を用いることが提案されている。また、特許文献2(国際公開第2013/073292号)には、亜鉛空気二次電池において、上記同様の基本組成の層状複水酸化物(LDH)からなるセパレータを空気極の一面側に密着させて設けることにより、充電時における亜鉛デンドライトによる正負極間の短絡と、二酸化炭素の電解液への混入との両方を防止できることが提案されている。 In order to deal with such problems and demands, a battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator has been proposed. For example, in Patent Document 1 (International Publication No. 2013/118561), a separator made of a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is used as a positive electrode in a nickel zinc secondary battery for the purpose of preventing a short circuit due to zinc dendrite. And an inorganic solid electrolyte body having a general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is at least is at least one divalent cation, M 3+ is at least one or more trivalent cations, a n-is the n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x is 0 It is proposed to use a layered double hydroxide (LDH) having a basic composition of. Further, in Patent Document 2 (International Publication No. 2013/073292), in a zinc-air secondary battery, a separator made of layered double hydroxide (LDH) having the same basic composition as described above is brought into close contact with one side of the air electrode. It has been proposed that both the short circuit between the positive and negative electrodes due to zinc dendrite during charging and the mixing of carbon dioxide into the electrolyte can be prevented.

一方、高電圧や大電流を得るために、複数の単位電池を組み合わせて作られた積層電池が広く知られている。積層電池は、単位電池を複数直列または並列に接続してなる積層体が一つの電池容器内に収納された構成を有してなる。   On the other hand, in order to obtain a high voltage and a large current, a laminated battery made by combining a plurality of unit batteries is widely known. A laminated battery has a configuration in which a laminated body formed by connecting a plurality of unit batteries in series or in parallel is accommodated in one battery container.

国際公開第2013/118561号International Publication No. 2013/118561 国際公開第2013/073292号International Publication No. 2013/073292

本出願人は、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性及び通気性を有しない程に高度に緻密化されたLDHセパレータ(層状複水酸化物セパレータ)の開発に先だって成功している。このようなセパレータ(あるいは多孔質基材付きセパレータ)を用いて亜鉛ニッケル電池、亜鉛空気二次電池等の二次電池を構成した場合、亜鉛デンドライトによる短絡や(特に金属空気二次電池の場合に問題となる)二酸化炭素の混入を防止できる。そして、この効果を最大限に発揮させるためには、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで電池容器内を正極側と負極側を確実に仕切ることが望まれる。特に、かかる構成を確保しながら、高電圧や大電流を得るために、複数(望ましくは多数)の単位電池をスペース効率良く組み込んだ電池を構成できれば極めて好都合である。   The present applicant has succeeded in developing an LDH separator (layered double hydroxide separator) that has hydroxide ion conductivity but is highly densified to such an extent that it does not have water permeability and air permeability. When such a separator (or a separator with a porous substrate) is used to form a secondary battery such as a zinc-nickel battery or a zinc-air secondary battery, a short circuit due to zinc dendrite (especially in the case of a metal-air secondary battery) (Problem) carbon dioxide contamination can be prevented. In order to maximize this effect, it is desired to reliably partition the positive electrode side and the negative electrode side in the battery container with a hydroxide ion conductive ceramic separator. In particular, it is extremely advantageous if a battery in which a plurality of (preferably a large number) unit cells are incorporated in a space efficient manner can be obtained in order to obtain a high voltage and a large current while securing such a configuration.

本発明者らは、今般、所定の方向に互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えた柱状の多孔質基材を用い、そのセル孔の内壁面に水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを形成した上で正極及び/又は負極を配設することで、正負極間をセパレータで確実に隔離しながら、複数の単位電池がスペース効率良く組み込まれた二次電池を構成できるとの知見を得た。特に、かかる電池構造によれば、高強度の確保、反応面積の増大による高出力化、及び集電のし易さといった点で極めて有利であるとの知見も得た。   The present inventors recently used a columnar porous substrate having a plurality of cell holes provided in parallel to each other in a predetermined direction, and provided hydroxide ion conductive ceramic separators on the inner wall surfaces of the cell holes. Obtaining the knowledge that by forming a positive electrode and / or a negative electrode after formation, a secondary battery in which a plurality of unit cells are incorporated in a space-efficient manner can be obtained while reliably separating the positive and negative electrodes with a separator. It was. In particular, such a battery structure has been found to be extremely advantageous in terms of securing high strength, increasing output by increasing the reaction area, and facilitating current collection.

したがって、本発明の目的は、正負極間を水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで確実に隔離しながら、複数の単位電池をスペース効率良く備えた二次電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a secondary battery provided with a plurality of unit batteries with good space efficiency while reliably separating positive and negative electrodes with a hydroxide ion conductive ceramic separator.

本発明の一態様によれば、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを用いた二次電池であって、
互いに対向する第一端面及び第二端面並びにこれらの端面の外周縁を連結する外周面を備えた柱状の多孔質基材であって、前記第一端面から前記第二端面に向かって且つ/又は前記第二端面から前記第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えた多孔質基材と、
前記複数のセル孔内に孔毎又は孔列毎に交互に配設される正極及び負極と、
前記正極内に挿入され、前記第一端面又は前記外周面に延在する正極内部集電体と、
前記負極内に挿入され、前記第二端面、前記外周面又は前記第一端面に延在する負極内部集電体と、
前記セル孔の内壁面に形成され、前記正極及び/又は前記負極を前記多孔質基材と隔離する、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータと、
前記正極及び/又は前記負極並びに前記多孔質基材に含浸されるアルカリ電解液と、
を備えた、二次電池が提供される。
According to one aspect of the present invention, a secondary battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator,
A columnar porous substrate having a first end surface and a second end surface facing each other and an outer peripheral surface connecting outer peripheral edges of these end surfaces, and from the first end surface toward the second end surface and / or A porous substrate provided with a plurality of cell holes provided in parallel to each other from the second end surface toward the first end surface;
A positive electrode and a negative electrode that are alternately arranged in the plurality of cell holes for each hole or for each hole row;
A positive electrode internal current collector inserted into the positive electrode and extending to the first end surface or the outer peripheral surface;
A negative electrode internal current collector inserted into the negative electrode and extending to the second end surface, the outer peripheral surface or the first end surface;
A hydroxide ion conductive ceramic separator formed on an inner wall surface of the cell hole and separating the positive electrode and / or the negative electrode from the porous substrate;
An alkaline electrolyte impregnated in the positive electrode and / or the negative electrode and the porous substrate;
A secondary battery is provided.

本発明によるハニカム構造のニッケル亜鉛二次電池の一例を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing an example of a nickel-zinc secondary battery having a honeycomb structure according to the present invention. 本発明によるハニカム構造の亜鉛空気二次電池の一例を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing an example of a zinc-air secondary battery having a honeycomb structure according to the present invention. 本発明によるモノリス構造のニッケル亜鉛二次電池の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the nickel zinc secondary battery of the monolith structure by this invention. 本発明によるモノリス構造の亜鉛空気二次電池の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the zinc air secondary battery of the monolith structure by this invention. 本発明によるモノリス構造のニッケル亜鉛二次電池の他の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically another example of the nickel zinc secondary battery of the monolith structure by this invention. 本発明によるモノリス構造の亜鉛空気二次電池の他の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically another example of the zinc air secondary battery of the monolith structure by this invention. ニッケル亜鉛二次電池の一例を模式的に示す概念図であり、放電末状態を示す。It is a conceptual diagram which shows an example of a nickel zinc secondary battery typically, and shows a discharge end state. 図1に示されるニッケル亜鉛二次電池の満充電状態を示す図である。It is a figure which shows the full charge state of the nickel zinc secondary battery shown by FIG. 亜鉛空気二次電池の一例を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a zinc air secondary battery typically. 図9Aに示される亜鉛空気二次電池の斜視図である。FIG. 9B is a perspective view of the zinc-air secondary battery shown in FIG. 9A. 多孔質基材付きセパレータの一態様を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing one mode of a separator with a porous substrate. 多孔質基材付きセパレータの他の一態様を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the other one aspect | mode of a separator with a porous base material. 層状複水酸化物(LDH)板状粒子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a layered double hydroxide (LDH) plate-like particle. 例1で作製したアルミナ製多孔質基材の表面のSEM画像である。2 is a SEM image of the surface of an alumina porous substrate produced in Example 1. FIG. 例1において試料の結晶相に対して得られたXRDプロファイルである。3 is an XRD profile obtained for the crystal phase of the sample in Example 1. 例1において観察された膜試料の表面微構造を示すSEM画像である。2 is an SEM image showing a surface microstructure of a film sample observed in Example 1. 例1において観察された複合材料試料の研磨断面微構造のSEM画像である。2 is an SEM image of a polished cross-sectional microstructure of a composite material sample observed in Example 1. FIG. 例1で使用された緻密性判別測定系の分解斜視図である。2 is an exploded perspective view of a denseness discrimination measurement system used in Example 1. FIG. 例1で使用されたる緻密性判別測定系の模式断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a denseness discrimination measurement system used in Example 1. FIG. 例1の緻密性判定試験IIで使用された測定用密閉容器の分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of a measurement sealed container used in the denseness determination test II of Example 1. 例1の緻密性判定試験IIで使用された測定系の模式断面図である。3 is a schematic cross-sectional view of a measurement system used in the denseness determination test II of Example 1. FIG.

二次電池
本発明の二次電池は、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを用いたものである。本発明の二次電池は、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、酸化マンガン亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池、及びその他各種のアルカリ亜鉛二次電池、並びにリチウム空気二次電池等、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを適用可能な各種二次電池であることができる。特に、ニッケル亜鉛二次電池及び亜鉛空気二次電池が好ましい。したがって、以下の一般的説明において、ニッケル亜鉛二次電池に関する図1、3及び5並びに亜鉛空気二次電池に関する図2、4及び6に言及することがあるが、本発明の二次電池はニッケル亜鉛二次電池及び亜鉛空気二次電池に限定されるべきではなく、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを採用可能な上述の各種二次電池を概念的に包含するものである。
Secondary battery The secondary battery of the present invention uses a hydroxide ion conductive ceramic separator. The secondary battery of the present invention includes a nickel zinc secondary battery, a silver zinc oxide secondary battery, a manganese zinc secondary battery, a zinc air secondary battery, various other alkaline zinc secondary batteries, and a lithium air secondary battery. And various secondary batteries to which a hydroxide ion conductive ceramic separator can be applied. In particular, a nickel zinc secondary battery and a zinc-air secondary battery are preferable. Therefore, in the following general description, reference may be made to FIGS. 1, 3 and 5 relating to nickel-zinc secondary batteries and FIGS. 2, 4 and 6 relating to zinc-air secondary batteries. The present invention should not be limited to zinc secondary batteries and zinc-air secondary batteries, but conceptually includes the various secondary batteries described above that can employ hydroxide ion conductive ceramic separators.

本発明による二次電池は、多孔質基材、正極、負極、正極内部集電体、負極内部集電体、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ、及びアルカリ電解液を備えてなる。多孔質基材は柱状の形状(例えば円柱状又は角柱状)を有し、互いに対向する第一端面及び第二端面並びにこれらの端面の外周縁を連結する外周面を備える。多孔質基材は、第一端面から第二端面に向かって且つ/又は第二端面から第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えてなる。正極及び負極は、複数のセル孔内に孔毎又は孔列毎に交互に配設される。正極内部集電体は、正極内に挿入され、第一端面又は外周面に延在する。一方、負極内部集電体は、負極内に挿入され、第二端面、外周面又は第一端面に延在する。水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータは、セル孔の内壁面に形成され、正極及び/又は負極を多孔質基材と隔離する。そして、正極及び/又は負極並びに多孔質基材はアルカリ電解液で含浸される。このように、所定の方向に互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えた柱状の多孔質基材を用い、そのセル孔の内壁面に水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを形成した上で正極及び/又は負極を配設することで、正負極間をセパレータで確実に隔離しながら、複数の単位電池がスペース効率良く組み込まれた二次電池を構成することができる。特に、かかる電池構造は、高強度の確保、反応面積の増大による高出力化、及び集電のし易さといった点で極めて有利である。すなわち、柱状の多孔質基材は塊ないしバルクとしての一体性を有しうるため高強度を確保しやすい。このため、多孔質基材にはセル孔を数多く設けて電極及び内部集電体を幾多にも配設することができ、それにより反応面積を飛躍的に増大することができる。その上、セル孔を所望の規則性を持って形成することで、多孔質部材の両端面(すなわち第一端面及び第二端面)やその他の外周面にまで所望の電極に対応した内部集電材を延在させやすく、それらの延在部分には外部集電体も配設しやすい。すなわち集電もしやすい構成となる。   The secondary battery according to the present invention includes a porous substrate, a positive electrode, a negative electrode, a positive electrode internal current collector, a negative electrode internal current collector, a hydroxide ion conductive ceramic separator, and an alkaline electrolyte. The porous substrate has a columnar shape (for example, a columnar shape or a prismatic shape), and includes a first end surface and a second end surface facing each other, and an outer peripheral surface connecting the outer peripheral edges of these end surfaces. The porous substrate includes a plurality of cell holes provided in parallel to each other from the first end surface toward the second end surface and / or from the second end surface toward the first end surface. The positive electrode and the negative electrode are alternately arranged in the plurality of cell holes for each hole or for each hole row. The positive electrode internal current collector is inserted into the positive electrode and extends to the first end surface or the outer peripheral surface. On the other hand, the negative electrode internal current collector is inserted into the negative electrode and extends to the second end surface, the outer peripheral surface or the first end surface. The hydroxide ion conductive ceramic separator is formed on the inner wall surface of the cell hole and isolates the positive electrode and / or the negative electrode from the porous substrate. The positive electrode and / or negative electrode and the porous substrate are impregnated with an alkaline electrolyte. In this way, after using a columnar porous substrate having a plurality of cell holes provided in parallel to each other in a predetermined direction, a hydroxide ion conductive ceramic separator is formed on the inner wall surface of the cell holes. By disposing the positive electrode and / or the negative electrode, it is possible to configure a secondary battery in which a plurality of unit batteries are incorporated with good space efficiency while reliably separating the positive and negative electrodes with a separator. In particular, such a battery structure is extremely advantageous in terms of ensuring high strength, increasing output by increasing the reaction area, and facilitating current collection. That is, since the columnar porous substrate can have a solidity as a lump or a bulk, it is easy to ensure high strength. Therefore, a large number of cell holes can be provided in the porous base material, and a large number of electrodes and internal current collectors can be disposed, whereby the reaction area can be dramatically increased. In addition, by forming the cell holes with a desired regularity, an internal current collector corresponding to a desired electrode up to both end faces (that is, the first end face and the second end face) of the porous member and other outer peripheral faces The external current collector is also easily disposed in the extended portion. That is, it becomes the structure which is easy to collect current.

正極及び負極は複数のセル孔内に孔毎又は孔列毎に交互に配設される。正極は二次電池の種類に応じて適宜選択すればよく、空気極であってもよい。負極も二次電池の種類に応じて適宜選択すればよく、例えば各種亜鉛二次電池の場合、亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含みうる。この場合、正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含んでなり、それにより二次電池がニッケル亜鉛二次電池として構成されるのが好ましい。あるいは、正極が空気極であり、正極内部集電体及び所望により正極外部集電体が通気性を有し、それにより二次電池が亜鉛空気二次電池として構成されるのも好ましい。アルカリ電解液で含浸される正極及び/又は負極並びに多孔質基材は容器(好ましくは樹脂製容器)に収容されうる。なお、正極及びアルカリ電解液は必ずしも分離している必要はなく、正極とアルカリ電解液が混合された正極合材として構成されてもよいし、正極が空気極の場合にはそもそも正極側に電解液は不要である。また、負極及びアルカリ電解液は必ずしも分離している必要はなく、負極とアルカリ電解液が混合された負極合材として構成されてもよい。   The positive electrode and the negative electrode are alternately arranged in the plurality of cell holes for each hole or for each hole row. The positive electrode may be appropriately selected according to the type of secondary battery, and may be an air electrode. The negative electrode may be appropriately selected according to the type of secondary battery. For example, in the case of various zinc secondary batteries, zinc, a zinc alloy, and / or a zinc compound may be included. In this case, the positive electrode preferably comprises nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide, whereby the secondary battery is configured as a nickel zinc secondary battery. Alternatively, it is also preferable that the positive electrode is an air electrode, and the positive electrode internal current collector and optionally the positive electrode external current collector have air permeability, whereby the secondary battery is configured as a zinc-air secondary battery. The positive electrode and / or negative electrode impregnated with the alkaline electrolyte and the porous substrate can be accommodated in a container (preferably a resin container). It should be noted that the positive electrode and the alkaline electrolyte need not necessarily be separated, and may be configured as a positive electrode mixture in which the positive electrode and the alkaline electrolyte are mixed. No liquid is required. Moreover, the negative electrode and the alkaline electrolyte need not necessarily be separated, and may be configured as a negative electrode mixture in which the negative electrode and the alkaline electrolyte are mixed.

正極内部集電体は、正極内に挿入され、第一端面又は外周面に延在する。負極内部集電体は、負極内に挿入され、第二端面、外周面又は第一端面に延在する。すなわち、正極内部集電体と負極内部集電体は、互いに異なる面(例えば第一端面と第二端面)又は互いに異なる位置(例えば外周面の互いに異なる側)に延在してもよいし、互いに短絡しないかぎりにおいて同じ側の端面(例えば第一端面)に延在していてもよい。もっとも、正極内部集電体と負極内部集電体が互いに異なる面ないし位置に延在しているのが、集電しやすく、また、外部集電体を配設するためのスペースを確保しやすい点で好ましい。   The positive electrode internal current collector is inserted into the positive electrode and extends to the first end surface or the outer peripheral surface. The negative electrode internal current collector is inserted into the negative electrode and extends to the second end surface, the outer peripheral surface, or the first end surface. That is, the positive electrode internal current collector and the negative electrode internal current collector may extend to different surfaces (for example, the first end surface and the second end surface) or different positions (for example, different sides of the outer peripheral surface), As long as they are not short-circuited with each other, they may extend to the same end face (for example, the first end face). However, it is easy to collect current because the positive electrode internal current collector and the negative electrode internal current collector extend to different surfaces or positions, and it is easy to secure a space for arranging the external current collector. This is preferable.

多孔質基材は、柱状(例えば円柱状又は角柱状)の形状を有し、互いに対向する第一端面及び第二端面並びにこれらの端面の外周縁を連結する外周面を備える。すなわち、多孔質基材の外表面は第一端面、第二端面及び外周面で主に構成されているといえる。多孔質基材には、第一端面から第二端面に向かって且つ/又は第二端面から第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えてなる。セル孔は貫通孔であっても非貫通孔であってもよい。また、貫通孔の一端が封止部材(例えばセラミックスや樹脂)で封止されて結果的に非貫通孔とされてもよく、この場合の孔については以下の説明では非貫通孔として扱うものとする。貫通孔である場合、第一端面から第二端面に向かって互いに平行に設けられた形成される複数のセル孔は、第二端面から第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔と同じものを指すことになる。非貫通孔である場合、第一端面から第二端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔と、第二端面から第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔との両方を備えてなるのが、第一端面側に開放された非貫通孔と第二端面側に開放された非貫通孔とをそれぞれ正極と負極に割り当て、正極集電体と負極集電体を互いに対向する側に延出可能となる点で好ましい。もっとも、複数のセル孔を、第一端面から第二端面に向かって互いに平行に設けられた複数の非貫通孔のみで構成してもよいし、第二端面から第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数の非貫通孔のみで構成してもよいが、これらの場合には全ての非貫通孔が同じ側に開放されることになる結果、正極集電体と負極集電体が同じ側に延出することになる。いずれにせよ、前述したとおり、柱状の多孔質基材は塊ないしバルクとしての一体性を有しうるため、高強度の確保、反応面積の増大による高出力化、及び集電のし易さといった点で極めて有利な二次電池構造を実現可能とする。多孔質基材は透水性を有し、それ故アルカリ電解液がセパレータに到達可能であることはいうまでもないが、多孔質基材があることでセパレータ上により安定に水酸化物イオンを保持することも可能となる。また、多孔質基材により強度を付与できるため、セパレータを薄くして低抵抗化を図ることもできる。そして、多孔質基材のセル孔の内壁面には水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータとして無機固体電解質体(好ましくはLDH)の緻密膜ないし緻密層を形成することができる。   The porous substrate has a columnar shape (for example, a columnar shape or a prismatic shape), and includes a first end surface and a second end surface facing each other and an outer peripheral surface connecting the outer peripheral edges of these end surfaces. That is, it can be said that the outer surface of the porous substrate is mainly composed of the first end surface, the second end surface, and the outer peripheral surface. The porous substrate is provided with a plurality of cell holes provided in parallel to each other from the first end surface toward the second end surface and / or from the second end surface toward the first end surface. The cell hole may be a through hole or a non-through hole. In addition, one end of the through hole may be sealed with a sealing member (for example, ceramics or resin) to result in a non-through hole. In this case, the hole is treated as a non-through hole in the following description. To do. In the case of a through-hole, the plurality of formed cell holes provided in parallel with each other from the first end surface toward the second end surface are a plurality of cells provided in parallel with each other from the second end surface toward the first end surface. It will refer to the same thing as the hole. In the case of a non-through hole, a plurality of cell holes provided in parallel with each other from the first end face toward the second end face, and a plurality of cell holes provided in parallel with each other from the second end face toward the first end face The non-through hole opened on the first end face side and the non-through hole opened on the second end face side are respectively assigned to the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are provided. Is preferable in that it can be extended to opposite sides. However, the plurality of cell holes may be configured by only a plurality of non-through holes provided in parallel to each other from the first end surface to the second end surface, or parallel to each other from the second end surface to the first end surface. However, in these cases, all the non-through holes are opened to the same side, and as a result, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are It will extend to the same side. In any case, as described above, since the columnar porous base material can have a unity as a lump or bulk, ensuring high strength, increasing the output by increasing the reaction area, and facilitating current collection, etc. This makes it possible to realize a secondary battery structure that is extremely advantageous. It goes without saying that the porous substrate is water permeable, so that the alkaline electrolyte can reach the separator, but the presence of the porous substrate keeps hydroxide ions more stable on the separator. It is also possible to do. In addition, since the strength can be imparted by the porous base material, the resistance can be reduced by thinning the separator. A dense film or a dense layer of an inorganic solid electrolyte body (preferably LDH) can be formed as a hydroxide ion conductive ceramic separator on the inner wall surface of the cell hole of the porous substrate.

本発明の好ましい態様によれば、セル孔が非貫通孔であり、多孔質基材が複数の非貫通孔を規則的に備えたハニカム状であることができる。本態様によるニッケル亜鉛二次電池の一例が図1に模式的に示される。図1にニッケル亜鉛二次電池10は円柱状の多孔質基材12を有しており、この多孔質基材12は、第一端面12aから第二端面12bに向かって互いに平行に設けられた複数の非貫通孔12dと、第二端面12bから第一端面12aに向かって互いに平行に設けられた複数の非貫通孔12eとを有する。正極14及び負極16は複数の非貫通孔12d,12e内に孔毎に交互に配設される。これらの複数の非貫通孔12d,12eが規則的に形成されることで多孔質基材12がハニカム状とされてなる。水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ18は全ての非貫通孔12d,12eの内壁面に形成されてもよいが、図1に示されるように正極14が収容される非貫通孔12dの内壁面にのみ形成されてもよいし、負極16が収容される非貫通孔12eの内壁面にのみ形成されてもよい。いずれにせよ、このようなハニカム構成においては、多孔質基材12の第一端面12aから第二端面12bに向かって形成された非貫通孔12dに正極14及び正極内部集電体15aが収容され、且つ、第二端面12bから第一端面12aに向かって形成された非貫通孔12eに負極16及び負極内部集電体17aが収容され、それにより正極内部集電体15aと負極内部集電体17aが互いに反対の端面12a,12bに延在してなるのが好ましい。このように正極14と負極16が互いに異なる側に開口された非貫通孔12d,12eに収容されることで正負極間の短絡を確実に防止しながら、正極14及び負極16を幾多にも設けて反応面積を顕著に増大して高出力化を実現することができる。また、正極内部集電体15aと負極内部集電体17aが互いに反対の端面12a,12bに延在するため、集電もしやすい。この点、複数の正極内部集電体15aの端部と接続される正極外部集電体15bを第一端面12aに設け、複数の負極内部集電体16aの端部と接続される負極外部集電体16bを第二端面12bに設けるのが集電能力を更に高められる点でより好ましい。また、正極外部集電体15b及び負極外部集電体16bはそれぞれ第一端面12a及び第二端面12bに対応した形状に形成され、それにより第一端面12a及び第二端面12bがそれぞれ正極外部集電体15b及び負極外部集電体16bで塞がれるのが特に好ましい。   According to a preferred aspect of the present invention, the cell holes can be non-through holes, and the porous substrate can have a honeycomb shape regularly provided with a plurality of non-through holes. An example of a nickel zinc secondary battery according to this embodiment is schematically shown in FIG. In FIG. 1, a nickel-zinc secondary battery 10 has a cylindrical porous substrate 12, and the porous substrate 12 is provided in parallel to each other from the first end surface 12a to the second end surface 12b. A plurality of non-through holes 12d and a plurality of non-through holes 12e provided in parallel to each other from the second end surface 12b toward the first end surface 12a are provided. The positive electrode 14 and the negative electrode 16 are alternately disposed in each of the plurality of non-through holes 12d and 12e. The plurality of non-through holes 12d and 12e are regularly formed, so that the porous substrate 12 has a honeycomb shape. The hydroxide ion conductive ceramic separator 18 may be formed on the inner wall surface of all the non-through holes 12d and 12e. However, as shown in FIG. 1, the hydroxide ion conductive ceramic separator 18 is formed on the inner wall surface of the non-through hole 12d in which the positive electrode 14 is accommodated. May be formed only on the inner wall surface of the non-through hole 12e in which the negative electrode 16 is accommodated. In any case, in such a honeycomb structure, the positive electrode 14 and the positive electrode internal current collector 15a are accommodated in the non-through hole 12d formed from the first end surface 12a to the second end surface 12b of the porous substrate 12. The negative electrode 16 and the negative electrode internal current collector 17a are accommodated in the non-through hole 12e formed from the second end surface 12b toward the first end surface 12a, whereby the positive electrode internal current collector 15a and the negative electrode internal current collector are accommodated. It is preferable that 17a is extended to the end surfaces 12a and 12b opposite to each other. In this way, the positive electrode 14 and the negative electrode 16 are accommodated in the non-through holes 12d and 12e that are opened on different sides, thereby reliably preventing a short circuit between the positive and negative electrodes, and providing a large number of the positive electrodes 14 and the negative electrodes 16. Thus, the reaction area can be remarkably increased and high output can be realized. Further, since the positive electrode internal current collector 15a and the negative electrode internal current collector 17a extend to the end faces 12a and 12b opposite to each other, current collection is easy. In this regard, the positive electrode external current collector 15b connected to the end portions of the plurality of positive electrode internal current collectors 15a is provided on the first end surface 12a, and the negative electrode external current collector connected to the end portions of the plurality of negative electrode internal current collectors 16a. It is more preferable to provide the electric body 16b on the second end face 12b in that the current collecting ability can be further enhanced. Further, the positive electrode external current collector 15b and the negative electrode external current collector 16b are formed in shapes corresponding to the first end surface 12a and the second end surface 12b, respectively, so that the first end surface 12a and the second end surface 12b are respectively connected to the positive electrode external current collector. It is particularly preferable that the electrode 15b and the negative electrode external current collector 16b are closed.

上記ハニカム構造の二次電池は図1に示されるニッケル亜鉛二次電池10に限定されるものではなく、他の種類の亜鉛二次電池に適用可能である。例えば亜鉛空気二次電池の場合には正極に空気が到達できるように正極集電体が通気性を有するように構成するのが好ましい。かかるハニカム構造の亜鉛空気二次電池の一例が図2に示される。図2に示されるハニカム構造の亜鉛空気二次電池20は、円柱状の多孔質基材22、負極26、負極内部集電体27a及び負極外部集電体27bについては図1に示される円柱状の多孔質基材12、負極16、負極内部集電体17a及び負極外部集電体17bと同様に構成されうるが、正極としての空気極24、正極内部集電体25a及び正極外部集電体25bは図1に示されるものとは異なり、空気極24に外部から空気が供給されうるように構成されることが望まれる。水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ28は全ての非貫通孔22d,22eの内壁面に形成されてもよいし、図2に示されるように空気極24が収容される非貫通孔22dの内壁面にのみ形成されてもよい。いずれにしても、図2に示されるように、正極内部集電体25aは中空形状や発泡構造等の通気性を有する構造として外部からの空気が流入可能とされてなるのが好ましい。この場合、正極内部集電体25aと連結される正極外部集電体25bには正極内部集電体25aの中空形状や発泡構造等の通気性構造と連通する通気口25cが形成されるのが望ましい。かかる構成によれば十分な集電機能を確保しながら空気極24への空気の供給を効率的に行うことができる。また、正極外部集電体25b及び負極外部集電体26bは、正極外部集電体25bに通気口25cが形成される点を除いて、それぞれ第一端面22a及び第二端面22bに対応した形状に形成され、それにより第一端面22aの非貫通孔22d以外の部分と第二端面22bがそれぞれ正極外部集電体25b及び負極外部集電体26bで塞がれるのが特に好ましい。   The secondary battery having the honeycomb structure is not limited to the nickel-zinc secondary battery 10 shown in FIG. 1 but can be applied to other types of zinc secondary batteries. For example, in the case of a zinc-air secondary battery, the positive electrode current collector is preferably configured to have air permeability so that air can reach the positive electrode. An example of the zinc-air secondary battery having such a honeycomb structure is shown in FIG. A zinc-air secondary battery 20 having a honeycomb structure shown in FIG. 2 has a cylindrical porous substrate 22, a negative electrode 26, a negative electrode internal current collector 27a, and a negative electrode external current collector 27b shown in FIG. The porous substrate 12, the negative electrode 16, the negative electrode internal current collector 17 a, and the negative electrode external current collector 17 b can be configured in the same manner, but the air electrode 24 as the positive electrode, the positive electrode internal current collector 25 a, and the positive electrode external current collector Unlike the one shown in FIG. 1, 25 b is desirably configured so that air can be supplied to the air electrode 24 from the outside. The hydroxide ion conductive ceramic separator 28 may be formed on the inner wall surface of all the non-through holes 22d and 22e, or the inner wall surface of the non-through hole 22d in which the air electrode 24 is accommodated as shown in FIG. It may be formed only on. In any case, as shown in FIG. 2, it is preferable that the positive electrode internal current collector 25a has a breathable structure such as a hollow shape or a foam structure so that air from the outside can flow in. In this case, the positive electrode external current collector 25b connected to the positive electrode internal current collector 25a is formed with a vent 25c that communicates with the air-permeable structure such as a hollow shape or a foamed structure of the positive electrode internal current collector 25a. desirable. According to this configuration, it is possible to efficiently supply air to the air electrode 24 while ensuring a sufficient current collecting function. Further, the positive electrode external current collector 25b and the negative electrode external current collector 26b have shapes corresponding to the first end surface 22a and the second end surface 22b, respectively, except that the vent hole 25c is formed in the positive electrode external current collector 25b. It is particularly preferable that the portion other than the non-through hole 22d of the first end surface 22a and the second end surface 22b are respectively closed by the positive electrode external current collector 25b and the negative electrode external current collector 26b.

本発明の別の好ましい態様によれば、セル孔が貫通孔であり、多孔質基材が複数の貫通孔を規則的に備えたモノリス状であることができる。本態様によるニッケル亜鉛二次電池の一例が図3に模式的に示される。図3に示されるニッケル亜鉛二次電池30は角柱状の多孔質基材32を有しており、この多孔質基材32は、第一端面32aから第二端面32bに向かって(又は第二端面32bから第一端面32aに向かって)互いに平行に設けられた複数の貫通孔32dを有する。正極34及び負極36は複数の貫通孔32d内に孔毎に交互に配設される。これらの複数の非貫通孔32dが規則的に形成されることで多孔質基材32がモノリス状とされてなる。水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ38は全ての貫通孔32dの内壁面に形成されてもよいが、図3に示されるように正極34が収容される貫通孔32dの内壁面にのみ形成されてもよいし、負極36が収容される貫通孔32dの内壁面にのみ形成されてもよい。いずれにせよ、かかるモノリス構成においては、正極34内に挿入される正極内部集電体35aが、多孔質基材32に形成されたスリット32eを介して外周面32cに延在し、負極36内に挿入される負極内部集電体37aが、多孔質基材32に形成された別のスリット32fを介して外周面32cに延在するのが好ましい。このように正極34と負極36が互いに異なる貫通孔32dに収容されることで正負極間の短絡を確実に防止しながら、正極34及び負極36を幾多にも設けて反応面積を顕著に増大して高出力化を実現することができる。また、正極内部集電体35aと負極内部集電体37aが互いに異なるスリット32e,32fを介して外周面32cに延在するため、集電もしやすい。この点、複数の正極内部集電体35aの端部と接続される正極外部集電体35bを外周面32cに設け、複数の負極内部集電体37aの端部と接続される負極外部集電体37bを外周面32cの正極外部集電体35bの存在しない領域に設けるのが、集電能力を更に高められる点でより好ましい。例えば、正極外部集電体35bが外周面32cの特定の側に設けられ、負極外部集電体37bが外周面32cの正極外部集電体35bと反対側に設けられるのが十分な面積の外部集電体を配置しやすい点で特に好ましい。   According to another preferable aspect of the present invention, the cell hole may be a through hole, and the porous substrate may have a monolithic shape having a plurality of through holes regularly. An example of the nickel zinc secondary battery according to this embodiment is schematically shown in FIG. The nickel zinc secondary battery 30 shown in FIG. 3 has a prismatic porous base material 32, and this porous base material 32 is directed from the first end face 32a toward the second end face 32b (or the second end face). A plurality of through holes 32d provided in parallel to each other (from the end surface 32b toward the first end surface 32a) are provided. The positive electrode 34 and the negative electrode 36 are alternately arranged for each hole in the plurality of through holes 32d. The porous base material 32 is formed into a monolith by regularly forming the plurality of non-through holes 32d. The hydroxide ion conductive ceramic separator 38 may be formed on the inner wall surface of all the through holes 32d, but is formed only on the inner wall surface of the through hole 32d in which the positive electrode 34 is accommodated as shown in FIG. Alternatively, it may be formed only on the inner wall surface of the through hole 32d in which the negative electrode 36 is accommodated. In any case, in such a monolith configuration, the positive electrode internal current collector 35 a inserted into the positive electrode 34 extends to the outer peripheral surface 32 c via the slit 32 e formed in the porous base material 32, and It is preferable that the negative electrode internal current collector 37 a inserted into the outer peripheral surface 32 c extends through another slit 32 f formed in the porous substrate 32. As described above, the positive electrode 34 and the negative electrode 36 are accommodated in the mutually different through holes 32d, thereby reliably preventing a short circuit between the positive and negative electrodes, and providing a large number of the positive electrodes 34 and the negative electrodes 36 to significantly increase the reaction area. High output can be realized. Further, since the positive electrode internal current collector 35a and the negative electrode internal current collector 37a extend to the outer peripheral surface 32c through different slits 32e and 32f, current collection is easy. In this regard, the negative electrode external current collector 35b connected to the end portions of the plurality of negative electrode internal current collectors 37a is provided on the outer peripheral surface 32c with the positive electrode external current collector 35b connected to the end portions of the plurality of positive electrode internal current collectors 35a. It is more preferable that the body 37b is provided in a region where the positive electrode external current collector 35b does not exist on the outer peripheral surface 32c from the viewpoint of further enhancing the current collecting ability. For example, the positive electrode external current collector 35b is provided on a specific side of the outer peripheral surface 32c, and the negative electrode external current collector 37b is provided on the opposite side of the outer peripheral surface 32c from the positive electrode external current collector 35b. This is particularly preferable in that the current collector is easily arranged.

上記モノリス構造の二次電池は図3に示されるニッケル亜鉛二次電池30に限定されるものではなく、他の種類の亜鉛二次電池に適用可能である。例えば亜鉛空気二次電池の場合には正極に空気が到達できるように正極集電体が通気性を有するように構成するのが好ましい。かかるモノリス構造の亜鉛空気二次電池の一例が図4に示される。図4に示されるモノリス構造の亜鉛空気二次電池40は、角柱状の多孔質基材42、負極46、負極内部集電体47a及び負極外部集電体47bについては図3に示される角柱状の多孔質基材32、負極36、負極内部集電体37a及び負極外部集電体37bと同様に構成されうるが、正極としての空気極44、正極内部集電体45a及び正極外部集電体45bは図3に示されるものとは異なり、空気極44に外部から空気が供給されうるように構成されることが望まれる。水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ48は全ての貫通孔42dの内壁面に形成されてもよいし、図4に示されるように空気極44が収容される貫通孔42dの内壁面にのみ形成されてもよい。いずれにしても、図4に示されるように、正極内部集電体45aは中空形状や発泡構造等の通気性を有する構造として外部からの空気が流入可能とされてなるのが好ましい。この場合、正極内部集電体45aと連結される正極外部集電体45bには正極内部集電体45aの中空形状や発泡構造等の通気性構造と連通する通気口45cが形成されるのが望ましい。かかる構成によれば十分な集電機能を確保しながら空気極44への空気の供給を効率的に行うことができる。   The monolithic secondary battery is not limited to the nickel-zinc secondary battery 30 shown in FIG. 3 but can be applied to other types of zinc secondary batteries. For example, in the case of a zinc-air secondary battery, the positive electrode current collector is preferably configured to have air permeability so that air can reach the positive electrode. An example of such a monolithic zinc-air secondary battery is shown in FIG. The zinc-air secondary battery 40 having a monolith structure shown in FIG. 4 has a prismatic porous base material 42, a negative electrode 46, a negative electrode internal current collector 47a, and a negative electrode external current collector 47b shown in FIG. The porous substrate 32, the negative electrode 36, the negative electrode internal current collector 37a, and the negative electrode external current collector 37b can be configured in the same manner, but the air electrode 44 as the positive electrode, the positive electrode internal current collector 45a, and the positive electrode external current collector 45 is different from that shown in FIG. 3 and is preferably configured so that air can be supplied to the air electrode 44 from the outside. The hydroxide ion conductive ceramic separator 48 may be formed on the inner wall surface of all the through holes 42d, or may be formed only on the inner wall surface of the through hole 42d in which the air electrode 44 is accommodated as shown in FIG. May be. In any case, as shown in FIG. 4, it is preferable that the positive electrode internal current collector 45a has a breathable structure such as a hollow shape or a foam structure so that air from the outside can flow in. In this case, the positive electrode external current collector 45b connected to the positive electrode internal current collector 45a is formed with a vent 45c that communicates with a hollow structure of the positive electrode internal current collector 45a or a gas permeable structure such as a foam structure. desirable. According to such a configuration, it is possible to efficiently supply air to the air electrode 44 while ensuring a sufficient current collecting function.

図3及び図4に示されるモノリス構造の二次電池30,40はそれぞれ角柱状の多孔質基材32,42を用いるものであるが、円柱状の多孔質基材を採用してもよいのはいうまでもない。図5及び6に円柱状の多孔質基材を用いたモノリス構造のニッケル亜鉛二次電池50及び亜鉛空気二次電池60の例をそれぞれ示す。図5に示されるモノリス構造のニッケル亜鉛二次電池50は、正極54、負極56、正極内部集電体55a、負極内部集電体57a及びセラミックスセパレータ58については図3に示される正極34、負極36、正極内部集電体35a、負極内部集電体37a及びセラミックスセパレータ38と同様に構成されうるが、多孔質基材52が円柱状に構成され、それに伴い正極外部集電体55b及び負極外部集電体57bが円柱状多孔質基材52の外周面に沿った曲面状に形成される。図6に示されるモノリス構造の亜鉛空気二次電池60は、空気極64、負極66、正極内部集電体65a、負極内部集電体67a及びセラミックスセパレータ68については図4に示される空気極44、負極46、正極内部集電体45a、負極内部集電体47a及びセラミックスセパレータ48と同様に構成されうるが、多孔質基材62が円柱状に構成され、それに伴い正極外部集電体65b及び負極外部集電体67bが円柱状多孔質基材62の外周面に沿った曲面状に形成される。   The secondary batteries 30 and 40 having a monolith structure shown in FIGS. 3 and 4 use prismatic porous base materials 32 and 42, respectively, but a cylindrical porous base material may be used. Needless to say. FIGS. 5 and 6 show examples of a monolithic nickel-zinc secondary battery 50 and a zinc-air secondary battery 60 using a cylindrical porous substrate, respectively. The nickel-zinc secondary battery 50 shown in FIG. 5 includes a positive electrode 54, a negative electrode 56, a positive electrode internal current collector 55a, a negative electrode internal current collector 57a, and a ceramic separator 58. 36, may be configured in the same manner as the positive electrode internal current collector 35a, the negative electrode internal current collector 37a, and the ceramic separator 38, but the porous substrate 52 is configured in a cylindrical shape, and accordingly, the positive electrode external current collector 55b and the negative electrode external The current collector 57 b is formed in a curved shape along the outer peripheral surface of the cylindrical porous substrate 52. The monolithic zinc-air secondary battery 60 shown in FIG. 6 includes an air electrode 64, a negative electrode 66, a positive electrode internal current collector 65a, a negative electrode internal current collector 67a, and a ceramic separator 68, as shown in FIG. The negative electrode 46, the positive electrode internal current collector 45 a, the negative electrode internal current collector 47 a, and the ceramic separator 48 can be configured in the same manner, but the porous base material 62 is configured in a cylindrical shape, and accordingly, the positive electrode external current collector 65 b and The negative electrode external current collector 67 b is formed in a curved shape along the outer peripheral surface of the cylindrical porous substrate 62.

上述したいずれの態様においても、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータは、セル孔の内壁面に形成され、正極及び/又は負極を多孔質基材と隔離するように設けられる、典型的には膜状ないし層状の部材である。セラミックスセパレータは少なくとも一方の側がアルカリ電解液と接触することで、正極側と負極側との間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極及び負極における充放電反応を実現することができる。前述のとおり、このようなセラミックスセパレータを用いて亜鉛ニッケル電池、亜鉛空気二次電池等の二次電池を構成した場合、亜鉛デンドライトによる短絡や(特に金属空気二次電池の場合に問題となる)二酸化炭素の混入を防止できる。そして、この効果を最大限に発揮させるためには、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで正極側区画と負極側区画に確実に仕切ることが望まれる。この点、本発明の構成によれば、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータが多孔質基材のセル孔の内壁面に形成されることで、正極と多孔質基材との間及び/又は負極と多孔質基材との間を水酸化物イオン伝導性を確保しながら確実に隔離することができる、すなわち二次電池内における正極側区画と負極側区画を水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで確実に仕切ることができる。   In any of the above-described embodiments, the hydroxide ion conductive ceramic separator is formed on the inner wall surface of the cell hole, and is provided so as to isolate the positive electrode and / or the negative electrode from the porous substrate. Or a layered member. The ceramic separator must be in contact with the alkaline electrolyte on at least one side to enable efficient movement of the required hydroxide ions between the positive electrode side and the negative electrode side, thereby realizing a charge / discharge reaction at the positive electrode and the negative electrode. Can do. As described above, when a secondary battery such as a zinc-nickel battery or a zinc-air secondary battery is configured using such a ceramic separator, a short circuit due to zinc dendrite (particularly in the case of a metal-air secondary battery) Can prevent carbon dioxide contamination. In order to maximize this effect, it is desired to reliably partition the positive electrode side compartment and the negative electrode side compartment with a hydroxide ion conductive ceramic separator. In this regard, according to the configuration of the present invention, the hydroxide ion conductive ceramic separator is formed on the inner wall surface of the cell hole of the porous substrate, so that it is between the positive electrode and the porous substrate and / or the negative electrode. And the porous substrate can be reliably separated while ensuring hydroxide ion conductivity, that is, the positive electrode side compartment and the negative electrode side compartment in the secondary battery are separated by a hydroxide ion conductive ceramic separator. It can be reliably partitioned.

水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータは、透水性(より望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密化された膜状又は層状の形態であるのが好ましい。すなわち、セパレータないし無機固体電解質体が透水性及び通気性を有しないということは、セパレータないし無機固体電解質体が水及び気体を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性や通気性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。このため、亜鉛二次電池の場合には、充電時に生成する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となる。また、金属空気二次電池の場合には、空気中の二酸化炭素の侵入を阻止して電解液中での(二酸化炭素に起因する)アルカリ炭酸塩の析出を防止するのに極めて効果的な構成となる。いずれにしても、セラミックスセパレータは水酸化物イオン伝導性を有するため、正極側と負極側との間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極及び負極における充放電反応を実現することができる。   The hydroxide ion conductive ceramic separator is preferably in the form of a film or a layer that is so dense that it does not have water permeability (more desirably water permeability and air permeability). That is, the fact that the separator or inorganic solid electrolyte body does not have water permeability and air permeability means that the separator or inorganic solid electrolyte body has a high degree of denseness that does not allow water and gas to pass through. It means that it is not a porous film or other porous material having air permeability. For this reason, in the case of a zinc secondary battery, it becomes a very effective structure for preventing the short circuit between positive and negative electrodes by physically blocking the penetration of the separator by the zinc dendrite generated during charging. Further, in the case of a metal-air secondary battery, a configuration that is extremely effective in preventing the infiltration of carbon dioxide in the air and preventing the precipitation of alkali carbonate (caused by carbon dioxide) in the electrolyte. It becomes. In any case, since the ceramic separator has hydroxide ion conductivity, it enables efficient movement of the required hydroxide ions between the positive electrode side and the negative electrode side, realizing charge / discharge reactions at the positive electrode and negative electrode can do.

セラミックスセパレータは水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体からなるのが好ましい。セパレータとして水酸化物イオン伝導性の無機固体電解質体を用いることで、正負極間の電解液を隔離するとともに水酸化物イオン伝導性を確保する。無機固体電解質体は透水性及び通気性を有しない程にまで緻密化されていることが望まれる。例えば、無機固体電解質体は、アルキメデス法で算出して、90%以上の相対密度を有するのが好ましく、より好ましくは92%以上、さらに好ましくは95%以上であるが、亜鉛デンドライトの貫通を防止する程度に緻密で硬いものであればこれに限定されない。このような緻密で硬い無機固体電解質体は水熱処理を経て製造することが可能である。したがって、水熱処理を経ていない単なる圧粉体は、緻密でなく、溶液中で脆いことから本発明の無機固体電解質体として好ましくない。もっとも、水熱処理を経たものでなくても、緻密で硬い無機固体電解質体が得られるかぎりにおいて、あらゆる製法が採用可能である。   The ceramic separator is preferably made of an inorganic solid electrolyte body having hydroxide ion conductivity. By using a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte as a separator, the electrolyte solution between the positive and negative electrodes is isolated and hydroxide ion conductivity is ensured. It is desirable that the inorganic solid electrolyte body is densified to such an extent that it does not have water permeability and air permeability. For example, the inorganic solid electrolyte body preferably has a relative density of 90% or more, more preferably 92% or more, and even more preferably 95% or more, calculated by the Archimedes method, but prevents penetration of zinc dendrite. It is not limited to this as long as it is as dense and hard as possible. Such a dense and hard inorganic solid electrolyte body can be produced through a hydrothermal treatment. Therefore, a simple green compact that has not been subjected to hydrothermal treatment is not preferable as the inorganic solid electrolyte body of the present invention because it is not dense and is brittle in solution. Of course, any manufacturing method can be used as long as a dense and hard inorganic solid electrolyte body can be obtained, even if it has not undergone hydrothermal treatment.

セラミックスセパレータないし無機固体電解質体は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含んで構成される粒子群と、これら粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分との複合体であってもよい。あるいは、セパレータは、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質(例えば層状複水酸化物)との複合体であってもよい。この多孔質体を構成する物質の例としては、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性の物質が挙げられる。   The ceramic separator or the inorganic solid electrolyte body may be a composite of a particle group including an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity and an auxiliary component that assists densification and hardening of the particle group. Good. Alternatively, the separator is a composite of an open-pore porous material as a base material and an inorganic solid electrolyte (for example, layered double hydroxide) deposited and grown in the pores so as to fill the pores of the porous material. It may be a body. Examples of the substance constituting the porous body include ceramics such as alumina and zirconia, and insulating substances such as a porous sheet made of a foamed resin or a fibrous substance.

無機固体電解質体は、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)の基本組成を有する層状複水酸化物(LDH)を含んでなるのが好ましく、より好ましくはそのようなLDHからなる。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記一般式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数ないし整数である。また、上記一般式においてM3+の一部または全部を4価またはそれ以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンAn−の係数x/nは適宜変更されてよい。 The inorganic solid electrolyte has a general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation and M 3+ is 3 the valence of the cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, the basic composition of m is 0 or higher) It preferably comprises a layered double hydroxide (LDH) having, more preferably, such LDH. In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Therefore, in the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is a real number or an integer of 0 or more, typically more than 0 or 1 or more. It is also possible to replace the part or all of the M 3+ in the general formula tetravalent or higher valency cation, in which case, the anion A n- coefficients x / n of the above general formula It may be changed as appropriate.

無機固体電解質体は水熱処理によって緻密化されたものであるのが好ましい。水熱処理は、層状複水酸化物、とりわけMg−Al型層状複水酸化物の一体緻密化に極めて有効である。水熱処理による緻密化は、例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)に記載されるように、耐圧容器に純水と板状の圧粉体を入れ、120〜250℃、好ましくは180〜250℃の温度、2〜24時間、好ましくは3〜10時間で行うことができる。もっとも、水熱処理を用いたより好ましい製造方法については後述するものとする。   The inorganic solid electrolyte is preferably densified by hydrothermal treatment. Hydrothermal treatment is extremely effective for the densification of layered double hydroxides, especially Mg—Al type layered double hydroxides. Densification by hydrothermal treatment is performed, for example, as described in Patent Document 1 (International Publication No. 2013/118561), in which pure water and a plate-like green compact are placed in a pressure vessel, and 120 to 250 ° C., preferably The reaction can be performed at a temperature of 180 to 250 ° C. for 2 to 24 hours, preferably 3 to 10 hours. However, a more preferable production method using hydrothermal treatment will be described later.

無機固体電解質体は、膜状又は層状のいずれかの形態であるのが好ましく、この場合、膜状又は層状の無機固体電解質体が多孔質基材上又はその中に形成されたものであるのが好ましい。特に、厚さが薄い膜状又は層状の形態であると亜鉛デンドライトの貫通を阻止するための必要最低限の堅さを確保しながらセパレータの抵抗を有意に低減できるとの利点がある。膜状又は層状の形態の場合には、厚さが100μm以下であるのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことでセパレータの低抵抗化を実現できる。厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ膜ないし層として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。   The inorganic solid electrolyte body is preferably in the form of a film or a layer. In this case, the inorganic solid electrolyte body in the form of a film or layer is formed on or in a porous substrate. Is preferred. In particular, the thin film-like or layered form has an advantage that the resistance of the separator can be significantly reduced while ensuring the minimum necessary rigidity for preventing the penetration of zinc dendrite. In the case of a film-like or layered form, the thickness is preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Thus, the resistance of the separator can be reduced by being thin. The lower limit of the thickness is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of rigidity desired as a separator film or layer, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more. is there.

正極及び/又は負極並びに多孔質基材はアルカリ電解液で含浸されるのが好ましい。電解液は、二次電池に採用可能ないかなるアルカリ電解液であってもよいが、アルカリ金属水酸化物水溶液であるのが好ましい。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。亜鉛二次電池の場合、亜鉛合金の自己溶解を抑制するために、電解液中に酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物を添加してもよい。前述のとおり、アルカリ電解液は正極及び/又は負極と混合させて正極合材及び/又は負極合材の形態で存在させてもよい。また、電解液の漏洩を防止するために電解液をゲル化してもよい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましく、ポリエチレンオキサイド,ポリビニルアルコール,ポリアクリルアミドなどのポリマーやデンプンが用いられる。   The positive electrode and / or negative electrode and the porous substrate are preferably impregnated with an alkaline electrolyte. The electrolytic solution may be any alkaline electrolytic solution that can be used in a secondary battery, but is preferably an aqueous alkali metal hydroxide solution. Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium hydroxide and the like, and potassium hydroxide is more preferable. In the case of a zinc secondary battery, a zinc compound such as zinc oxide or zinc hydroxide may be added to the electrolytic solution in order to suppress self-dissolution of the zinc alloy. As described above, the alkaline electrolyte may be mixed with the positive electrode and / or the negative electrode to be present in the form of a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture. Further, the electrolytic solution may be gelled in order to prevent leakage of the electrolytic solution. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that swells by absorbing the solvent of the electrolytic solution, and polymers such as polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, and polyacrylamide, and starch are used.

セパレータが層状複水酸化物(LDH)を含む場合、電解液にはAlを含む化合物が溶解されてなるのが好ましい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物水溶液にLDHを接触させた場合、LDHの典型的な構成元素であるAlが水溶液中に溶出して緻密膜の劣化を招くことがあるが、Alを含む化合物を電解液に添加しておくことでそのようなAlの溶出及びそれによる緻密膜の劣化を防止することができる。このAlは、何らかの形態で電解液に溶解されていればよく、典型的には、金属イオン、水酸化物及び/又はヒドロキシ錯体の形態で電解液に溶解されうる。例えば、Alが溶解される形態としては、Al3+、Al(OH)2+、Al(OH) 、Al(OH) 、Al(OH) 、Al(OH) 2−等が挙げられる。Alを含む金属化合物の好ましい例としては、水酸化アルミニウム、γアルミナ、αアルミナ、ベーマイト、ダイアスポア、ハイドロタルサイト、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは水酸化アルミニウム及び/又はγアルミナであり、最も好ましくは水酸化アルミニウムである。Alを含む化合物は電解液におけるAl濃度が0.001mol/L以上となるように添加するのが好ましく、より好ましくは0.01mol/L以上、さらに好ましくは0.1mol/L以上、特に好ましくは1.0mol/L以上、最も好ましくは2.0mol/L以上、3.0mol/L超、又は3.3mol/L以上である。電解液におけるAlの濃度の上限値は特に限定されず、Al化合物の飽和溶解度に達していてもよいが、例えば20mol/L以下又は10mol/L以下である。 When the separator contains a layered double hydroxide (LDH), it is preferable that a compound containing Al is dissolved in the electrolytic solution. When LDH is brought into contact with an alkali metal hydroxide aqueous solution such as an aqueous potassium hydroxide solution, Al, which is a typical constituent element of LDH, may elute into the aqueous solution, leading to deterioration of the dense film. By adding the compound to be contained in the electrolytic solution, it is possible to prevent such elution of Al and deterioration of the dense film caused thereby. The Al may be dissolved in the electrolytic solution in some form, and can typically be dissolved in the electrolytic solution in the form of a metal ion, a hydroxide and / or a hydroxy complex. For example, as the form in which Al is dissolved, Al 3+, Al (OH) 2+, Al (OH) 2 +, Al (OH) 3 0, Al (OH) 4 -, Al (OH) 5 2- etc. Can be mentioned. Preferable examples of the metal compound containing Al include aluminum hydroxide, γ alumina, α alumina, boehmite, diaspore, hydrotalcite, and any combination thereof, and more preferably aluminum hydroxide and / or γ alumina. And most preferably aluminum hydroxide. The compound containing Al is preferably added so that the Al concentration in the electrolytic solution is 0.001 mol / L or more, more preferably 0.01 mol / L or more, further preferably 0.1 mol / L or more, particularly preferably. 1.0 mol / L or more, most preferably 2.0 mol / L or more, more than 3.0 mol / L, or 3.3 mol / L or more. The upper limit of the concentration of Al in the electrolytic solution is not particularly limited, and may reach the saturation solubility of the Al compound, but is, for example, 20 mol / L or less or 10 mol / L or less.

多孔質基材、正極、負極、正極内部集電体、負極内部集電体、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ、及びアルカリ電解液は容器に収容されるのが好ましい。特に、本発明の二次電池においては柱状の多孔質基材は正極、負極、正極内部集電体、負極内部集電体、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ、及びアルカリ電解液を内部に備えているため、多孔質基材がそのまま容器に収容される構成とすればよい。これによりアルカリ電解液を確実に二次電池内に保持することができる。ただし、正極が空気極である場合には空気極に外部の空気が供給されうるように空気極用開口部を備えることが望まれるのはいうまでもない。また、正極外部集電体及び/又は負極外部集電体が容器の一部を構成してもよい。いずれにしても、少なくとも多孔質基材、正極(ただし空気極の場合を除く)、正極内部集電体(ただし空気極用の場合を除く)、負極、負極内部集電体、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ、及びアルカリ電解液は容器(或いは容器と外部集電体との複合部材)によって確実に密閉されるのが好ましい。したがって、容器は液密性及び気密性を有する構造を有するのが好ましい。容器は好ましくは樹脂製容器であり、樹脂製容器を構成する樹脂は水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物に対する耐性を有する樹脂であるのが好ましく、より好ましくはポリオレフィン樹脂、ABS樹脂、変性ポリフェニレンエーテルであり、さらに好ましくはABS樹脂もしくは変性ポリフェニレンエーテルである。容器にはセラミックスセパレータ及び/又は多孔質部材が市販の接着剤を用いて又は熱融着により固定されるのが好ましい。   The porous substrate, the positive electrode, the negative electrode, the positive electrode internal current collector, the negative electrode internal current collector, the hydroxide ion conductive ceramic separator, and the alkaline electrolyte are preferably housed in a container. In particular, in the secondary battery of the present invention, the columnar porous substrate includes a positive electrode, a negative electrode, a positive electrode internal current collector, a negative electrode internal current collector, a hydroxide ion conductive ceramic separator, and an alkaline electrolyte. Therefore, the porous substrate may be accommodated in the container as it is. As a result, the alkaline electrolyte can be reliably held in the secondary battery. However, when the positive electrode is an air electrode, it is needless to say that an air electrode opening is desired so that external air can be supplied to the air electrode. Further, the positive electrode external current collector and / or the negative electrode external current collector may constitute a part of the container. In any case, at least a porous substrate, a positive electrode (except for an air electrode), a positive electrode internal current collector (except for an air electrode), a negative electrode, a negative electrode internal current collector, hydroxide ion It is preferable that the conductive ceramic separator and the alkaline electrolyte be securely sealed by a container (or a composite member of the container and an external current collector). Therefore, the container preferably has a structure having liquid tightness and air tightness. The container is preferably a resin container, and the resin constituting the resin container is preferably a resin having resistance to an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide, more preferably a polyolefin resin, an ABS resin, or a modified polyphenylene. An ether, more preferably an ABS resin or a modified polyphenylene ether. It is preferable that a ceramic separator and / or a porous member be fixed to the container using a commercially available adhesive or by heat sealing.

ニッケル亜鉛二次電池
本発明の好ましい態様によれば、ニッケル亜鉛二次電池が提供される。そこで、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを多孔質基材とともに用いたニッケル亜鉛二次電池の基本構成について以下に説明する。なお、以下の説明は、説明の便宜のため、本発明のような複数のセル孔を有する形態ではなく、より簡素な単位電池に基づいて行うものとするが、以下に開示される基本構成は技術的整合性を損なわない範囲内で本発明の二次電池にも同様に当てはまるものである。図7に、ニッケル亜鉛二次電池の一例を模式的に示す。図7に示されるニッケル亜鉛二次電池は充電が行われる前の初期状態を示しており、放電末状態に相当する。もっとも、本態様のニッケル亜鉛二次電池は満充電状態で構成されてもよいのはいうまでもない。図7に示されるように、本態様によるニッケル亜鉛二次電池110は、正極112、正極電解液114、負極116、負極電解液118、及びセラミックスセパレータ120を容器122内に備えてなる。正極112は、水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含んでなる。正極電解液114はアルカリ金属水酸化物を含んでなるアルカリ電解液であり、正極112が浸漬される。負極116は亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含んでなる。負極電解液118はアルカリ金属水酸化物を含んでなるアルカリ電解液であり、負極116が浸漬される。容器122は、正極112、正極電解液114、負極116、及び負極電解液118を収容する。正極112及び正極電解液114は必ずしも分離している必要はなく、正極112と正極電解液114が混合された正極合材として構成されてもよい。同様に、負極116及び負極電解液118は必ずしも分離している必要はなく、負極116と負極電解液118が混合された負極合材として構成されてもよい。所望により、正極集電体113が正極112に接触して設けられる。また、所望により、負極集電体117が負極116に接触して設けられる。
Nickel-zinc secondary battery According to a preferred embodiment of the present invention, a nickel-zinc secondary battery is provided. Therefore, a basic configuration of a nickel zinc secondary battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator together with a porous substrate will be described below. For convenience of explanation, the following description is based on a simpler unit battery rather than a form having a plurality of cell holes as in the present invention, but the basic configuration disclosed below is The same applies to the secondary battery of the present invention as long as the technical consistency is not impaired. FIG. 7 schematically shows an example of a nickel zinc secondary battery. The nickel-zinc secondary battery shown in FIG. 7 shows an initial state before charging, and corresponds to an end-of-discharge state. However, it goes without saying that the nickel-zinc secondary battery of this embodiment may be configured in a fully charged state. As shown in FIG. 7, the nickel zinc secondary battery 110 according to this embodiment includes a positive electrode 112, a positive electrode electrolyte 114, a negative electrode 116, a negative electrode electrolyte 118, and a ceramic separator 120 in a container 122. The positive electrode 112 includes nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide. The positive electrode electrolyte 114 is an alkaline electrolyte containing an alkali metal hydroxide, and the positive electrode 112 is immersed therein. The negative electrode 116 includes zinc and / or zinc oxide. The negative electrode electrolyte 118 is an alkaline electrolyte containing an alkali metal hydroxide, and the negative electrode 116 is immersed therein. The container 122 accommodates the positive electrode 112, the positive electrode electrolyte 114, the negative electrode 116, and the negative electrode electrolyte 118. The positive electrode 112 and the positive electrode electrolyte 114 are not necessarily separated from each other, and may be configured as a positive electrode mixture in which the positive electrode 112 and the positive electrode electrolyte 114 are mixed. Similarly, the negative electrode 116 and the negative electrode electrolyte 118 are not necessarily separated from each other, and may be configured as a negative electrode mixture in which the negative electrode 116 and the negative electrode electrolyte 118 are mixed. If desired, a positive electrode current collector 113 is provided in contact with the positive electrode 112. Further, a negative electrode current collector 117 is provided in contact with the negative electrode 116 as desired.

セパレータ120は、容器122内に、正極112及び正極電解液114を収容する正極室124と、負極116及び負極電解液118を収容する負極室126とを区画するように設けられる。セパレータ120は水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しない。すなわち、セパレータ120が透水性を有しないということは、セパレータ120が水を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。このため、充電時に生成する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となっている。もっとも、図7に示されるようにセパレータ120に多孔質基材128が付設されてよいのはいうまでもない。いずれにしても、セパレータ120は水酸化物イオン伝導性を有するため、正極電解液114と負極電解液118との間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極室124及び負極室126における充放電反応を実現することができる。正極室124及び負極室126における充電時における反応は以下に示されるとおりであり、放電反応はその逆となる。
‐ 正極: Ni(OH)+OH→NiOOH+HO+e
‐ 負極: ZnO+HO+2e→Zn+2OH
The separator 120 is provided in the container 122 so as to partition a positive electrode chamber 124 that stores the positive electrode 112 and the positive electrode electrolyte 114 and a negative electrode chamber 126 that stores the negative electrode 116 and the negative electrode electrolyte 118. The separator 120 has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability. That is, the fact that the separator 120 does not have water permeability means that the separator 120 has a high degree of denseness that does not allow water to pass through, and is not a porous film or other porous material having water permeability. Means. For this reason, it has a very effective configuration for physically preventing penetration of the separator by zinc dendrite generated during charging and preventing a short circuit between the positive and negative electrodes. However, it goes without saying that a porous substrate 128 may be attached to the separator 120 as shown in FIG. In any case, since the separator 120 has hydroxide ion conductivity, it enables efficient transfer of necessary hydroxide ions between the positive electrode electrolyte 114 and the negative electrode electrolyte 118, and the positive electrode chamber 124 and the negative electrode. The charge / discharge reaction in the chamber 126 can be realized. The reaction during charging in the positive electrode chamber 124 and the negative electrode chamber 126 is as shown below, and the discharge reaction is reversed.
-Positive electrode: Ni (OH) 2 + OH → NiOOH + H 2 O + e
-Negative electrode: ZnO + H 2 O + 2e → Zn + 2OH

ただし、上記負極反応は以下の2つの反応で構成されるものである。
‐ ZnOの溶解反応: ZnO+HO+2OH→Zn(OH) 2−
‐ Znの析出反応: Zn(OH) 2−+2e→Zn+4OH
However, the negative electrode reaction is composed of the following two reactions.
-ZnO dissolution reaction: ZnO + H 2 O + 2OH → Zn (OH) 4 2−
-Zn precipitation reaction: Zn (OH) 4 2- + 2e → Zn + 4OH

ニッケル亜鉛二次電池110は、正極室124に充放電時の正極反応に伴う水分量の増減を許容する容積の正極側余剰空間125を有し、かつ、負極室126に充放電時の負極反応に伴う水分量の減増を許容する容積の負極側余剰空間127を有するのが好ましい。これにより正極室124及び負極室126における水分量の増減に伴う不具合(例えば、液漏れ、容器内圧の変化に伴う容器の変形等)を効果的に防止して、ニッケル亜鉛二次電池の信頼性を更に向上することができる。すなわち、上記反応式から分かるように、充電時には正極室124で水が増加する一方、負極室126で水が減少する。一方、放電時には正極室124で水が減少する一方、負極室126で水が増加する。この点、従来の殆どのセパレータは、透水性を有するものであるため、セパレータを介して水が自由に行き来できる。しかしながら、本態様に用いるセパレータ120は透水性を有しないという緻密性の高い構造を有するため、セパレータ120を介して水が自由に行き来できず、充放電に伴い正極室124内及び/又は負極室126内において電解液量が一方的に増大して液漏れ等の不具合を引き起こしうる。そこで、正極室124に充放電時の正極反応に伴う水分量の増減を許容する容積の正極側余剰空間125を有することで、図8に示されるように、充電時において正極電解液114の増加に対処可能なバッファとして機能させることができる。すなわち、図8に示されるように、満充電後においても正極側余剰空間125がバッファとして機能することで、増量した正極電解液114を溢れ出させることなく確実に正極室124内に保持することができる。同様に、負極室126に充放電時の負極反応に伴う水分量の減増を許容する容積の負極側余剰空間127を有することで、放電時に負極電解液118の増加に対処可能なバッファとして機能させることができる。   The nickel zinc secondary battery 110 has a positive electrode-side surplus space 125 having a volume that allows an increase or decrease in the amount of water accompanying the positive electrode reaction during charge / discharge in the positive electrode chamber 124, and the negative electrode reaction during charge / discharge in the negative electrode chamber 126. It is preferable to have a negative electrode-side surplus space 127 having a volume that allows a decrease in the amount of water accompanying the increase. This effectively prevents inconvenience (for example, liquid leakage, deformation of the container due to a change in the container internal pressure, etc.) associated with increase or decrease in the amount of water in the positive electrode chamber 124 and the negative electrode chamber 126, and the reliability of the nickel zinc secondary battery. Can be further improved. That is, as can be seen from the above reaction formula, during charging, water increases in the positive electrode chamber 124 while water decreases in the negative electrode chamber 126. On the other hand, during discharge, water decreases in the positive electrode chamber 124 while water increases in the negative electrode chamber 126. In this respect, since most conventional separators have water permeability, water can freely pass through the separators. However, since the separator 120 used in this embodiment has a highly dense structure that does not have water permeability, water cannot freely pass through the separator 120, and the charge chamber is charged and discharged, and / or in the negative electrode chamber 124 and / or the negative electrode chamber. In 126, the amount of the electrolyte may increase unilaterally and cause problems such as liquid leakage. In view of this, the positive electrode chamber 124 has a positive electrode side excess space 125 having a volume that allows an increase or decrease in the amount of water associated with the positive electrode reaction during charging and discharging, thereby increasing the positive electrode electrolyte 114 during charging as shown in FIG. It can be made to function as a buffer that can cope with this. That is, as shown in FIG. 8, the positive electrode side excess space 125 functions as a buffer even after full charge, so that the increased amount of the positive electrode electrolyte solution 114 is reliably held in the positive electrode chamber 124 without overflowing. Can do. Similarly, the negative electrode chamber 126 has a negative electrode-side surplus space 127 having a volume that allows a decrease in the amount of water accompanying a negative electrode reaction during charge / discharge, thereby functioning as a buffer that can cope with an increase in the negative electrode electrolyte 118 during discharge. Can be made.

正極室124及び負極室126における水分の増減量は、前述した反応式に基づいて算出することができる。前述した反応式から分かるように、充電時における正極112でのHOの生成量は、負極116におけるHOの消費量の2倍に相当する。したがって、正極側余剰空間125の容積を負極側余剰空間127よりも大きくしてもよい。いずれにしても、正極側余剰空間125の容積は、正極室124において見込まれる水分増加量のみならず、正極室124に予め存在している空気等のガスや過充電時に正極112より発生しうる酸素ガスをも適切な内圧で収容できるように若干ないしある程度余裕を持たせた容積とするのが好ましい。この点、負極側余剰空間127は、図7のように正極側余剰空間125と同程度の容積とすれば十分であるとはいえるが、放電末状態で電池を構成する際には充電に伴う水の減少量を超える余剰空間を設けておくことが望まれる。いずれにしても、負極側余剰空間127は正極室124内の半分程度の量しか水の増減がないため正極側余剰空間125よりも小さくしてもよい。 The increase / decrease amount of moisture in the positive electrode chamber 124 and the negative electrode chamber 126 can be calculated based on the above-described reaction formula. As can be seen from the reaction formula described above, the amount of H 2 O produced at the positive electrode 112 during charging corresponds to twice the amount of H 2 O consumed at the negative electrode 116. Therefore, the volume of the positive electrode side surplus space 125 may be larger than that of the negative electrode side surplus space 127. In any case, the volume of the positive-side surplus space 125 can be generated from the positive electrode 112 not only in the amount of water increase expected in the positive electrode chamber 124 but also in a gas such as air pre-existing in the positive electrode chamber 124 or overcharge. It is preferable that the volume has a slight or some margin so that oxygen gas can be accommodated at an appropriate internal pressure. In this regard, it can be said that it is sufficient that the negative-side surplus space 127 has the same volume as the positive-side surplus space 125 as shown in FIG. It is desirable to provide a surplus space that exceeds the amount of water reduction. In any case, the negative electrode-side surplus space 127 may be smaller than the positive electrode-side surplus space 125 because only about half of the amount in the positive electrode chamber 124 is increased or decreased.

ニッケル亜鉛二次電池110が放電末状態で構築される場合には、正極側余剰空間125が、充電時の正極反応に伴い増加することが見込まれる水分量を超える容積を有し、正極側余剰空間125には正極電解液114が予め充填されておらず、かつ、負極側余剰空間127が、充電時の負極反応に伴い減少することが見込まれる水分量を超える容積を有し、負極側余剰空間127には減少することが見込まれる量の負極電解液118が予め充填されているのが好ましい。一方、ニッケル亜鉛二次電池110が満充電状態で構築される場合には、正極側余剰空間125が、放電時の正極反応に伴い減少することが見込まれる水分量を超える容積を有し、正極側余剰空間125には減少することが見込まれる量の正極電解液114が予め充填されており、かつ、負極側余剰空間127が、放電時の負極反応に伴い増加することが見込まれる水分量を超える容積を有し、負極側余剰空間127には負極電解液118が予め充填されていないのが好ましい。   When the nickel zinc secondary battery 110 is constructed in a discharged state, the positive-side surplus space 125 has a volume that exceeds the amount of water expected to increase with the positive-electrode reaction during charging, and the positive-side surplus The space 125 is not filled with the positive electrode electrolyte 114 in advance, and the negative electrode side surplus space 127 has a volume exceeding the amount of moisture expected to decrease with the negative electrode reaction during charging, and the negative electrode side surplus The space 127 is preferably prefilled with an amount of the negative electrode electrolyte 118 that is expected to decrease. On the other hand, when the nickel-zinc secondary battery 110 is constructed in a fully charged state, the positive electrode side surplus space 125 has a volume exceeding the amount of water expected to decrease with the positive electrode reaction during discharge, The side excess space 125 is pre-filled with an amount of the positive electrode electrolyte 114 that is expected to decrease, and the negative side excess space 127 has a moisture amount that is expected to increase with the negative electrode reaction during discharge. It is preferable that the negative electrode side excess space 127 is not filled with the negative electrode electrolyte 118 in advance.

正極側余剰空間125には正極112が充填されておらず且つ/又は負極側余剰空間127には負極116が充填されていないのが好ましく、正極側余剰空間125及び負極側余剰空間127に正極112及び負極116がそれぞれ充填されていないのがより好ましい。これらの余剰空間においては充放電時に水分量の減少による電解液の枯渇が起こりうる。すなわち、これらの余剰空間に正極112や負極116が充填されていても充放電反応に十分に関与させることができないため、非効率となる。したがって、正極側余剰空間125及び負極側余剰空間127に正極112及び負極116をそれぞれ充填させないことで、正極112及び負極116を無駄無くより効率的且つ安定的に電池反応に関与させることができる。   The positive electrode side surplus space 125 is preferably not filled with the positive electrode 112 and / or the negative electrode side surplus space 127 is preferably not filled with the negative electrode 116, and the positive electrode side surplus space 125 and the negative electrode side surplus space 127 are filled with the positive electrode 112. More preferably, the negative electrode 116 and the negative electrode 116 are not filled. In these surplus spaces, electrolyte can be depleted due to a decrease in the amount of water during charging and discharging. That is, even if these surplus spaces are filled with the positive electrode 112 and the negative electrode 116, they cannot be fully involved in the charge / discharge reaction, which is inefficient. Accordingly, the positive electrode 112 and the negative electrode 116 can be more efficiently and stably involved in the battery reaction without waste by not filling the positive electrode side excessive space 125 and the negative electrode side excessive space 127 with the positive electrode 112 and the negative electrode 116, respectively.

セパレータ120は水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しない部材であり、典型的には板状、膜状又は層状の形態である。セパレータ120は、容器122内に設けられ、正極112及び正極電解液114を収容する正極室124と、負極116及び負極電解液118を収容する負極室126とを区画する。また、前述のとおり、正極112とセパレータ120の間及び/又は負極116とセパレータ120の間に不織布等の吸水性樹脂又は保液性樹脂製の第2のセパレータ(樹脂セパレータ)を配置して、電解液が減少した場合であっても電解液を正極及び/又は負極の反応部分に電解液を保持可能とする構成としてもよい。吸水性樹脂又は保液性樹脂の好ましい例としては、ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。   The separator 120 is a member having hydroxide ion conductivity but not water permeability, and typically has a plate shape, a film shape, or a layer shape. The separator 120 is provided in the container 122 and partitions the positive electrode chamber 124 that stores the positive electrode 112 and the positive electrode electrolyte 114 and the negative electrode chamber 126 that stores the negative electrode 116 and the negative electrode electrolyte 118. Further, as described above, a second separator (resin separator) made of a water-absorbing resin such as a nonwoven fabric or a liquid retaining resin is disposed between the positive electrode 112 and the separator 120 and / or between the negative electrode 116 and the separator 120, Even when the electrolyte is decreased, the electrolyte may be held in the reaction portion of the positive electrode and / or the negative electrode. Preferable examples of the water absorbent resin or the liquid retaining resin include polyolefin resins.

正極112は水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含んでなる。例えば、ニッケル亜鉛二次電池を図7に示されるような放電末状態で構成する場合には正極112として水酸化ニッケルを用いればよく、図8に示されるような満充電状態で構成する場合には正極112としてオキシ水酸化ニッケルを用いればよい。水酸化ニッケル及びオキシ水酸化ニッケル(以下、水酸化ニッケル等という)は、ニッケル亜鉛二次電池に一般的に用いられている正極活物質であり、典型的には粒子形態である。水酸化ニッケル等には、その結晶格子中にニッケル以外の異種元素が固溶されていてもよく、それにより高温下での充電効率の向上が図れる。このような異種元素の例としては、亜鉛及びコバルトが挙げられる。また、水酸化ニッケル等はコバルト系成分と混合されたものであってもよく、そのようなコバルト系成分の例としては、金属コバルトやコバルト酸化物(例えば一酸化コバルト)の粒状物が挙げられる。さらに、水酸化ニッケル等の粒子(異種元素が固溶されていてよい)の表面をコバルト化合物で被覆してもよく、そのようなコバルト化合物の例としては、一酸化コバルト、2価のα型水酸化コバルト、2価のβ型水酸化コバルト、2価を超える高次コバルトの化合物、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。   The positive electrode 112 includes nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide. For example, when a nickel zinc secondary battery is configured in a discharged state as shown in FIG. 7, nickel hydroxide may be used as the positive electrode 112, and when configured in a fully charged state as shown in FIG. May use nickel oxyhydroxide as the positive electrode 112. Nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide (hereinafter referred to as nickel hydroxide or the like) are positive electrode active materials generally used in nickel zinc secondary batteries and are typically in the form of particles. In nickel hydroxide or the like, different elements other than nickel may be dissolved in the crystal lattice, thereby improving the charging efficiency at high temperatures. Examples of such different elements include zinc and cobalt. In addition, nickel hydroxide or the like may be mixed with a cobalt-based component, and examples of such a cobalt-based component include granular materials of metallic cobalt and cobalt oxide (for example, cobalt monoxide). . Furthermore, the surface of particles such as nickel hydroxide (which may contain different elements in solid solution) may be coated with a cobalt compound. Examples of such cobalt compounds include cobalt monoxide, divalent α-type. Examples include cobalt hydroxide, divalent β-type cobalt hydroxide, compounds of higher-order cobalt exceeding 2 valences, and any combination thereof.

正極112は、水酸化ニッケル系化合物及びそれに固溶されうる異種元素以外にも、追加元素をさらに含んでいてもよい。そのような追加元素の例としては、スカンジウム(Sc)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルピウム(Er)、ツリウム(Tm)、ルテチウム(Lu)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)および水銀(Hg)、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。追加元素の含有形態は特に限定されず、金属単体又は金属化合物(例えば、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物及び炭酸化物)の形態で含まれていてよい。追加元素を含む金属単体又は金属化合物を添加する場合、その添加量は、水酸化ニッケル系化合物100重量部に対し、好ましくは0.5〜20重量部であり、より好ましくは2〜5重量部である。   The positive electrode 112 may further contain an additional element in addition to the nickel hydroxide compound and the different element that can be dissolved therein. Examples of such additional elements include scandium (Sc), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), Gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), elpium (Er), thulium (Tm), lutetium (Lu), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), Examples include rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au) and mercury (Hg), and any combination thereof. The inclusion form of the additional element is not particularly limited, and may be contained in the form of a simple metal or a metal compound (for example, oxide, hydroxide, halide, and carbonate). When adding a single metal or a metal compound containing an additional element, the addition amount is preferably 0.5 to 20 parts by weight, more preferably 2 to 5 parts by weight, with respect to 100 parts by weight of the nickel hydroxide compound. It is.

正極112は電解液等をさらに含むことにより正極合材として構成されてもよい。正極合剤は、水酸化ニッケル系化合物粒子、電解液、並びに所望により炭素粒子等の導電材やバインダー等を含んでなることができる。   The positive electrode 112 may be configured as a positive electrode mixture by further containing an electrolytic solution or the like. The positive electrode mixture can include nickel hydroxide compound particles, an electrolytic solution, and optionally a conductive material such as carbon particles, a binder, and the like.

正極112に接触して正極集電体113が設けられるのが好ましい。正極集電体113は図7に示されるように容器122を貫通してその外側にまで延在して正極端子をそれ自体で構成してもよいし、別途設けられた正極端子に容器122内又は外で接続される構成としてもよい。正極集電体113の好ましい例としては、発泡ニッケル板等のニッケル製多孔質基板が挙げられる。この場合、例えば、ニッケル製多孔質基板上に水酸化ニッケル等の電極活物質を含むペーストを均一に塗布して乾燥させることにより正極112/正極集電体113からなる正極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の正極板(すなわち正極112/正極集電体113)にプレス処理を施して、電極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。   A positive electrode current collector 113 is preferably provided in contact with the positive electrode 112. As shown in FIG. 7, the positive electrode current collector 113 may penetrate the container 122 and extend to the outside thereof to constitute the positive electrode terminal itself, or the positive electrode terminal provided separately in the container 122. Or it is good also as a structure connected outside. Preferable examples of the positive electrode current collector 113 include a nickel porous substrate such as a foamed nickel plate. In this case, for example, a positive electrode plate made of the positive electrode 112 / the positive electrode current collector 113 is preferably prepared by uniformly applying and drying a paste containing an electrode active material such as nickel hydroxide on a nickel porous substrate. Can do. At that time, it is also preferable to press the dried positive electrode plate (that is, positive electrode 112 / positive electrode current collector 113) to prevent the electrode active material from falling off and to improve the electrode density.

負極116は亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含んでなる。亜鉛は、負極に適した電気化学的活性を有するものであれば、亜鉛金属、亜鉛化合物及び亜鉛合金のいずれの形態で含まれていてもよい。負極材料の好ましい例としては、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛酸カルシウム等が挙げられるが、亜鉛金属及び酸化亜鉛の混合物がより好ましい。負極116はゲル状に構成してもよいし、電解液と混合して負極合材としてもよい。例えば、負極活物質に電解液及び増粘剤を添加することにより容易にゲル化した負極を得ることができる。増粘剤の例としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、CMC、アルギン酸等が挙げられるが、ポリアクリル酸が強アルカリに対する耐薬品性に優れているため好ましい。   The negative electrode 116 includes zinc and / or zinc oxide. Zinc may be contained in any form of zinc metal, zinc compound and zinc alloy as long as it has an electrochemical activity suitable for the negative electrode. Preferable examples of the negative electrode material include zinc oxide, zinc metal, calcium zincate and the like, and a mixture of zinc metal and zinc oxide is more preferable. The negative electrode 116 may be formed in a gel form, or may be mixed with an electrolytic solution to form a negative electrode mixture. For example, a gelled negative electrode can be easily obtained by adding an electrolytic solution and a thickener to the negative electrode active material. Examples of the thickener include polyvinyl alcohol, polyacrylate, CMC, alginic acid and the like. Polyacrylic acid is preferable because it has excellent chemical resistance to strong alkali.

亜鉛合金として、無汞化亜鉛合金として知られている水銀及び鉛を含まない亜鉛合金を用いることができる。例えば、インジウムを0.01〜0.06質量%、ビスマスを0.005〜0.02質量%、アルミニウムを0.0035〜0.015質量%を含む亜鉛合金が水素ガス発生の抑制効果があるので好ましい。とりわけ、インジウムやビスマスは放電性能を向上させる点で有利である。亜鉛合金の負極への使用は、アルカリ性電解液中での自己溶解速度を遅くすることで、水素ガス発生を抑制して安全性を向上できる。   As the zinc alloy, a zinc alloy containing no mercury and lead, which is known as a non-free zinc alloy, can be used. For example, a zinc alloy containing 0.01 to 0.06 mass% indium, 0.005 to 0.02 mass% bismuth, and 0.0035 to 0.015 mass% aluminum has an effect of suppressing hydrogen gas generation. Therefore, it is preferable. In particular, indium and bismuth are advantageous in improving the discharge performance. The use of the zinc alloy for the negative electrode can improve the safety by suppressing the generation of hydrogen gas by slowing the self-dissolution rate in the alkaline electrolyte.

負極材料の形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましく、それにより表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。好ましい負極材料の平均粒径は、亜鉛合金の場合、90〜210μmの範囲であり、この範囲内であると表面積が大きいことから大電流放電への対応に適するとともに、電解液及びゲル化剤と均一に混合しやすく、電池組み立て時の取り扱い性も良い。   The shape of the negative electrode material is not particularly limited, but it is preferably a powder form, which increases the surface area and can cope with a large current discharge. In the case of a zinc alloy, the preferable average particle size of the negative electrode material is in the range of 90 to 210 μm. Easy to mix evenly and easy to handle during battery assembly.

負極116に接触して負極集電体117が設けられるのが好ましい。負極集電体117は図7に示されるように容器122を貫通してその外側にまで延在して負極端子をそれ自体で構成してもよいし、別途設けられた負極端子に容器122内又は外で接続される構成としてもよい。負極集電体117の好ましい例としては、銅パンチングメタルが挙げられる。この場合、例えば、銅パンチングメタル上に、酸化亜鉛粉末及び/又は亜鉛粉末、並びに所望によりバインダー(例えばポリテトラフルオロエチレン粒子)を含んでなる混合物を塗布して負極116/負極集電体117からなる負極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の負極板(すなわち負極116/負極集電体117)にプレス処理を施して、電極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。   A negative electrode current collector 117 is preferably provided in contact with the negative electrode 116. As shown in FIG. 7, the negative electrode current collector 117 may penetrate the container 122 and extend to the outside thereof to constitute the negative electrode terminal itself, or the negative electrode terminal provided separately may be provided in the container 122. Or it is good also as a structure connected outside. A preferred example of the negative electrode current collector 117 is copper punching metal. In this case, for example, a mixture containing zinc oxide powder and / or zinc powder and, optionally, a binder (for example, polytetrafluoroethylene particles) is applied on copper punching metal, and the negative electrode 116 / negative electrode current collector 117 is applied. A negative electrode plate can be preferably produced. At that time, it is also preferable to press the dried negative electrode plate (that is, negative electrode 116 / negative electrode current collector 117) to prevent the electrode active material from falling off and to improve the electrode density.

亜鉛空気二次電池
本発明の別の好ましい態様によれば、亜鉛空気二次電池が提供される。本発明の好ましい態様によれば、亜鉛空気二次電池が提供される。そこで、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを多孔質基材とともに用いた亜鉛空気二次電池の基本構成について以下に説明する。なお、以下の説明は、説明の便宜のため、本発明のような複数のセル孔を有する形態ではなく、より簡素な単位電池に基づいて行うものとするが、以下に開示される基本構成は技術的整合性を損なわない範囲内で本発明の二次電池にも同様に当てはまるものである。図9A及び9Bに、亜鉛空気二次電池の一例を模式的に示す。図9A及び9Bに示されるように、本態様による亜鉛空気二次電池130は、空気極132、負極134、アルカリ電解液136、セラミックスセパレータ140、容器146、及び所望により第三電極138を備えてなる。空気極132は正極として機能する。負極134は亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含んでなる。電解液136は、負極134が浸漬される水系電解液である。容器146は、開口部146aを有し、負極134、電解液136及び第三電極138を収容する。セパレータ140は開口部146aを電解液136と接触可能に塞いで容器146と負極側密閉空間を形成し、それにより空気極132と電解液136を水酸化物イオン伝導可能に隔離する。所望により、正極集電体142が空気極132に接触して設けられてよい。また、所望により、負極集電体144が負極134に接触して設けられてよく、その場合、負極集電体144も容器146内に収容されうる。
Zinc Air Secondary Battery According to another preferred embodiment of the present invention, a zinc air secondary battery is provided. According to a preferred embodiment of the present invention, a zinc-air secondary battery is provided. Therefore, a basic configuration of a zinc-air secondary battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator together with a porous substrate will be described below. For convenience of explanation, the following description is based on a simpler unit battery rather than a form having a plurality of cell holes as in the present invention, but the basic configuration disclosed below is The same applies to the secondary battery of the present invention as long as the technical consistency is not impaired. 9A and 9B schematically show an example of a zinc-air secondary battery. As shown in FIGS. 9A and 9B, the zinc-air secondary battery 130 according to this embodiment includes an air electrode 132, a negative electrode 134, an alkaline electrolyte 136, a ceramic separator 140, a container 146, and, if desired, a third electrode 138. Become. The air electrode 132 functions as a positive electrode. The negative electrode 134 includes zinc, a zinc alloy, and / or a zinc compound. The electrolytic solution 136 is an aqueous electrolytic solution in which the negative electrode 134 is immersed. The container 146 has an opening 146 a and accommodates the negative electrode 134, the electrolytic solution 136, and the third electrode 138. The separator 140 closes the opening 146a so as to be in contact with the electrolyte solution 136 to form a container 146 and a negative electrode side sealed space, thereby isolating the air electrode 132 and the electrolyte solution 136 so that hydroxide ions can be conducted. If desired, a positive electrode current collector 142 may be provided in contact with the air electrode 132. Further, if desired, the negative electrode current collector 144 may be provided in contact with the negative electrode 134, and in that case, the negative electrode current collector 144 can also be accommodated in the container 146.

セパレータ140は、前述したとおり、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性及び通気性を有しない部材であるのが好ましく、典型的には板状、膜状又は層状の形態である。セパレータ140が開口部146aを電解液136と接触可能に塞いで容器146と負極側密閉空間を形成することで、空気極132と電解液136を水酸化物イオン伝導可能に隔離する。セパレータ140の片面又は両面、好ましくは片面(電解液側)に多孔質基材148を設けてもよい。また、負極134とセパレータ140の間に不織布等の吸水性樹脂又は保液性樹脂製の保水部材を配置して、電解液136が減少した場合であっても電解液136を負極134及びセパレータ140に常時接触可能に保持する構成としてもよい。この保水部材は前述した第三電極138用の保水部材を兼ねたものであってもよいし、セパレータ140用の保水部材を別途用いてもよい。保水部材として市販の電池用セパレータも使用可能である。吸水性樹脂又は保液性樹脂の好ましい例としては、ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。   As described above, the separator 140 is preferably a member having hydroxide ion conductivity but not water permeability and air permeability, and typically has a plate shape, a film shape, or a layer shape. The separator 140 closes the opening 146a so as to be in contact with the electrolytic solution 136 to form the container 146 and the negative electrode side sealed space, thereby isolating the air electrode 132 and the electrolytic solution 136 so that hydroxide ions can be conducted. A porous substrate 148 may be provided on one side or both sides of the separator 140, preferably on one side (electrolyte side). Further, a water retention member made of a water-absorbing resin such as a nonwoven fabric or a liquid retention resin is disposed between the negative electrode 134 and the separator 140, so that even if the electrolyte solution 136 decreases, the electrolyte solution 136 is replaced with the negative electrode 134 and the separator 140. It is good also as a structure hold | maintained so that contact is always possible. This water retaining member may also serve as the water retaining member for the third electrode 138 described above, or a water retaining member for the separator 140 may be used separately. A commercially available battery separator can also be used as the water retaining member. Preferable examples of the water absorbent resin or the liquid retaining resin include polyolefin resins.

空気極132は、亜鉛空気電池等の金属空気電池に使用される公知の空気極であってよく特に限定されない。空気極132は、空気極触媒、電子伝導性材料、及び所望により水酸化物イオン伝導性材料を含んでなるのが典型的である。もっとも、電子伝導性材料としても機能する空気極触媒を用いる場合には、空気極132は、そのような電子伝導性材料兼空気極触媒、及び所望により水酸化物イオン伝導性材料を含んでなるものであってもよい。   The air electrode 132 may be a known air electrode used in a metal-air battery such as a zinc-air battery, and is not particularly limited. The air electrode 132 typically comprises an air electrode catalyst, an electronically conductive material, and optionally a hydroxide ion conductive material. However, when an air electrode catalyst that also functions as an electron conductive material is used, the air electrode 132 includes such an electron conductive material / air electrode catalyst, and, optionally, a hydroxide ion conductive material. It may be a thing.

空気極触媒は、金属空気電池における正極として機能するものであれば特に限定されず、酸素を正極活物質として利用可能な種々の空気極触媒が使用可能である。空気極触媒の好ましい例としては、黒鉛等の酸化還元触媒機能を有するカーボン系材料、白金、ニッケル等の酸化還元触媒機能を有する金属、ペロブスカイト型酸化物、二酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト、スピネル酸化物等の酸化還元触媒機能を有する無機酸化物が挙げられる。空気極触媒の形状は特に限定されないが、粒子形状であるのが好ましい。空気極132における空気極触媒の含有量は特に限定されないが、空気極132の合計量に対して、5〜70体積%が好ましく、より好ましくは5〜60体積%、さらに好ましくは5〜50体積%である。   The air electrode catalyst is not particularly limited as long as it functions as a positive electrode in a metal-air battery, and various air electrode catalysts that can use oxygen as a positive electrode active material can be used. Preferred examples of the air electrode catalyst include carbon-based materials having a redox catalyst function such as graphite, metals having a redox catalyst function such as platinum and nickel, perovskite oxides, manganese dioxide, nickel oxide, cobalt oxide, spinel. Examples thereof include inorganic oxides having a redox catalyst function such as oxides. The shape of the air electrode catalyst is not particularly limited, but is preferably a particle shape. Although content of the air electrode catalyst in the air electrode 132 is not specifically limited, 5-70 volume% is preferable with respect to the total amount of the air electrode 132, More preferably, it is 5-60 volume%, More preferably, it is 5-50 volume. %.

電子伝導性材料は、導電性を有し、空気極触媒とセパレータ140(又は該当する場合には後述する中間層)との間で電子伝導を可能とするものであれば特に限定されない。電子伝導性材料の好ましい例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、鱗片状黒鉛のような天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等のグラファイト類、炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維類、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末類、ポリフェニレン誘導体等の有機電子伝導性材料、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。電子伝導性材料の形状は、粒子形状であってもよいし、その他の形状であってもよいが、空気極132において厚さ方向に連続した相(即ち電子伝導相)をもたらす形態で用いられるのが好ましい。例えば、電子伝導性材料は、多孔質材料であってもよい。また、電子伝導性材料は空気極触媒との混合物ないし複合体の形態(例えば白金担持カーボン)であってもよく、前述したように電子伝導性材料としても機能する空気極触媒(例えば遷移金属を含有するペロブスカイト型化合物)であってもよい。空気極132における電子伝導性材料の含有量は特に限定されないが、空気極132の合計量に対して、10〜80体積%が好ましく、より好ましくは15〜80体積%、さらに好ましくは20〜80体積%である。   The electron conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity and enables electron conduction between the air electrode catalyst and the separator 140 (or an intermediate layer to be described later if applicable). Preferred examples of the electron conductive material include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, natural graphite such as flake graphite, artificial graphite, and expanded graphite. Examples thereof include conductive fibers such as graphites, carbon fibers, and metal fibers, metal powders such as copper, silver, nickel, and aluminum, organic electron conductive materials such as polyphenylene derivatives, and any mixture thereof. The shape of the electron conductive material may be a particle shape or any other shape, but is used in a form that provides a continuous phase (that is, an electron conductive phase) in the thickness direction in the air electrode 132. Is preferred. For example, the electron conductive material may be a porous material. The electron conductive material may be in the form of a mixture or complex with an air electrode catalyst (for example, platinum-supported carbon). As described above, an air electrode catalyst (for example, a transition metal) that also functions as an electron conductive material. Perovskite-type compounds). Although content of the electron conductive material in the air electrode 132 is not specifically limited, 10-80 volume% is preferable with respect to the total amount of the air electrode 132, More preferably, it is 15-80 volume%, More preferably, it is 20-80. % By volume.

空気極132は、水酸化物イオン伝導性材料を任意成分としてさらに含んでいてもよい。特にセパレータ140が緻密質セラミックスである水酸化物イオン伝導性無機固体電解質からなる場合、そのようなセパレータ140上に(所望により水酸化物イオン伝導性を有する中間層を介在させて)、従来から使用される空気極触媒及び電子伝導性材料のみならず、水酸化物イオン伝導性材料をも含有させた空気極132を形成することで、緻密質セラミックス製のセパレータ140による所望の特性を確保しながら、金属空気電池において空気極の反応抵抗を低減することが可能となる。すなわち、空気極触媒及び電子伝導性材料のみならず、水酸化物イオン伝導性材料をも空気極132中に含有させることで、電子伝導相(電子伝導性材料)と、気相(空気)とからなる三相界面がセパレータ140(又は該当する場合には中間層)と空気極132の界面のみならず空気極132中にも存在することになり、電池反応に寄与する水酸化物イオンの授受がより広い表面積で効果的に行われることになる結果、金属空気電池において空気極の反応抵抗が低減されるものと考えられる。水酸化物イオン伝導性材料は、水酸化物イオンを透過可能な材料であれば特に限定されず、無機材料及び有機材料を問わず、各種の材質及び形態の材料が使用可能であり、前述した基本組成の層状複水酸化物であってもよい。水酸化物イオン伝導性材料は、粒子形態に限らず、空気極触媒及び電子伝導性材料を部分的に又は概ね全体的に被覆するような塗布膜の形態であってもよい。もっとも、この塗布膜の形態においても、イオン伝導性材料は緻密質ではなく、開気孔を有しており、空気極132の外側表面からセパレータ140(又は該当する場合には中間層)との界面に向かって、OやHOが気孔中を拡散できるように構成されるのが望ましい。空気極132における水酸化物イオン伝導性材料の含有量は特に限定されないが、空気極132の合計量に対して、0〜95体積%が好ましく、より好ましくは5〜85体積%、さらに好ましくは10〜80体積%である。 The air electrode 132 may further include a hydroxide ion conductive material as an optional component. In particular, when the separator 140 is made of a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte, which is a dense ceramic, on the separator 140 (with an intermediate layer having hydroxide ion conductivity if desired), conventionally. By forming the air electrode 132 containing not only the air electrode catalyst and the electron conductive material used but also the hydroxide ion conductive material, the desired characteristics by the separator 140 made of dense ceramics can be secured. However, it is possible to reduce the reaction resistance of the air electrode in the metal-air battery. That is, not only the air electrode catalyst and the electron conductive material but also the hydroxide ion conductive material is contained in the air electrode 132, so that the electron conductive phase (electron conductive material), the gas phase (air), The three-phase interface consisting of is present not only in the interface between the separator 140 (or the intermediate layer, if applicable) and the air electrode 132 but also in the air electrode 132, and exchanges hydroxide ions that contribute to the battery reaction. As a result, the reaction resistance of the air electrode is considered to be reduced in the metal-air battery. The hydroxide ion conductive material is not particularly limited as long as it is a material that can transmit hydroxide ions, and various materials and forms of materials can be used regardless of whether the material is an inorganic material or an organic material. It may be a layered double hydroxide having a basic composition. The hydroxide ion conductive material is not limited to the particle form, but may be in the form of a coating film that partially or substantially entirely covers the air electrode catalyst and the electron conductive material. However, even in the form of this coating film, the ion conductive material is not dense and has open pores, and the interface from the outer surface of the air electrode 132 to the separator 140 (or intermediate layer if applicable). It is desirable that O 2 or H 2 O can be diffused in the pores. The content of the hydroxide ion conductive material in the air electrode 132 is not particularly limited, but is preferably 0 to 95% by volume, more preferably 5 to 85% by volume, and still more preferably based on the total amount of the air electrode 132. 10 to 80% by volume.

空気極132の形成はあらゆる手法で行われてよく、特に限定されない。例えば、空気極触媒、電子伝導性材料、及び所望により水酸化物イオン伝導性材料をエタノール等の溶媒を用いて湿式混合して乾燥及び解砕した後、バインダーと混合してフィブリル化し、得られたフィブリル状混合物を集電体に圧着して空気極132を形成し、この空気極132/集電体の積層シートの空気極132側をセパレータ140(又は該当する場合には中間層)に圧着してもよい。あるいは、空気極触媒、電子伝導性材料、及び所望により水酸化物イオン伝導性材料をエタノール等の溶媒と共に湿式混合してスラリー化し、このスラリーを中間層に塗布して乾燥させて空気極132を形成してもよい。したがって、空気極132はバインダーを含んでいてもよい。バインダーは、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であってよく特に限定されない。   The formation of the air electrode 132 may be performed by any method and is not particularly limited. For example, an air electrode catalyst, an electron conductive material, and optionally a hydroxide ion conductive material are wet-mixed using a solvent such as ethanol, dried and crushed, and then mixed with a binder to obtain a fibril. The fibrillar mixture is pressure-bonded to the current collector to form the air electrode 132, and the air electrode 132 / the air electrode 132 side of the laminated sheet of the current collector is pressure-bonded to the separator 140 (or an intermediate layer if applicable). May be. Alternatively, an air electrode catalyst, an electron conductive material, and optionally a hydroxide ion conductive material are wet mixed with a solvent such as ethanol to form a slurry, and this slurry is applied to an intermediate layer and dried to form the air electrode 132. It may be formed. Therefore, the air electrode 132 may contain a binder. The binder may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin and is not particularly limited.

空気極132は5〜200μmの厚さを有する層状の形態であるのが好ましく、より好ましくは5〜100μmであり、さらに好ましくは5〜50μm、特に好ましくは5〜30μmである。例えば、水酸化物イオン伝導性材料を含む場合、上記範囲内の厚さであると、ガス拡散抵抗の増大を抑えながら三相界面の面積を比較的大きく確保することができ、空気極の反応抵抗の低減をより好ましく実現することができる。   The air electrode 132 is preferably in the form of a layer having a thickness of 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm, still more preferably 5 to 50 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. For example, when a hydroxide ion conductive material is included, if the thickness is within the above range, a relatively large area of the three-phase interface can be secured while suppressing an increase in gas diffusion resistance, and the reaction of the air electrode Reduction of resistance can be realized more preferably.

空気極132のセパレータ140と反対側に、通気性を有する正極集電体142が設けられるのが好ましい。この場合、正極集電体142は空気極132に空気が供給されるように通気性を有するのが好ましい。正極集電体142の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等の金属板若しくは金属メッシュ、カーボンペーパー、カーボンクロス、及び電子伝導性酸化物等が挙げられ、耐食性及び通気性の点でステンレス金網が特に好ましい。   A positive electrode current collector 142 having air permeability is preferably provided on the side of the air electrode 132 opposite to the separator 140. In this case, the positive electrode current collector 142 preferably has air permeability so that air is supplied to the air electrode 132. Preferable examples of the positive electrode current collector 142 include metal plates or metal meshes such as stainless steel, copper, and nickel, carbon paper, carbon cloth, and electron conductive oxide. Stainless steel is used in terms of corrosion resistance and air permeability. A wire mesh is particularly preferred.

セパレータ140及び空気極132の間には中間層が設けられてもよい。中間層はセパレータ140と空気極132の密着性を向上し、かつ、水酸化物イオン伝導性を有するものであれば特に限定されず、有機材料及び無機材料を問わず、公知各種の組成及び構成の層であることができる。中間層は高分子材料及び/又はセラミックス材料を含んでなるのが好ましく、この場合、中間層に含まれる高分子材料及びセラミックス材料の少なくともいずれか一方が水酸化物イオン伝導性を有していればよい。中間層は複数設けられてもよく、これら複数の中間層は互いに同種の及び/又は異なる層であってよい。すなわち、中間層は単層構成であってもよいし、2層以上の構成であってもよい。中間層は1〜200μmの厚さを有するのが好ましく、より好ましくは1〜100μmであり、さらに好ましくは1〜50μm、特に好ましくは1〜30μmである。このような厚さであると、セパレータ140と空気極132の密着性を向上しやすく、亜鉛空気二次電池において電池抵抗(特に空気極及びセパレータ間の界面抵抗)をより効果的に低減することができる。   An intermediate layer may be provided between the separator 140 and the air electrode 132. The intermediate layer is not particularly limited as long as it improves the adhesion between the separator 140 and the air electrode 132 and has hydroxide ion conductivity, regardless of whether it is an organic material or an inorganic material. Layer. The intermediate layer preferably includes a polymer material and / or a ceramic material. In this case, at least one of the polymer material and the ceramic material included in the intermediate layer may have hydroxide ion conductivity. That's fine. A plurality of intermediate layers may be provided, and the plurality of intermediate layers may be the same type and / or different layers. That is, the intermediate layer may have a single layer structure or a structure having two or more layers. The intermediate layer preferably has a thickness of 1 to 200 μm, more preferably 1 to 100 μm, still more preferably 1 to 50 μm, and particularly preferably 1 to 30 μm. With such a thickness, it is easy to improve the adhesion between the separator 140 and the air electrode 132, and the battery resistance (particularly, the interface resistance between the air electrode and the separator) is more effectively reduced in the zinc-air secondary battery. Can do.

負極134は、負極活物質として機能する亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含んでなる。負極134は、粒子状、板状、ゲル状等のいかなる形状又は形態であってもよいが、粒子状またはゲル状とするのが反応速度の点で好ましい。粒子状の負極としては、30〜350μmの粒径のものを好ましく用いることができる。ゲル状の負極としては、100〜300μmの粒径の無汞化亜鉛合金粉、アルカリ電解液及び増粘剤(ゲル化剤)を混合攪拌してゲル状に形成したものを好ましく用いることができる。亜鉛合金は、マグネシウム、アルミニウム、リチウム、ビスマス、インジウム、鉛等の汞化又は無汞化の合金であることができ、負極活物質として所望の性能を確保できる限り、その含有量は特に限定されない。好ましい亜鉛合金は、無水銀かつ鉛無添加の無汞化亜鉛合金であり、アルミニウム、ビスマス、インジウム又はこれらの組合せを含むものがより好ましい。さらに好ましくは、ビスマスを50〜1000ppm、インジウムを100〜1000ppmで、アルミニウム及び/又はカルシウムを10〜100ppm含む無汞化亜鉛合金であり、特に好ましくはビスマスを100〜500ppm、インジウムを300〜700ppm、アルミニウム及び/又はカルシウムを20〜50ppm含む。好ましい亜鉛化合物の例としては酸化亜鉛が挙げられる。   The negative electrode 134 includes zinc, a zinc alloy, and / or a zinc compound that functions as a negative electrode active material. The negative electrode 134 may have any shape or form such as a particle shape, a plate shape, or a gel shape, but it is preferable that the negative electrode 134 be a particle shape or a gel shape from the viewpoint of reaction rate. As the particulate negative electrode, those having a particle diameter of 30 to 350 μm can be preferably used. As the gelled negative electrode, a gelled negative electrode alloy having a particle size of 100 to 300 μm, an alkaline electrolyte and a thickener (gelling agent) mixed and stirred to form a gel can be preferably used. . The zinc alloy can be a hatched or non-hatched alloy such as magnesium, aluminum, lithium, bismuth, indium, lead, etc., and its content is not particularly limited as long as desired performance can be secured as a negative electrode active material. . Preferred zinc alloys are anhydrous silver and lead-free zinc-free zinc alloys, more preferably those containing aluminum, bismuth, indium or combinations thereof. More preferably, a zinc-free zinc alloy containing 50 to 1000 ppm of bismuth, 100 to 1000 ppm of indium and 10 to 100 ppm of aluminum and / or calcium, particularly preferably 100 to 500 ppm of bismuth, 300 to 700 ppm of indium, Contains 20 to 50 ppm of aluminum and / or calcium. Examples of preferred zinc compounds include zinc oxide.

負極134に接触して負極集電体144が設けられるのが好ましい。負極集電体144は図9A及び9Bに示されるように容器146を貫通してその外側にまで延在して負極端子をそれ自体で構成してもよいし、別途設けられた負極端子に容器146内又は外で接続される構成としてもよい。負極集電体の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅(例えば銅パンチングメタル)、ニッケル等の金属板若しくは金属メッシュ、カーボンペーパー、及び酸化物導電体等が挙げられる。例えば、銅パンチングメタル上に、酸化亜鉛粉末及び/又は亜鉛粉末、並びに所望によりバインダー(例えばポリテトラフルオロエチレン粒子)を含んでなる混合物を塗布して負極134/負極集電体144からなる負極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の負極板(すなわち負極134/負極集電体144)にプレス処理を施して、電極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。   A negative electrode current collector 144 is preferably provided in contact with the negative electrode 134. As shown in FIGS. 9A and 9B, the negative electrode current collector 144 may extend through the container 146 to the outside thereof to form the negative electrode terminal itself, or the negative electrode terminal provided separately may It is good also as a structure connected in 146 inside or outside. Preferable examples of the negative electrode current collector include a metal plate or metal mesh such as stainless steel, copper (for example, copper punching metal), nickel, carbon paper, and an oxide conductor. For example, a negative electrode plate composed of a negative electrode 134 / a negative electrode current collector 144 by applying a mixture containing zinc oxide powder and / or zinc powder and optionally a binder (for example, polytetrafluoroethylene particles) on copper punching metal. Can be preferably produced. At that time, it is also preferable to press the dried negative electrode plate (that is, the negative electrode 134 / negative electrode current collector 144) to prevent the electrode active material from falling off and to improve the electrode density.

所望により、第三電極138が、電解液136と接触するが負極134と接触しないように設けられてもよく、この場合、外部回路を経て空気極132と接続される。かかる構成とすることで、負極134から副反応により発生しうる水素ガスを第三電極138に接触させて以下の反応:
第三電極: H+2OH→2HO+2e
正極放電: O+2HO+4e→4OH
により水に戻すことができる。別の表現をすれば、負極134で発生した水素ガスが第三電極138で吸収され自己放電をすることになる。これにより、水素ガスの発生による負極側密閉空間における内圧の上昇及びそれに伴う不具合を抑制又は回避できるとともに、(放電反応に伴い上記反応式に従い減少することになる)水を発生させて負極側密閉空間内での水不足を抑制又は回避することができる。すなわち、負極から発生した水素ガスを負極側密閉空間内で水に戻して再利用することができる。その結果、亜鉛デンドライトによる短絡及び二酸化炭素の混入の両方を防止するのに極めて効果的な構成を有しながら、水素ガス発生の問題にも対処可能な、信頼性の高い亜鉛空気二次電池を提供することができる。
If desired, the third electrode 138 may be provided so as to contact the electrolyte solution 136 but not to contact the negative electrode 134. In this case, the third electrode 138 is connected to the air electrode 132 via an external circuit. With such a configuration, hydrogen gas that can be generated by a side reaction from the negative electrode 134 is brought into contact with the third electrode 138 and the following reaction is performed:
Third electrode: H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e
Positive electrode discharge: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Can be returned to the water. In other words, hydrogen gas generated at the negative electrode 134 is absorbed by the third electrode 138 and self-discharge occurs. As a result, an increase in internal pressure in the negative electrode-side sealed space due to the generation of hydrogen gas and the accompanying problems can be suppressed or avoided, and water (which will be reduced according to the above reaction formula along with the discharge reaction) is generated and the negative electrode-side sealed Water shortage in the space can be suppressed or avoided. That is, the hydrogen gas generated from the negative electrode can be recycled by returning it to water in the negative electrode-side sealed space. As a result, a highly reliable zinc-air secondary battery that can cope with the problem of hydrogen gas generation while having a configuration that is extremely effective in preventing both short-circuiting due to zinc dendrite and carbon dioxide contamination. Can be provided.

第三電極138は、外部回路を経て空気極132と接続されることで、上述したような反応により水素ガス(H)を水(HO)に変換可能な電極であれば特に限定されないが、空気極132よりも酸素過電圧が大きいことが望まれる。また、第三電極138は通常の充放電反応に関与しないことも望まれる。第三電極138は、白金及び/又は炭素材料を含んでなるのが好ましく、より好ましくは炭素材料を含んでなる。炭素材料の好ましい例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、活性炭、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。第三電極138の形状は特に限定されないが、比表面積が大きくなるような形状(例えばメッシュ状や粒子状)とするのが好ましい。第三電極138(好ましくは比表面積の大きい形状の第三電極)は集電体上に塗工及び/又は配置されるのがより好ましい。第三電極138用の集電体はいかなる形状であってもよいが、好ましい例としては、線材(例えばワイヤ)、パンチングメタル、メッシュ、発泡金属、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。第三電極138用集電体の材質としては第三電極138の材質と同様の材質であってもよいし、金属(例えばニッケル)、合金又はその他の導電性材料であってもよい。 The third electrode 138 is not particularly limited as long as it is an electrode capable of converting hydrogen gas (H 2 ) into water (H 2 O) by the reaction as described above by being connected to the air electrode 132 through an external circuit. However, it is desirable that the oxygen overvoltage is larger than that of the air electrode 132. It is also desirable that the third electrode 138 does not participate in normal charge / discharge reactions. The third electrode 138 preferably comprises platinum and / or a carbon material, and more preferably comprises a carbon material. Preferable examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, hard carbon, soft carbon, carbon fiber, carbon nanotube, graphene, activated carbon, and any combination thereof. Although the shape of the 3rd electrode 138 is not specifically limited, It is preferable to set it as the shape (for example, mesh shape or particle shape) that a specific surface area becomes large. The third electrode 138 (preferably the third electrode having a large specific surface area) is more preferably applied and / or disposed on the current collector. The current collector for the third electrode 138 may have any shape, but preferred examples include wire (eg, wire), punching metal, mesh, foam metal, and any combination thereof. The material of the current collector for the third electrode 138 may be the same material as that of the third electrode 138, or may be a metal (for example, nickel), an alloy, or other conductive material.

第三電極138は電解液136と接触するが、通常の充放電反応と直接関係の無い場所に配置されることが望ましい。この場合、負極側密閉空間内に第三電極138と接触可能に不織布等の吸水性樹脂又は保液性樹脂製の保水部材を配置して、電解液が減少した場合であっても電解液136を第三電極138と常時接触可能に保持する構成とするのが好ましい。保水部材として市販の電池用セパレータも使用可能である。吸水性樹脂又は保液性樹脂の好ましい例としては、ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。第三電極138は、必ずしも多量の電解液136で含浸されている必要はなく、少量ないし微量の電解液136で湿っている程度でも所望の機能を発揮することができるので、その程度の保水性能を保水部材が有していればよい。   The third electrode 138 is in contact with the electrolytic solution 136, but it is desirable that the third electrode 138 be disposed at a place not directly related to the normal charge / discharge reaction. In this case, even when the electrolyte solution is reduced by disposing a water-holding member made of a water-absorbing resin such as a nonwoven fabric or a liquid-retaining resin so as to be in contact with the third electrode 138 in the negative electrode side sealed space, the electrolytic solution 136 is reduced. Is preferably configured to be held in contact with the third electrode 138 at all times. A commercially available battery separator can also be used as the water retaining member. Preferable examples of the water absorbent resin or the liquid retaining resin include polyolefin resins. The third electrode 138 does not necessarily need to be impregnated with a large amount of electrolytic solution 136, and can exhibit a desired function even when wet with a small amount or a small amount of electrolytic solution 136. As long as the water retaining member has.

多孔質基材付きLDHセパレータ
本発明の二次電池において、多孔質基材のセル孔の内壁面には水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータが形成される。すなわち、本発明の二次電池においては、多孔質基材付きセラミックスセパレータを備えているといえる。したがって、以下の説明は、説明の便宜のため、本発明のような複数のセル孔を有する多孔質基材ではなく、より簡素な板状の多孔質基材を用いたセラミックスセパレータに基づいて行うものとするが、以下に開示される基本構成は技術的整合性を損なわない範囲内で本発明の二次電池にも同様に当てはまるものである。
LDH separator with porous substrate In the secondary battery of the present invention, a hydroxide ion conductive ceramic separator is formed on the inner wall surface of the cell hole of the porous substrate. That is, it can be said that the secondary battery of the present invention includes a ceramic separator with a porous substrate. Therefore, for convenience of explanation, the following description is based on a ceramic separator using a simpler plate-like porous substrate, not a porous substrate having a plurality of cell holes as in the present invention. However, the basic configuration disclosed below applies to the secondary battery of the present invention as long as the technical consistency is not impaired.

前述のとおり、本発明の二次電池に好ましく用いられる多孔質基材付きセパレータは、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体からなるセパレータと、セパレータの少なくとも一方の面に設けられる多孔質基材とを備えたものである。無機固体電解質体は透水性を有しない程に緻密化された膜状又は層状の形態である。特に好ましい多孔質基材付きセパレータは、多孔質基材と、この多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成されるセパレータ層とを備えてなり、セパレータ層が前述したような層状複水酸化物(LDH)を含んでなるものである。セパレータ層は透水性及び通気性を有しないのが好ましい。すなわち、多孔質材料は孔の存在により透水性及び通気性を有しうるが、セパレータ層は透水性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているのが好ましい。セパレータ層は多孔質基材上に形成されるのが好ましい。例えば、図10に示されるように、多孔質基材128上にセパレータ層120がLDH緻密膜として形成されるのが好ましい。この場合、多孔質基材128の性質上、図10に示されるように多孔質基材128の表面及びその近傍の孔内にもLDHが形成されてよいのはいうまでもない。あるいは、図11に示されるように、多孔質基材128中(例えば多孔質基材128の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材128の少なくとも一部がセパレータ層120’を構成するものであってもよい。この点、図11に示される態様は図10に示される態様のセパレータ層120における膜相当部分を除去した構成となっているが、これに限定されず、多孔質基材128の表面と平行にセパレータ層が存在していればよい。いずれにしても、セパレータ層は透水性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているため、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性及び通気性を有しない(すなわち基本的に水酸化物イオンのみを通す)という特有の機能を有することができる。   As described above, the separator with a porous substrate preferably used for the secondary battery of the present invention is a separator made of an inorganic solid electrolyte body having hydroxide ion conductivity and a porous provided on at least one surface of the separator. And a substrate. The inorganic solid electrolyte body is in the form of a film or layer that is so dense that it does not have water permeability. A particularly preferred separator with a porous substrate comprises a porous substrate and a separator layer formed on and / or in the porous substrate, and the separator layer is layered as described above. It comprises double hydroxide (LDH). The separator layer preferably does not have water permeability and air permeability. That is, the porous material can have water permeability and air permeability due to the presence of pores, but the separator layer is preferably densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability and air permeability. The separator layer is preferably formed on a porous substrate. For example, as shown in FIG. 10, the separator layer 120 is preferably formed on the porous substrate 128 as an LDH dense film. In this case, needless to say, LDH may be formed on the surface of the porous base material 128 and in the pores in the vicinity thereof as shown in FIG. 10 due to the nature of the porous base material 128. Alternatively, as shown in FIG. 11, LDH is densely formed in the porous substrate 128 (for example, in the surface of the porous substrate 128 and in the pores in the vicinity thereof), whereby at least one of the porous substrates 128 is formed. The part may constitute separator layer 120 ′. In this regard, the embodiment shown in FIG. 11 has a configuration in which the membrane equivalent portion in the separator layer 120 of the embodiment shown in FIG. 10 is removed, but is not limited to this, and is parallel to the surface of the porous substrate 128. A separator layer only needs to be present. In any case, since the separator layer is densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability and air permeability, it has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability and air permeability (ie basically It can have a unique function of passing only hydroxide ions).

多孔質基材は、その上及び/又は中にLDH含有セパレータ層を形成できるものが好ましく、その材質や多孔構造は特に限定されない。多孔質基材上及び/又は中にLDH含有セパレータ層を形成するのが典型的ではあるが、無孔質基材上にLDH含有セパレータ層を成膜し、その後公知の種々の手法により無孔質基材を多孔化してもよい。いずれにしても、多孔質基材は透水性を有する多孔構造を有するのが、電池用セパレータとして電池に組み込まれた場合に電解液をセパレータ層に到達可能に構成できる点で好ましい。   The porous substrate is preferably capable of forming an LDH-containing separator layer on and / or in the porous substrate, and the material and the porous structure are not particularly limited. Typically, an LDH-containing separator layer is formed on and / or in a porous substrate, but an LDH-containing separator layer is formed on a non-porous substrate and then non-porous by various known techniques. The porous substrate may be made porous. In any case, it is preferable that the porous base material has a porous structure having water permeability in that the electrolyte solution can reach the separator layer when incorporated into the battery as a battery separator.

多孔質基材は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ及びジルコニアであり、最も好ましくはアルミナである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたLDH含有セパレータ層を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム及び亜鉛が挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料から電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性に優れたものを適宜選択するのが更に好ましい。   The porous substrate is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, particularly preferred are alumina and zirconia, and most preferred is alumina. When these porous ceramics are used, it is easy to form an LDH-containing separator layer having excellent denseness. Preferable examples of the metal material include aluminum and zinc. Preferred examples of the polymer material include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. It is more preferable to appropriately select a material excellent in alkali resistance as the resistance to the battery electrolyte from the various preferable materials described above.

多孔質基材は0.001〜1.5μmの平均気孔径を有するのが好ましく、より好ましくは0.001〜1.25μm、さらに好ましくは0.001〜1.0μm、特に好ましくは0.001〜0.75μm、最も好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性を有しない程に緻密なLDH含有セパレータ層を形成することができる。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行うことができる。この測定に用いる電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得ることができる。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能や画像解析ソフト(例えば、Photoshop、Adobe社製)等を用いることができる。   The porous substrate preferably has an average pore diameter of 0.001 to 1.5 μm, more preferably 0.001 to 1.25 μm, still more preferably 0.001 to 1.0 μm, and particularly preferably 0.001. It is -0.75 micrometer, Most preferably, it is 0.001-0.5 micrometer. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH-containing separator layer that is so dense that it does not have water permeability while ensuring desired water permeability in the porous substrate. In the present invention, the average pore diameter can be measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, with 30 points per field of view in total. The average pore diameter can be obtained by calculating an average value for two visual fields. For the length measurement, a length measurement function of SEM software, image analysis software (for example, Photoshop, manufactured by Adobe) or the like can be used.

多孔質基材の表面は、10〜60%の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15〜55%、さらに好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性を有しない程に緻密なLDH含有セパレータ層を形成することができる。ここで、多孔質基材の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、多孔質基材の表面の気孔率は多孔質基材内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、多孔質基材の表面が緻密であれば多孔質基材の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、多孔質基材の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。   The surface of the porous substrate preferably has a porosity of 10 to 60%, more preferably 15 to 55%, and still more preferably 20 to 50%. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH-containing separator layer that is so dense that it does not have water permeability while ensuring desired water permeability in the porous substrate. Here, the porosity of the surface of the porous substrate is adopted because it is easy to measure the porosity using the image processing described below, and the porosity of the surface of the porous substrate. This is because it can be said that it generally represents the porosity inside the porous substrate. That is, if the surface of the porous substrate is dense, the inside of the porous substrate can be said to be dense as well. In the present invention, the porosity of the surface of the porous substrate can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) An electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate (acquisition of 10,000 times or more) is obtained, and 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). 3) Create a black-and-white binary image by the procedure of [Image] → [Tonal Correction] → [Turn Tone], and 4) The value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black part by the total number of pixels in the image Rate (%). The porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. In order to obtain a more objective index, three arbitrarily selected regions are used. It is more preferable to employ the average value of the obtained porosity.

セパレータ層は、多孔質基材上及び/又は多孔質基材中、好ましくは多孔質基材上に形成される。例えば、図10に示されるようにセパレータ層120が多孔質基材128上に形成される場合には、セパレータ層120はLDH緻密膜の形態であり、このLDH緻密膜は典型的にはLDHからなる。また、図11に示されるようにセパレータ層120’が多孔質基材128中に形成される場合には、多孔質基材128中(典型的には多孔質基材128の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成されることから、セパレータ層120’は典型的には多孔質基材128の少なくとも一部及びLDHからなる。図11に示されるセパレータ層120’は、図10に示されるセパレータ層120における膜相当部分を研磨、切削等の公知の手法により除去することにより得ることができる。   The separator layer is formed on the porous substrate and / or in the porous substrate, preferably on the porous substrate. For example, when the separator layer 120 is formed on the porous substrate 128 as shown in FIG. 10, the separator layer 120 is in the form of an LDH dense film, which is typically from LDH. Become. When the separator layer 120 ′ is formed in the porous substrate 128 as shown in FIG. 11, the surface of the porous substrate 128 (typically the surface of the porous substrate 128 and its vicinity) Since the LDH is densely formed in the pores), the separator layer 120 ′ is typically composed of at least a part of the porous substrate 128 and LDH. The separator layer 120 ′ shown in FIG. 11 can be obtained by removing a portion corresponding to the film in the separator layer 120 shown in FIG. 10 by a known method such as polishing or cutting.

セパレータ層は透水性及び通気性を有しないのが好ましい。例えば、セパレータ層はその片面を25℃で1週間水と接触させても水を透過させず、また、その片面に0.5atmの内外差圧でヘリウムガスを加圧してもヘリウムガスを透過させない。すなわち、セパレータ層は透水性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているのが好ましい。もっとも、局所的且つ/又は偶発的に透水性を有する欠陥が機能膜に存在する場合には、当該欠陥を適当な補修剤(例えばエポキシ樹脂等)で埋めて補修することで水不透性及び気体不透過性を確保してもよく、そのような補修剤は必ずしも水酸化物イオン伝導性を有する必要はない。いずれにしても、セパレータ層(典型的にはLDH緻密膜)の表面が20%以下の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15%以下、さらに好ましくは10%以下、特に好ましくは7%以下である。セパレータ層の表面の気孔率が低ければ低いほど、セパレータ層(典型的にはLDH緻密膜)の緻密性が高いことを意味し、好ましいといえる。ここで、セパレータ層の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、セパレータ層の表面の気孔率はセパレータ層内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、セパレータ層の表面が緻密であればセパレータ層の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、セパレータ層の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)セパレータ層の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]
→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定はセパレータ層表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。
The separator layer preferably does not have water permeability and air permeability. For example, the separator layer does not allow permeation of water even if one side of the separator layer is brought into contact with water at 25 ° C. for 1 week, and does not allow permeation of helium gas even if helium gas is pressurized on the one side with an internal / external pressure difference of 0.5 atm. . That is, the separator layer is preferably densified with LDH to such an extent that it does not have water permeability and air permeability. However, when a defect having water permeability locally and / or accidentally exists in the functional film, the defect is filled with an appropriate repair agent (for example, epoxy resin) to repair the water impermeability and Gas impermeability may be ensured and such repair agents need not necessarily have hydroxide ion conductivity. In any case, the surface of the separator layer (typically the LDH dense film) preferably has a porosity of 20% or less, more preferably 15% or less, still more preferably 10% or less, and particularly preferably 7%. It is as follows. It means that the lower the porosity of the surface of the separator layer, the higher the density of the separator layer (typically the LDH dense film), which is preferable. Here, the porosity of the surface of the separator layer is adopted because it is easy to measure the porosity using the image processing described below, and the porosity of the surface of the separator layer is determined inside the separator layer. It is because it can be said that the porosity of is generally expressed. That is, if the surface of the separator layer is dense, it can be said that the inside of the separator layer is also dense. In the present invention, the porosity of the surface of the separator layer can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) An electron microscope (SEM) image (10,000 times or more magnification) of the surface of the separator layer is acquired, and 2) a gray-scale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). )[image]
→ Create a black and white binary image by the procedure of [Color correction] → [2 gradation]. 4) The porosity (%) is the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black part by the total number of pixels in the image. . The porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the separator layer. In order to obtain a more objective index, it is obtained for three arbitrarily selected regions. It is more preferable to adopt the average value of the porosity.

層状複水酸化物は複数の板状粒子(すなわちLDH板状粒子)の集合体で構成され、当該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが好ましい。この態様は、図10に示されるように、多孔質基材128上にセパレータ層120がLDH緻密膜として形成される場合に特に好ましく実現可能な態様であるが、図11に示されるように、多孔質基材128中(典型的には多孔質基材128の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材128の少なくとも一部がセパレータ層120’を構成する場合においても実現可能である。   The layered double hydroxide is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles (that is, LDH plate-like particles), and the plurality of plate-like particles are substantially the same as the surface of the porous substrate (substrate surface). It is preferably oriented in a direction that intersects perpendicularly or diagonally. As shown in FIG. 10, this embodiment is a particularly preferable and feasible embodiment when the separator layer 120 is formed as an LDH dense film on the porous substrate 128. As shown in FIG. LDH is densely formed in the porous substrate 128 (typically in the surface of the porous substrate 128 and in the vicinity thereof), whereby at least a part of the porous substrate 128 forms the separator layer 120 ′. This can be realized even in the case of configuration.

すなわち、LDH結晶は図12に示されるような層状構造を持った板状粒子の形態を有することが知られているが、上記略垂直又は斜めの配向は、LDH含有セパレータ層(例えばLDH緻密膜)にとって極めて有利な特性である。というのも、配向されたLDH含有セパレータ層(例えば配向LDH緻密膜)には、LDH板状粒子が配向する方向(即ちLDHの層と平行方向)の水酸化物イオン伝導度が、これと垂直方向の伝導度よりも格段に高いという伝導度異方性があるためである。実際、本出願人は、LDHの配向バルク体において、配向方向における伝導度(S/cm)が配向方向と垂直な方向の伝導度(S/cm)と比べて1桁高いとの知見を得ている。すなわち、本態様のLDH含有セパレータ層における上記略垂直又は斜めの配向は、LDH配向体が持ちうる伝導度異方性を層厚方向(すなわちセパレータ層又は多孔質基材の表面に対して垂直方向)に最大限または有意に引き出すものであり、その結果、層厚方向への伝導度を最大限又は有意に高めることができる。その上、LDH含有セパレータ層は層形態を有するため、バルク形態のLDHよりも低抵抗を実現することができる。このような配向性を備えたLDH含有セパレータ層は、層厚方向に水酸化物イオンを伝導させやすくなる。その上、緻密化されているため、層厚方向への高い伝導度及び緻密性が望まれるセパレータに極めて適する。   That is, the LDH crystal is known to have the form of a plate-like particle having a layered structure as shown in FIG. 12, but the above-mentioned substantially vertical or oblique orientation has an LDH-containing separator layer (for example, an LDH dense film). This is a very advantageous property. This is because, in an oriented LDH-containing separator layer (for example, an oriented LDH dense film), the hydroxide ion conductivity in the direction in which the LDH plate-like particles are oriented (that is, the direction parallel to the LDH layer) is perpendicular to this. This is because there is a conductivity anisotropy that is much higher than the conductivity in the direction. In fact, the present applicant has obtained knowledge that the conductivity (S / cm) in the alignment direction is one order of magnitude higher than the conductivity (S / cm) in the direction perpendicular to the alignment direction in the LDH oriented bulk body. ing. That is, the substantially vertical or oblique orientation in the LDH-containing separator layer of the present embodiment indicates the conductivity anisotropy that the LDH oriented body can have in the layer thickness direction (that is, the direction perpendicular to the surface of the separator layer or porous substrate). As a result, the conductivity in the layer thickness direction can be maximized or significantly increased. In addition, since the LDH-containing separator layer has a layer form, lower resistance can be realized than a bulk form LDH. An LDH-containing separator layer having such an orientation is easy to conduct hydroxide ions in the layer thickness direction. In addition, since it is densified, it is extremely suitable for a separator that requires high conductivity and denseness in the layer thickness direction.

特に好ましくは、LDH含有セパレータ層(典型的にはLDH緻密膜)においてLDH板状粒子が略垂直方向に高度に配向してなる。この高度な配向は、セパレータ層の表面をX線回折法により測定した場合に、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は
(012)面のピークよりも小さく検出されることで確認可能なものである(但し、(012)面に起因するピークと同位置に回折ピークが観察される多孔質基材を用いた場合には、LDH板状粒子に起因する(012)面のピークを特定できないことから、この限りでない)。この特徴的なピーク特性は、セパレータ層を構成するLDH板状粒子がセパレータ層に対して略垂直方向(すなわち垂直方向又はそれに類する斜め方向、好ましくは垂直方向)に配向していることを示す。すなわち、(003)面のピークは無配向のLDH粉末をX線回折した場合に観察される最も強いピークとして知られているが、配向LDH含有セパレータ層にあっては、LDH板状粒子がセパレータ層に対して略垂直方向に配向していることで(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出される。これは、(003)面が属するc軸方向(00l)面(lは3及び6である)がLDH板状粒子の層状構造と平行な面であるため、このLDH板状粒子がセパレータ層に対して略垂直方向に配向しているとLDH層状構造も略垂直方向を向くこととなる結果、セパレータ層表面をX線回折法により測定した場合に(00l)面(lは3及び6である)のピークが現れないか又は現れにくくなるからである。特に(003)面のピークは、それが存在する場合、(006)面のピークよりも強く出る傾向があるから、(006)面のピークよりも略垂直方向の配向の有無を評価しやすいといえる。したがって、配向LDH含有セパレータ層は、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されるのが、垂直方向への高度な配向を示唆することから好ましいといえる。
Particularly preferably, the LDH plate-like particles are highly oriented in a substantially vertical direction in the LDH-containing separator layer (typically an LDH dense film). This high degree of orientation is confirmed by the fact that when the surface of the separator layer is measured by an X-ray diffraction method, the peak of the (003) plane is not substantially detected or smaller than the peak of the (012) plane. (However, when a porous substrate in which a diffraction peak is observed at the same position as the peak due to the (012) plane is used, the peak of the (012) plane due to the LDH plate-like particle is used. This is not the case). This characteristic peak characteristic indicates that the LDH plate-like particles constituting the separator layer are oriented in a substantially vertical direction (that is, a vertical direction or an oblique direction similar thereto, preferably a vertical direction) with respect to the separator layer. That is, the (003) plane peak is known as the strongest peak observed when X-ray diffraction is performed on non-oriented LDH powder. In the oriented LDH-containing separator layer, the LDH plate-like particles are separated from the separator. By being oriented in a direction substantially perpendicular to the layer, the peak of the (003) plane is not substantially detected or detected smaller than the peak of the (012) plane. This is because the c-axis direction (00l) plane (l is 3 and 6) to which the (003) plane belongs is a plane parallel to the layered structure of the LDH plate-like particles. On the other hand, when oriented in a substantially vertical direction, the LDH layered structure also faces in a substantially vertical direction. As a result, when the separator layer surface is measured by an X-ray diffraction method, the (00l) plane (l is 3 and 6). This is because the peak of) does not appear or becomes difficult to appear. In particular, the peak of the (003) plane tends to be stronger than the peak of the (006) plane when it exists, so it is easier to evaluate the presence / absence of orientation in the substantially vertical direction than the peak of the (006) plane. I can say that. Therefore, in the oriented LDH-containing separator layer, the (003) plane peak is substantially not detected or smaller than the (012) plane peak, suggesting a high degree of vertical orientation. It can be said that it is preferable.

セパレータ層は100μm以下の厚さを有するのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことでセパレータの低抵抗化を実現できる。セパレータ層が多孔質基材上にLDH緻密膜として形成されるのが好ましく、この場合、セパレータ層の厚さはLDH緻密膜の厚さに相当する。また、セパレータ層が多孔質基材中に形成される場合には、セパレータ層の厚さは多孔質基材の少なくとも一部及びLDHからなる複合層の厚さに相当し、セパレータ層が多孔質基材上及び中にまたがって形成される場合にはLDH緻密膜と上記複合層の合計厚さに相当する。いずれにしても、上記のような厚さであると、電池用途等への実用化に適した所望の低抵抗を実現することができる。LDH配向膜の厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ等の機能膜として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。   The separator layer preferably has a thickness of 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, further preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Thus, the resistance of the separator can be reduced by being thin. The separator layer is preferably formed as an LDH dense film on the porous substrate. In this case, the thickness of the separator layer corresponds to the thickness of the LDH dense film. When the separator layer is formed in the porous substrate, the thickness of the separator layer corresponds to the thickness of the composite layer composed of at least part of the porous substrate and LDH, and the separator layer is porous. When formed over and in the substrate, this corresponds to the total thickness of the LDH dense film and the composite layer. In any case, when the thickness is as described above, a desired low resistance suitable for practical use in battery applications and the like can be realized. The lower limit of the thickness of the LDH alignment film is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of hardness desired as a functional film such as a separator, the thickness is preferably 1 μm or more. Preferably it is 2 micrometers or more.

上述した多孔質基材付きLDHセパレータは、(a)多孔質基材を用意し、(b)所望により、この多孔質基材に、LDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、(c)多孔質基材に水熱処理を施してLDH膜を形成させることにより、好ましく製造することができる。   The LDH separator with a porous base material described above is (a) a porous base material is prepared, and (b) a starting material capable of giving a starting point for crystal growth of LDH is uniformly attached to the porous base material, if desired. (C) The porous substrate can be preferably manufactured by subjecting the porous substrate to hydrothermal treatment to form an LDH film.

(a)多孔質基材の用意
多孔質基材は、前述したとおりであり、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ、ジルコニア(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))、及びその組合せである。これらの多孔質セラミックスを用いるとLDH膜の緻密性を向上しやすい傾向がある。セラミックス材料製の多孔質基材を用いる場合、超音波洗浄、イオン交換水での洗浄等を多孔質基材に施すのが好ましい。
(A) Preparation of porous substrate The porous substrate is as described above, and is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, and particularly preferred are alumina, zirconia (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)), and combinations thereof. When these porous ceramics are used, the density of the LDH film tends to be improved. When using a porous substrate made of a ceramic material, it is preferable to subject the porous substrate to ultrasonic cleaning, cleaning with ion exchange water, and the like.

上述のとおり、多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。セラミックス材料製の多孔質基材は、市販品であってもよいし、公知の手法に従って作製したものであってもよく、特に限定されない。例えば、セラミックス粉末(例えばジルコニア粉末、ベーマイト粉末、チタニア粉末等)、メチルセルロース、及びイオン交換水を所望の配合比で混練し、得られた混練物を押出成形に付し、得られた成形体を70〜200℃で10〜40時間乾燥した後、900〜1300℃で1〜5時間焼成することによりセラミックス材料製の多孔質基材を作製することができる。メチルセルロースの配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、1〜20重量部とするのが好ましい。また、イオン交換水の配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、10〜100重量部とするのが好ましい。   As described above, the porous substrate is more preferably composed of a ceramic material. The porous substrate made of a ceramic material may be a commercially available product or may be prepared according to a known technique, and is not particularly limited. For example, ceramic powder (for example, zirconia powder, boehmite powder, titania powder, etc.), methylcellulose, and ion-exchanged water are kneaded at a desired blending ratio, the obtained kneaded product is subjected to extrusion molding, and the resulting molded body is obtained. After drying at 70 to 200 ° C. for 10 to 40 hours, a porous substrate made of a ceramic material can be produced by firing at 900 to 1300 ° C. for 1 to 5 hours. The blending ratio of methylcellulose is preferably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder. Further, the blending ratio of the ion exchange water is preferably 10 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder.

(b)起点物質の付着
所望により、多孔質基材に、LDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させてもよい。このように起点物質を多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。このような起点の好ましい例としては、LDHの層間に入りうる陰イオンを与える化学種、LDHの構成要素となりうる陽イオンを与える化学種、又はLDHが挙げられる。
(B) Attachment of starting material If desired, a starting material that can provide a starting point for crystal growth of LDH may be uniformly attached to the porous substrate. After the starting material is uniformly attached to the surface of the porous substrate in this way, the subsequent step (c) is performed, so that a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate. It can be formed uniformly. Preferable examples of such an origin include a chemical species that provides an anion that can enter between the layers of LDH, a chemical species that provides a cation that can be a constituent element of LDH, or LDH.

(i)陰イオンを与える化学種
LDHの結晶成長の起点は、LDHの層間に入りうる陰イオンを与える化学種であることができる。このような陰イオンの例としては、CO 2−、OH、SO 、SO 2−、SO 2−、NO 、Cl、Br、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。したがって、このような起点を与えうる起点物質を、起点物質の種類に応じた適切な手法で均一に多孔質基材の表面に付着させればよい。表面に陰イオンを与える化学種が付与されることで、Mg2+、Al3+等の金属陽イオンが多孔質基材の表面に吸着してLDHの核が生成しうる。このため、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(I) Chemical species that provide anions The starting point of crystal growth of LDH can be a chemical species that provides anions that can enter between layers of LDH. Examples of such anions include CO 3 2− , OH , SO 3 , SO 3 2− , SO 4 2− , NO 3 , Cl , Br , and any combination thereof. It is done. Therefore, the starting material that can provide such a starting point may be uniformly attached to the surface of the porous substrate by an appropriate method according to the type of the starting material. By applying a chemical species that gives an anion to the surface, metal cations such as Mg 2+ and Al 3+ can be adsorbed on the surface of the porous substrate to generate LDH nuclei. Therefore, by performing the subsequent step (c), a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate without unevenness.

本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にポリマーを付着させた後、このポリマーに陰イオンを与える化学種を導入することにより行うことができる。この態様においては、陰イオンはSO 、SO 2−及び/又はSO 2−であるのが好ましく、このような陰イオンを与える化学種のポリマーへの導入がスルホン化処理により行われるのが好ましい。使用可能なポリマーはアニオン化(特にスルホン化)可能なポリマーであり、そのようなポリマーの例として、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。特に、芳香族系ポリマーがアニオン化(特にスルホン化)しやすい点で好ましく、そのような芳香族系ポリマーの例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。最も好ましいポリマーはポリスチレンである。多孔質基材へのポリマーの付着は、ポリマーを溶解させた溶液(以下、ポリマー溶液という)を多孔質基材の表面(好ましくは多孔質基材の板状概形の最表面を構成する粒子)に塗布することにより行われるのが好ましい。ポリマー溶液は、例えば、ポリマー固形物(例えばポリスチレン基板)を有機溶媒(例えばキシレン溶液)に溶解することにより容易に作製することができる。ポリマー溶液は多孔質基材の内部にまで浸透させないようにするのが、均一な塗布を実現しやすい点で好ましい。この点、ポリマー溶液の付着ないし塗布はスピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。一方、スルホン化処理は、ポリマーを付着させた多孔質基材を、硫酸
(例えば濃硫酸)、発煙硫酸、クロロスルホン酸、無水硫酸等のスルホン化可能な酸に浸漬すればよく、他のスルホン化技術を用いてもよい。スルホン化可能な酸への浸漬は室温又は高温(例えば50〜150℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜14日間である。
According to a preferred embodiment of the present invention, the starting material can be attached by attaching a polymer to the surface of the porous substrate and then introducing a chemical species that gives an anion to the polymer. In this embodiment, the anion is preferably SO 3 , SO 3 2− and / or SO 4 2− , and introduction of a chemical species giving such an anion into the polymer is performed by sulfonation treatment. Is preferred. Polymers that can be used are anionizable (especially sulfonated) polymers, examples of such polymers include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resins, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. . In particular, the aromatic polymer is preferable in that it is easily anionized (particularly sulfonated). Examples of such aromatic polymer include polystyrene, polyethersulfone, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any of them. Combinations are mentioned. The most preferred polymer is polystyrene. The adhesion of the polymer to the porous substrate is performed by using a solution in which the polymer is dissolved (hereinafter referred to as a polymer solution) as the surface of the porous substrate (preferably, the outermost surface of the plate-like outline of the porous substrate). ) Is preferably applied by coating. The polymer solution can be easily prepared, for example, by dissolving a polymer solid (for example, a polystyrene substrate) in an organic solvent (for example, a xylene solution). It is preferable to prevent the polymer solution from penetrating into the porous substrate because it is easy to achieve uniform coating. In this respect, the polymer solution is preferably attached or applied by spin coating because it can be applied uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying. On the other hand, the sulfonation treatment may be performed by immersing the porous substrate to which the polymer is attached in a sulfonateable acid such as sulfuric acid (for example, concentrated sulfuric acid), fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, and sulfuric anhydride. Alternatively, the technology may be used. The immersion in the sulfonateable acid may be performed at room temperature or high temperature (for example, 50 to 150 ° C.), and the immersion time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 14 days.

本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、陰イオンを与える化学種を親水基として含む界面活性剤で多孔質基材の表面を処理することにより行うことができる。この場合、陰イオンがSO 、SO 2−及び/又はSO 2−であるのが好ましい。そのような界面活性剤の典型的な例として、陰イオン界面活性剤が挙げられる。陰イオン界面活性剤の好ましい例としては、スルホン酸型陰イオン界面活性剤、硫酸エステル型陰イオン界面活性剤、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。スルホン酸型陰イオン界面活性剤の例としては、ナフタレンスルホン酸Naホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンスルホコハク酸アルキル2Na、ポリスチレンスルホン酸Na、ジオクチルスルホコハク酸Na、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸トリエタノールアミンが挙げられる。硫酸エステル型陰イオン界面活性剤の例としては、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸エステルNaが挙げられる。多孔質基材の界面活性剤での処理は、多孔質基材の表面に界面活性剤を付着させることができる手法であれば特に限定されず、界面活性剤を含む溶液を多孔質基材に塗布する、又は界面活性剤を含む溶液に多孔質基材を浸漬することにより行えばよい。界面活性剤を含む溶液への多孔質基材の浸漬は、溶液を撹拌しながら室温又は高温(例えば40〜80℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜7日間である。 According to another preferred embodiment of the present invention, the starting material can be attached by treating the surface of the porous substrate with a surfactant containing a chemical species that gives an anion as a hydrophilic group. In this case, the anion is preferably SO 3 , SO 3 2− and / or SO 4 2− . A typical example of such a surfactant is an anionic surfactant. Preferred examples of the anionic surfactant include a sulfonic acid type anionic surfactant, a sulfate type anionic surfactant, and any combination thereof. Examples of the sulfonic acid type anionic surfactant include naphthalene sulfonic acid Na formalin condensate, polyoxyethylene sulfosuccinic acid alkyl 2Na, polystyrene sulfonic acid Na, dioctyl sulfosuccinic acid Na, polyoxyethylene lauryl ether sulfate triethanolamine. It is done. Examples of the sulfate ester type anionic surfactant include polyoxyethylene lauryl ether sulfate Na. The treatment of the porous substrate with the surfactant is not particularly limited as long as it is a technique capable of attaching the surfactant to the surface of the porous substrate, and a solution containing the surfactant is applied to the porous substrate. What is necessary is just to apply | coat or immerse a porous base material in the solution containing surfactant. The porous substrate may be immersed in the solution containing the surfactant while stirring the solution at room temperature or high temperature (for example, 40 to 80 ° C.), and the immersion time is not particularly limited, but for example, 1 to 7 days. is there.

(ii)陽イオンを与える化学種
LDHの結晶成長の起点は、層状複水酸化物の構成要素となりうる陽イオンを与える化学種であることができる。このような陽イオンの好ましい例としては、Al3+が挙げられる。この場合、起点物質が、アルミニウムの酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物及びヒドロキシ錯体からなる群から選択される少なくとも1種のアルミニウム化合物であるのが好ましい。したがって、このような起点を与えうる起点物質を起点物質の種類に応じた適切な手法で均一に多孔質部材の表面に付着させればよい。表面に陽イオンを与える化学種が付与されることで、LDHの層間に入りうる陰イオンが多孔質基材の表面に吸着してLDHの核が生成しうる。このため、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(Ii) Chemical species that provide cations The starting point of LDH crystal growth can be a chemical species that provides cations that can be a component of the layered double hydroxide. A preferred example of such a cation is Al 3+ . In this case, the starting material is preferably at least one aluminum compound selected from the group consisting of aluminum oxides, hydroxides, oxyhydroxides, and hydroxy complexes. Therefore, the starting material that can provide such a starting point may be uniformly attached to the surface of the porous member by an appropriate method according to the type of the starting material. By imparting a chemical species that gives a cation to the surface, an anion that can enter between the layers of LDH can be adsorbed on the surface of the porous substrate to generate LDH nuclei. Therefore, by performing the subsequent step (c), a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate without unevenness.

本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質部材にアルミニウム化合物を含むゾルを塗布することにより行うことができる。この場合、好ましいアルミニウム化合物の例として、ベーマイト(AlOOH)、水酸化アルミニウム(Al(OH))、及び非晶質アルミナが挙げられるが、ベーマイトが最も好ましい。アルミニウム化合物を含むゾルの塗布はスピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。 According to a preferred aspect of the present invention, the starting material can be attached by applying a sol containing an aluminum compound to the porous member. In this case, examples of preferred aluminum compounds include boehmite (AlOOH), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), and amorphous alumina, with boehmite being most preferred. The application of the sol containing the aluminum compound is preferably performed by spin coating because it can be applied uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying.

本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、少なくともアルミニウムを含む水溶液中で、多孔質基材に水熱処理を施して多孔質基材の表面にアルミニウム化合物を形成させることにより行うことができる。多孔質基材の表面に形成させるアルミニウム化合物は好ましくはAl(OH)である。特に、多孔質基材(特にセラミックス製多孔質基材)上のLDH膜は成長初期段階で結晶質及び/又は非晶質Al(OH)が生成する傾向があり、これを核としてLDHが成長しうる。そこで、このAl(OH)を予め水熱処理により多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、同じく水熱処理を伴う工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。本態様においては、工程(b)及び後続の工程(c)を同一の密閉容器内で連続的に行ってもよいし、工程(b)及び後続の工程(c)をこの順で別々に行ってもよい。 According to another preferred embodiment of the present invention, the starting material is adhered by subjecting the porous substrate to hydrothermal treatment in an aqueous solution containing at least aluminum to form an aluminum compound on the surface of the porous substrate. be able to. The aluminum compound formed on the surface of the porous substrate is preferably Al (OH) 3 . In particular, LDH films on porous substrates (especially ceramic porous substrates) tend to produce crystalline and / or amorphous Al (OH) 3 in the initial stage of growth. Can grow. Therefore, after the Al (OH) 3 is uniformly attached to the surface of the porous substrate by hydrothermal treatment in advance, the step (c) that also involves hydrothermal treatment is performed, The LDH film can be uniformly formed without unevenness. In this embodiment, the step (b) and the subsequent step (c) may be performed continuously in the same sealed container, or the step (b) and the subsequent step (c) are performed separately in this order. May be.

工程(b)及び工程(c)を同一の密閉容器内で連続的に行う場合には、後述する工程
(c)で用いる原料水溶液(すなわちLDHの構成元素を含む水溶液)をそのまま工程(b)に用いることができる。この場合であっても、工程(b)における水熱処理を密閉容器(好ましくはオートクレーブ)中、酸性ないし中性のpH域(好ましくはpH5.5〜7.0)にて50〜70℃という比較的低温域で行うことにより、LDHではなく、Al
(OH)の核形成を促すことができる。また、Al(OH)の核形成後、核形成温度での保持又は昇温により、尿素の加水分解が進むことで原料水溶液のpHが上昇していくため、LDHの成長に適したpH域(好ましくはpH7.0超)で工程(c)にスムーズに移行することができる。
When the step (b) and the step (c) are continuously performed in the same sealed container, the raw material aqueous solution (that is, the aqueous solution containing the constituent elements of LDH) used in the step (c) described later is used as it is in the step (b). Can be used. Even in this case, the hydrothermal treatment in the step (b) is compared with 50 to 70 ° C. in an acidic or neutral pH range (preferably pH 5.5 to 7.0) in an airtight container (preferably an autoclave). By performing in a low temperature region, not LDH but Al
(OH) 3 nucleation can be promoted. In addition, after the nucleation of Al (OH) 3 , the pH of the raw material aqueous solution rises due to the hydrolysis of urea by holding or raising the temperature at the nucleation temperature, and therefore a pH range suitable for LDH growth. It is possible to smoothly shift to step (c) at (preferably more than pH 7.0).

一方、工程(b)及び工程(c)をこの順で別々に行う場合には、工程(b)と工程(c)とで異なる原料水溶液を用いるのが好ましい。例えば、工程(b)では、Al源を主として含む(好ましくは他の金属元素を含まない)原料水溶液を用いてAl(OH)の核形成を行うのが好ましい。この場合、工程(b)における水熱処理を工程(c)とは別の密閉容器(好ましくはオートクレーブ)中、50〜120℃で行えばよい。Al源を主として含む原料水溶液の好ましい例としては、硝酸アルミニウムと尿素を含み、マグネシウム化合物(例えば硝酸マグネシウム)を含まない水溶液が挙げられる。Mgを含まない原料水溶液を用いることでLDHの析出を回避してAl(OH)の核形成を促すことができる。 On the other hand, when the step (b) and the step (c) are separately performed in this order, it is preferable to use different raw material aqueous solutions in the step (b) and the step (c). For example, in step (b), it is preferable to nucleate Al (OH) 3 using a raw material aqueous solution mainly containing an Al source (preferably not containing other metal elements). In this case, the hydrothermal treatment in the step (b) may be performed at 50 to 120 ° C. in a closed container (preferably an autoclave) different from the step (c). Preferable examples of the raw material aqueous solution mainly containing an Al source include an aqueous solution containing aluminum nitrate and urea and not containing a magnesium compound (for example, magnesium nitrate). By using a raw material aqueous solution not containing Mg, precipitation of LDH can be avoided and nucleation of Al (OH) 3 can be promoted.

本発明の更に別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にアルミニウムを蒸着した後に、水溶液中で、該アルミニウムを水熱処理によりアルミニウム化合物に変換することにより行うことができる。このアルミニウム化合物は好ましくはAl
(OH)である。特に、Al(OH)に変換することで、これを核としてLDHの成長を促進させることができる。そこで、このAl(OH)を水熱処理により多孔質基材の表面に均一に形成させた後に、同じく水熱処理を伴う工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。アルミニウムの蒸着は物理蒸着及び化学蒸着のいずれであってもよいが、真空蒸着等の物理蒸着が好ましい。また、アルミニウムの変換のための水熱処理に用いる水溶液は、既に蒸着により与えられているAlと反応してAl(OH)を生成可能な組成であればよく、特に限定されない。
According to still another preferred embodiment of the present invention, the starting material is adhered by depositing aluminum on the surface of the porous substrate and then converting the aluminum into an aluminum compound by hydrothermal treatment in an aqueous solution. Can do. This aluminum compound is preferably Al
(OH) 3 . In particular, by converting to Al (OH) 3 , the growth of LDH can be promoted using this as a nucleus. Therefore, after the Al (OH) 3 is uniformly formed on the surface of the porous base material by hydrothermal treatment, the same process (c) accompanied by hydrothermal treatment is carried out. A densified LDH film can be uniformly formed without unevenness. Aluminum may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, but physical vapor deposition such as vacuum vapor deposition is preferred. Moreover, the aqueous solution used for the hydrothermal treatment for aluminum conversion should just be a composition which can react with Al already provided by vapor deposition and can produce | generate Al (OH) 3, and is not specifically limited.

(iii)起点としてのLDH
結晶成長の起点は、LDHであることができる。この場合、LDHの核を起点としてLDHの成長を促すことができる。そこで、このLDHの核を多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(Iii) LDH as a starting point
The starting point for crystal growth can be LDH. In this case, the growth of LDH can be promoted starting from the nucleus of LDH. Therefore, after the LDH nuclei are uniformly attached to the surface of the porous base material, the subsequent step (c) is performed to unevenly disperse the highly densified LDH film on the surface of the porous base material. And can be formed uniformly.

本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、LDHを含むゾルを多孔質部材の表面に塗布することにより行うことができる。LDHを含むゾルは、LDHを水等の溶媒に分散させて作製したものであってよく、特に限定されない。この場合、塗布はスピンコートにより行われるのが好ましい。スピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。   According to a preferred aspect of the present invention, the starting material can be attached by applying a sol containing LDH to the surface of the porous member. The sol containing LDH may be prepared by dispersing LDH in a solvent such as water, and is not particularly limited. In this case, the application is preferably performed by spin coating. Spin coating is preferred because it can be applied very uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying.

本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にアルミニウムを蒸着した後に、アルミニウム以外のLDHの構成元素を含む水溶液中で、(蒸着された)アルミニウムを水熱処理によりLDHに変換することにより行うことができる。アルミニウムの蒸着は物理蒸着及び化学蒸着のいずれであってもよいが、真空蒸着等の物理蒸着が好ましい。また、アルミニウムの変換のための水熱処理に用いる原料水溶液は、既に蒸着により与えられているAl以外の成分を含む水溶液を用いて行えばよい。そのような原料水溶液の好ましい例として、Mg源を主として含む原料水溶液が挙げられ、より好ましくは、硝酸マグネシウムと尿素を含み、アルミニウム化合物(硝酸アルミニウム)を含まない水溶液が挙げられる。Mg源を含むことで、既に蒸着により与えられているAlとともにLDHの核を形成することができる。   According to another preferred embodiment of the present invention, the deposition of the starting material is performed by depositing aluminum (deposited) in an aqueous solution containing a constituent element of LDH other than aluminum after depositing aluminum on the surface of the porous substrate. It can be performed by converting to LDH by hydrothermal treatment. Aluminum may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, but physical vapor deposition such as vacuum vapor deposition is preferred. Moreover, the raw material aqueous solution used for the hydrothermal treatment for the conversion of aluminum may be performed using an aqueous solution containing a component other than Al already provided by vapor deposition. A preferable example of such a raw material aqueous solution is a raw material aqueous solution mainly containing a Mg source, and more preferably, an aqueous solution containing magnesium nitrate and urea and not containing an aluminum compound (aluminum nitrate). By including the Mg source, the nuclei of LDH can be formed together with Al already provided by vapor deposition.

(c)水熱処理
LDHの構成元素を含む原料水溶液中で、多孔質基材(所望により起点物質が付着されうる)に水熱処理を施して、LDH膜を多孔質基材の表面に形成させる。好ましい原料水溶液は、マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を所定の合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる。尿素が存在することで尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりpH値が上昇し(例えばpH7.0超、好ましくは7.0を超え8.5以下)、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりLDHを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のLDHを得ることができる。原料水溶液に含まれるマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度(Mg2++Al3+)は0.20〜0.40mol/Lが好ましく、より好ましくは0.22〜0.38mol/Lであり、さらに好ましくは0.24〜0.36mol/L、特に好ましくは0.26〜0.34mol/Lである。このような範囲内の濃度であると核生成と結晶成長をバランスよく進行させることができ、配向性のみならず緻密性にも優れたLDH膜を得ることが可能となる。すなわち、マグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度が低いと核生成に比べて結晶成長が支配的となり、粒子数が減少して粒子サイズが増大する一方、この合計濃度が高いと結晶成長に比べて核生成が支配的となり、粒子数が増大して粒子サイズが減少するものと考えられる。
(C) Hydrothermal treatment A hydrothermal treatment is performed on a porous substrate (a starting material can be attached if desired) in a raw material aqueous solution containing a constituent element of LDH to form an LDH film on the surface of the porous substrate. A preferable raw material aqueous solution contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a predetermined total concentration, and contains urea. Due to the presence of urea, ammonia is generated in the solution by utilizing hydrolysis of urea, so that the pH value rises (for example, more than pH 7.0, preferably more than 7.0 and less than 8.5) and coexists. LDH can be obtained when metal ions form hydroxides. Further, since carbon dioxide is generated in the hydrolysis, LDH in which the anion is carbonate ion type can be obtained. The total concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) of magnesium ions and aluminum ions contained in the raw material aqueous solution is preferably 0.20 to 0.40 mol / L, more preferably 0.22 to 0.38 mol / L, still more preferably 0.24 to 0.36 mol / L, particularly preferably 0.26 to 0.34 mol / L. When the concentration is within such a range, nucleation and crystal growth can proceed in a balanced manner, and an LDH film excellent not only in orientation but also in denseness can be obtained. That is, when the total concentration of magnesium ions and aluminum ions is low, crystal growth becomes dominant compared to nucleation, and the number of particles decreases and particle size increases. It is considered that the generation becomes dominant, the number of particles increases, and the particle size decreases.

好ましくは、原料水溶液に硝酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムが溶解されており、それにより原料水溶液がマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンに加えて硝酸イオンを含んでなる。そして、この場合、原料水溶液における、尿素の硝酸イオン(NO )に対するモル比(尿素/NO )が、2〜6が好ましく、より好ましくは4〜5である。 Preferably, magnesium nitrate and aluminum nitrate are dissolved in the raw material aqueous solution, so that the raw material aqueous solution contains nitrate ions in addition to magnesium ions and aluminum ions. In this case, the molar ratio (urea / NO 3 ) of urea to nitrate ions (NO 3 ) in the raw material aqueous solution is preferably 2 to 6, and more preferably 4 to 5.

多孔質基材は原料水溶液に所望の向きで(例えば水平又は垂直に)浸漬させればよい。多孔質基材を水平に保持する場合は、吊るす、浮かせる、容器の底に接するように多孔質基材を配置すればよく、例えば、容器の底から原料水溶液中に浮かせた状態で多孔質基材を固定としてもよい。多孔質基材を垂直に保持する場合は、容器の底に多孔質基材を垂直に設置できるような冶具を置けばよい。いずれにしても、多孔質基材にLDHを略垂直方向又はそれに近い方向(すなわちLDH板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに)に成長させる構成ないし配置とするのが好ましい。   The porous substrate may be immersed in the raw material aqueous solution in a desired direction (for example, horizontally or vertically). When the porous substrate is held horizontally, the porous substrate may be suspended, floated, or disposed so as to be in contact with the bottom of the container. For example, the porous substrate is suspended from the bottom of the container in the raw material aqueous solution. The material may be fixed. When the porous substrate is held vertically, a jig that can set the porous substrate vertically on the bottom of the container may be placed. In any case, LDH is substantially perpendicular to or close to the porous substrate (that is, the LDH plate-like particles have their plate surfaces intersecting the surface (substrate surface) of the porous substrate substantially perpendicularly or obliquely. It is preferable to adopt a configuration or arrangement in which growth is performed in such a direction.

原料水溶液中で、多孔質基材に水熱処理を施して、LDH膜を多孔質基材の表面に形成させる。この水熱処理は密閉容器(好ましくはオートクレーブ)の中、60〜150℃で行われるのが好ましく、より好ましくは65〜120℃であり、さらに好ましくは65〜100℃であり、特に好ましくは70〜90℃である。水熱処理の上限温度は多孔質基材
(例えば高分子基材)が熱で変形しない程度の温度を選択すればよい。水熱処理時の昇温速度は特に限定されず、例えば10〜200℃/hであってよいが、好ましくは100〜200℃/hである、より好ましくは100〜150℃/hである。水熱処理の時間はLDH膜の目的とする密度と厚さに応じて適宜決定すればよい。
In the raw material aqueous solution, the porous substrate is subjected to hydrothermal treatment to form an LDH film on the surface of the porous substrate. This hydrothermal treatment is preferably carried out in a sealed container (preferably an autoclave) at 60 to 150 ° C., more preferably 65 to 120 ° C., further preferably 65 to 100 ° C., particularly preferably 70 to 90 ° C. The upper limit temperature of the hydrothermal treatment may be selected so that the porous substrate (for example, the polymer substrate) is not deformed by heat. The rate of temperature increase during the hydrothermal treatment is not particularly limited and may be, for example, 10 to 200 ° C./h, preferably 100 to 200 ° C./h, more preferably 100 to 150 ° C./h. The hydrothermal treatment time may be appropriately determined according to the target density and thickness of the LDH film.

水熱処理後、密閉容器から多孔質基材を取り出し、イオン交換水で洗浄するのが好ましい。   After the hydrothermal treatment, the porous substrate is preferably taken out from the sealed container and washed with ion exchange water.

上記のようにして製造されたLDH膜は、LDH板状粒子が高度に緻密化したものであり、しかも伝導に有利な略垂直方向に配向したものである。すなわち、LDH膜は、典型的には、高度な緻密性に起因して透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない。また、LDH膜を構成するLDHが複数の板状粒子の集合体で構成され、該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが典型的である。したがって、十分なガスタイト性を有する緻密性を有するLDH膜を亜鉛空気電池等の電池に用いた場合、発電性能の向上が見込めると共に、従来適用できなかった電解液を用いる亜鉛空気電池の二次電池化の大きな障壁となっている亜鉛デンドライト進展阻止及び二酸化炭素侵入防止用セパレータ等への新たな適用が期待される。また、同様に亜鉛デンドライト進展が実用化の大きな障壁となっているニッケル亜鉛電池にも適用が期待される。   The LDH film produced as described above is one in which LDH plate-like particles are highly densified and oriented in a substantially vertical direction that is advantageous for conduction. That is, the LDH film typically does not have water permeability (desirably water permeability and air permeability) due to high density. In addition, the LDH constituting the LDH film is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles, and the plurality of plate-like particles cross their surfaces substantially perpendicularly or obliquely with the surface of the porous substrate. Typically oriented in the direction. Accordingly, when an LDH film having sufficient gas tightness and a dense LDH film is used for a battery such as a zinc-air battery, an improvement in power generation performance can be expected, and a secondary battery for a zinc-air battery using an electrolyte that has not been conventionally applicable It is expected to be applied to new separators such as zinc dendrite progress barriers and carbon dioxide intrusion separators, which have become major barriers to chemical conversion. Similarly, it is expected to be applied to a nickel-zinc battery in which the progress of zinc dendrite is a major barrier to practical use.

ところで、上記製造方法により得られるLDH膜は多孔質基材の両面に形成されうる。このため、LDH膜をセパレータとして好適に使用可能な形態とするためには、成膜後に多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削るか、あるいは成膜時に片面にはLDH膜が成膜できないような措置を講ずるのが望ましい。   By the way, the LDH film obtained by the above production method can be formed on both surfaces of the porous substrate. For this reason, in order to make the LDH film suitable for use as a separator, the LDH film on one side of the porous substrate is mechanically scraped after film formation, or the LDH film is formed on one side during film formation. It is desirable to take measures that prevent film formation.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。なお、以下の例は、以下に示される例は本発明による構造の多孔質基材及び電池を製造した例ではないが、多孔質基材上LDH緻密膜を実際に形成できること、及びそれをセパレータとして用いて電池を作製できることを示す参考例である。   The present invention is more specifically described by the following examples. In the following examples, the example shown below is not an example of manufacturing a porous substrate and a battery having a structure according to the present invention, but an LDH dense film on the porous substrate can actually be formed, and it can be used as a separator. It is a reference example which shows that a battery can be produced using as.

例1(参考):多孔質基材付きLDHセパレータの作製及び評価
(1)多孔質基材の作製
ベーマイト(サソール社製、DISPAL 18N4−80)、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(ベーマイト):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、5cm×8cmを十分に超える大きさで且つ厚さ0.5cmの板状に成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、1150℃で3時間焼成して、アルミナ製多孔質基材を得た。こうして得られた多孔質基材を5cm×8cmの大きさに切断加工した。
Example 1 (Reference): Production and Evaluation of LDH Separator with Porous Substrate (1) Production of Porous Substrate Boehmite (manufactured by Sasol, DISPAL 18N4-80), methylcellulose, and ion-exchanged water (boehmite): After weighing so that the mass ratio of (methylcellulose) :( ion-exchanged water) was 10: 1: 5, the mixture was kneaded. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a plate shape having a size sufficiently exceeding 5 cm × 8 cm and a thickness of 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours and then calcined at 1150 ° C. for 3 hours to obtain an alumina porous substrate. The porous substrate thus obtained was cut into a size of 5 cm × 8 cm.

得られた多孔質基材について、画像処理を用いた手法により、多孔質基材表面の気孔率を測定したところ、24.6%であった。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して多孔質基材表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われた。なお、図13に多孔質基材表面のSEM画像を示す。   With respect to the obtained porous substrate, the porosity on the surface of the porous substrate was measured by a technique using image processing, and it was 24.6%. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope on the surface of the porous substrate ( SEM) image (magnification of 10,000 times or more) is obtained, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), etc. 3) [Image] → [Tone Correction] → [2 A monochrome binary image was created by the procedure of [gradation], and 4) the porosity (%) was obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels in the image. This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. FIG. 13 shows an SEM image of the porous substrate surface.

また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ約0.1μmであった。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能を用いた。   Moreover, it was about 0.1 micrometer when the average hole diameter of the porous base material was measured. In the present invention, the average pore diameter was measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all the obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, and 30 points per visual field in total. The average value for two visual fields was calculated to obtain the average pore diameter. For length measurement, the length measurement function of SEM software was used.

(2)多孔質基材の洗浄
得られた多孔質基材をアセトン中で5分間超音波洗浄し、エタノール中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水中で1分間超音波洗浄した。
(2) Cleaning of porous substrate The obtained porous substrate was ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes, ultrasonically cleaned in ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically cleaned in ion-exchanged water for 1 minute.

(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO、関東化学株式会社製)、及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を600mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO =4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(3) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 600 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.

(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量800ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(3)で作製した原料水溶液と上記(2)で洗浄した多孔質基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜(セパレータ層)の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、層状複水酸化物(以下、LDHという)の緻密膜(以下、膜試料という)を基材上に得た。得られた膜試料の厚さは約1.5μmであった。こうして、層状複水酸化物含有複合材料試料(以下、複合材料試料という)を得た。なお、LDH膜は多孔質基材の両面に形成されていたが、セパレータとして形態を複合材料に付与するため、多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削り取った。
(4) Film formation by hydrothermal treatment The Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 800 ml, the outside is a stainless steel jacket), the raw material aqueous solution prepared in (3) above and the porous substrate washed in (2) above Both were enclosed. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Thereafter, hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film (separator layer) on the substrate surface. After the elapse of a predetermined time, the substrate is taken out from the sealed container, washed with ion-exchanged water, dried at 70 ° C. for 10 hours, and a dense layer of layered double hydroxide (hereinafter referred to as LDH) (hereinafter referred to as a membrane sample). ) Was obtained on a substrate. The thickness of the obtained film sample was about 1.5 μm. Thus, a layered double hydroxide-containing composite material sample (hereinafter referred to as a composite material sample) was obtained. Although the LDH film was formed on both surfaces of the porous substrate, the LDH film on one surface of the porous substrate was mechanically scraped to give the composite material a form as a separator.

(5)各種評価
(5a)膜試料の同定
X線回折装置(リガク社製、RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、膜試料の結晶相を測定したところ、図14に示されるXRDプロファイルが得られた。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定した。その結果、膜試料は層状複水酸化物(LDH、ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。なお、図14に示されるXRDプロファイルにおいては、膜試料が形成されている多孔質基材を構成するアルミナに起因するピーク(図中で○印が付されたピーク)も併せて観察されている。
(5) Various evaluations (5a) Identification of membrane sample Using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, RINT TTR III), the voltage was 50 kV, the current value was 300 mA, and the measurement range was 10 to 70 °. When the crystal phase of the sample was measured, the XRD profile shown in FIG. 14 was obtained. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. It identified using the diffraction peak of the layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964. As a result, it was confirmed that the film sample was a layered double hydroxide (LDH, hydrotalcite compound). In addition, in the XRD profile shown in FIG. 14, a peak (a peak marked with a circle in the figure) attributed to alumina constituting the porous substrate on which the film sample is formed is also observed. .

(5b)微構造の観察
膜試料の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。得られた膜試料の表面微構造のSEM画像(二次電子像)を図15に示す。
(5b) Observation of microstructure The surface microstructure of the film sample was observed at an acceleration voltage of 10 to 20 kV using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL). FIG. 15 shows an SEM image (secondary electron image) of the surface microstructure of the obtained film sample.

また、複合材料試料の断面をCP研磨によって研磨して研磨断面を形成し、この研磨断面の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。こうして得られた複合材料試料の研磨断面微構造のSEM画像を図16に示す。   Further, the cross section of the composite material sample was polished by CP polishing to form a polished cross section, and the microstructure of the polished cross section was observed at an acceleration voltage of 10 to 20 kV using a scanning electron microscope (SEM). FIG. 16 shows an SEM image of the polished cross-sectional microstructure of the composite material sample thus obtained.

(5c)気孔率の測定
膜試料について、画像処理を用いた手法により、膜の表面の気孔率を測定した。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して膜の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は配向膜表面の6μm×6μmの領域について行われた。その結果、膜の表面の気孔率は19.0%であった。また、この膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出したところ、81.0%であった。
(5c) Measurement of porosity The porosity of the surface of the membrane was measured for the membrane sample by a technique using image processing. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope (SEM) on the surface of the film. An image (magnification of 10,000 times or more) is acquired, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), and 3) [image] → [tone correction] → [2 gradations] A black and white binary image was created by the procedure of 4), and 4) the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels of the image was taken as the porosity (%). This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region of the alignment film surface. As a result, the porosity of the film surface was 19.0%. Further, using the porosity of the film surface, the density D when viewed from the film surface (hereinafter referred to as the surface film density) was calculated by D = 100% − (porosity of the film surface). %Met.

また、膜試料について、研磨断面の気孔率についても測定した。この研磨断面の気孔率についても測定は、上記(5b)に示される手順に従い膜の厚み方向における断面研磨面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得したこと以外は、上述の膜表面の気孔率と同様にして行った。この気孔率の測定は配向膜断面の膜部分について行われた。こうして膜試料の断面研磨面から算出した気孔率は平均で3.5%(3箇所の断面研磨面の平均値)であり、多孔質基材上でありながら非常に高密度な膜が形成されていることが確認された。   Further, the porosity of the polished cross section of the film sample was also measured. The measurement of the porosity of the polished cross section is the same as that described above except that an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the cross-section polished surface in the thickness direction of the film was obtained according to the procedure shown in (5b) above. It carried out similarly to the porosity of the film | membrane surface. The measurement of the porosity was performed on the film portion of the alignment film cross section. Thus, the porosity calculated from the cross-sectional polished surface of the film sample is 3.5% on average (average value of the three cross-sectional polished surfaces), and a very high-density film is formed on the porous substrate. It was confirmed that

(5d)緻密性判定試験I
膜試料が透水性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図17Aに示されるように、上記(1)において得られた複合材料試料220(1cm×1cm平方に切り出されたもの)の膜試料側に、中央に0.5cm×0.5cm平方の開口部222aを備えたシリコンゴム222を接着し、得られた積層物を2つのアクリル製容器224,226で挟んで接着した。シリコンゴム222側に配置されるアクリル製容器224は底が抜けており、それによりシリコンゴム222はその開口部222aが開放された状態でアクリル製容器224と接着される。一方、複合材料試料220の多孔質基材側に配置されるアクリル製容器226は底を有しており、その容器226内にはイオン交換水228が入っている。すなわち、組み立て後に上下逆さにすることで、複合材料試料220の多孔質基材側にイオン交換水228が接するように各構成部材が配置されてなる。これらの構成部材等を組み立て後、総重量を測定した。なお、容器226には閉栓された通気穴(図示せず)が形成されており、上下逆さにした後に開栓されることはいうまでもない。図17Bに示されるように組み立て体を上下逆さに配置して25℃で1週間保持した後、総重量を再度測定した。このとき、アクリル製容器224の内側側面に水滴が付着している場合には、その水滴を拭き取った。そして、試験前後の総重量の差を算出することにより緻密度を判定した。その結果、25℃で1週間保持した後においても、イオン交換水の重量に変化は見られなかった。このことから、膜試料(すなわち機能膜)は透水性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5d) Denseness determination test I
In order to confirm that the membrane sample has a denseness that does not have water permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIG. 17A, the composite material sample 220 obtained in (1) above (cut to 1 cm × 1 cm square) has a center of 0.5 cm × 0.5 cm square on the film sample side. The silicon rubber 222 provided with the opening 222a was bonded, and the obtained laminate was bonded between two acrylic containers 224 and 226. The bottom of the acrylic container 224 disposed on the silicon rubber 222 side is removed, and thereby the silicon rubber 222 is bonded to the acrylic container 224 with the opening 222a opened. On the other hand, the acrylic container 226 disposed on the porous substrate side of the composite material sample 220 has a bottom, and ion-exchanged water 228 is contained in the container 226. That is, by assembling the components upside down after assembly, the constituent members are arranged so that the ion-exchanged water 228 is in contact with the porous substrate side of the composite material sample 220. After assembling these components, the total weight was measured. Needless to say, the container 226 has a closed vent hole (not shown) and is opened after being turned upside down. As shown in FIG. 17B, the assembly was placed upside down and held at 25 ° C. for 1 week, after which the total weight was measured again. At this time, when water droplets adhered to the inner side surface of the acrylic container 224, the water droplets were wiped off. Then, the density was determined by calculating the difference in the total weight before and after the test. As a result, no change was observed in the weight of ion-exchanged water even after holding at 25 ° C. for 1 week. From this, it was confirmed that the membrane sample (that is, the functional membrane) has high density so as not to have water permeability.

(5e)緻密性判定試験II
膜試料が通気性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図18A及び18Bに示されるように、蓋の無いアクリル容器230と、このアクリル容器230の蓋として機能しうる形状及びサイズのアルミナ治具232とを用意した。アクリル容器230にはその中にガスを供給するためのガス供給口230aが形成されている。また、アルミナ治具232には直径5mmの開口部232aが形成されており、この開口部232aの外周に沿って膜試料載置用の窪み232bが形成されてなる。アルミナ治具232の窪み232bにエポキシ接着剤234を塗布し、この窪み232bに複合材料試料236の膜試料236b側を載置してアルミナ治具232に気密かつ液密に接着させた。そして、複合材料試料236が接合されたアルミナ治具232を、アクリル容器230の開放部を完全に塞ぐようにシリコーン接着剤238を用いて気密かつ液密にアクリル容器230の上端に接着させて、測定用密閉容器240を得た。この測定用密閉容器240を水槽242に入れ、アクリル容器230のガス供給口230aを圧力計244及び流量計246に接続して、ヘリウムガスをアクリル容器230内に供給可能に構成した。水槽242に水243を入れて測定用密閉容器240を完全に水没させた。このとき、測定用密閉容器240の内部は気密性及び液密性が十分に確保されており、複合材料試料236の膜試料236b側が測定用密閉容器240の内部空間に露出する一方、複合材料試料236の多孔質基材236a側が水槽242内の水に接触している。この状態で、アクリル容器230内にガス供給口230aを介してヘリウムガスを測定用密閉容器240内に導入した。圧力計244及び流量計246を制御して膜試料236b内外の差圧が0.5atmとなる(すなわちヘリウムガスに接する側に加わる圧力が反対側に加わる水圧よりも0.5atm高くなる)ようにして、複合材料試料236から水中にヘリウムガスの泡が発生するか否かを観察した。その結果、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。よって、膜試料236bは通気性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5e) Denseness determination test II
In order to confirm that the film sample has a denseness that does not have air permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIGS. 18A and 18B, an acrylic container 230 without a lid and an alumina jig 232 having a shape and size that can function as a lid for the acrylic container 230 were prepared. The acrylic container 230 is formed with a gas supply port 230a for supplying gas therein. The alumina jig 232 has an opening 232a having a diameter of 5 mm, and a depression 232b for placing a film sample is formed along the outer periphery of the opening 232a. An epoxy adhesive 234 was applied to the depression 232b of the alumina jig 232, and the film sample 236b side of the composite material sample 236 was placed in the depression 232b to adhere to the alumina jig 232 in an airtight and liquid-tight manner. Then, the alumina jig 232 to which the composite material sample 236 is bonded is adhered to the upper end of the acrylic container 230 in a gas-tight and liquid-tight manner using a silicone adhesive 238 so as to completely close the opening of the acrylic container 230. A measurement sealed container 240 was obtained. The measurement sealed container 240 was placed in a water tank 242, and the gas supply port 230 a of the acrylic container 230 was connected to the pressure gauge 244 and the flow meter 246 so that helium gas could be supplied into the acrylic container 230. Water 243 was put into the water tank 242 and the measurement sealed container 240 was completely submerged. At this time, the inside of the measurement sealed container 240 is sufficiently airtight and liquid-tight, and the membrane sample 236b side of the composite material sample 236 is exposed to the internal space of the measurement sealed container 240, while the composite material sample The porous base material 236 a side of 236 is in contact with the water in the water tank 242. In this state, helium gas was introduced into the measurement sealed container 240 into the acrylic container 230 via the gas supply port 230a. The pressure gauge 244 and the flow meter 246 are controlled so that the differential pressure inside and outside the membrane sample 236b is 0.5 atm (that is, the pressure applied to the side in contact with the helium gas is 0.5 atm higher than the water pressure applied to the opposite side). Whether or not helium gas bubbles are generated in the water from the composite material sample 236 was observed. As a result, generation of bubbles due to helium gas was not observed. Therefore, it was confirmed that the membrane sample 236b has high density so as not to have air permeability.

例2(参考):ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価
(1)多孔質基材付きセパレータの用意
例1と同様の手順により、多孔質基材付きセパレータとして、アルミナ基材上ハイドロタルサイト膜(サイズ:5cm×8cm)を用意した。
Example 2 (Reference): Preparation and Evaluation of Nickel Zinc Secondary Battery (1) Preparation of Separator with Porous Substrate Hydrotalcite membrane on alumina substrate as a separator with porous substrate by the same procedure as in Example 1 (Size: 5 cm × 8 cm) was prepared.

(2)正極板の作製
亜鉛及びコバルトを固溶体となるように添加した水酸化ニッケル粒子を用意した。この水酸化ニッケル粒子を水酸化コバルトで被覆して正極活物質を得た。得られた正極活物質と、カルボキシメチルセルロースの2%水溶液とを混合してペーストを調製した。正極活物質の多孔度が50%となるように、多孔度が約95%のニッケル金属多孔質基板からなる集電体に上記得られたペーストを均一に塗布して乾燥し、活物質部分が5cm×5cmの領域にわたって塗工された正極板を得た。このとき、4Ah相当の水酸化ニッケル粒子が活物質中に含まれるように塗工量を調整した。
(2) Preparation of positive electrode plate Nickel hydroxide particles to which zinc and cobalt were added so as to form a solid solution were prepared. The nickel hydroxide particles were coated with cobalt hydroxide to obtain a positive electrode active material. The obtained positive electrode active material was mixed with a 2% aqueous solution of carboxymethyl cellulose to prepare a paste. The paste obtained above is uniformly applied to a current collector made of a nickel metal porous substrate having a porosity of about 95% and dried so that the porosity of the positive electrode active material is 50%. A positive electrode plate coated over an area of 5 cm × 5 cm was obtained. At this time, the coating amount was adjusted so that nickel hydroxide particles corresponding to 4 Ah were included in the active material.

(3)負極板の作製
銅パンチングメタルからなる集電体上に、酸化亜鉛粉末80重量部、亜鉛粉末20重量部及びポリテトラフルオロエチレン粒子3重量部からなる混合物を塗布して、多孔度約50%で、活物質部分が5cm×5cmの領域にわたって塗工された負極板を得た。このとき、正極板容量の4Ah相当の酸化亜鉛粉末が活物質中に含まれるように塗工量を調整した。
(3) Production of negative electrode plate A mixture of 80 parts by weight of zinc oxide powder, 20 parts by weight of zinc powder and 3 parts by weight of polytetrafluoroethylene particles was applied on a current collector made of copper punching metal, and the porosity was about A negative electrode plate was obtained in which the active material portion was coated over an area of 5 cm × 5 cm at 50%. At this time, the coating amount was adjusted so that the zinc oxide powder corresponding to the positive electrode plate capacity of 4 Ah was included in the active material.

(4)電池の組み立て
上記得られた正極板、負極板、及び多孔質基材付きセパレータを用いて、図7に示されるようなニッケル亜鉛二次電池を以下のような手順で組み立てた。
(4) Battery assembly Using the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator with a porous substrate obtained above, a nickel zinc secondary battery as shown in FIG. 7 was assembled in the following procedure.

まず、ケース上蓋が外されたABS樹脂製の直方体ケース本体を用意した。このケース本体の中央付近に多孔質基材付きセパレータ(アルミナ基材上ハイドロタルサイト膜)を挿入し、その3辺を市販の接着剤を用いてケース本体の内壁に固定した。正極板及び負極板を正極室及び負極室にそれぞれ挿入した。このとき、正極集電体及び負極集電体がケース本体内壁に接するような向きで正極板及び負極板を配置した。正極室に、正極活物質塗工部分が十分に隠れる量の6mol/LのKOH水溶液を電解液として注液した。正極室の液面高さはケース底より約5.2cmであった。一方、負極室には、負極活物質塗工部分が十分に隠れるだけでなく、充電時に減少することが見込まれる水分量を考慮した過剰量の6mol/LのKOH水溶液を電解液として注液した。負極室における液面高さはケース底より約6.5cmであった。正極集電体及び負極集電体の端子部をそれぞれケース上部の外部端子と接続した。ケース上蓋を熱融着でケース本体に固定して、電池ケース容器を密閉化した。こうしてニッケル亜鉛二次電池を得た。なお、この電池においては、セパレータのサイズが幅5cm×高さ8cmであり、かつ、正極板及び負極板の活物質塗工部分のサイズが幅5cm×高さ5cmであるため、正極室及び負極室の上部3cm相当の空間が正極側余剰空間及び負極側余剰空間といえる。   First, a rectangular parallelepiped case body made of ABS resin with the case upper lid removed was prepared. A separator with a porous substrate (a hydrotalcite film on an alumina substrate) was inserted near the center of the case body, and three sides thereof were fixed to the inner wall of the case body using a commercially available adhesive. The positive electrode plate and the negative electrode plate were inserted into the positive electrode chamber and the negative electrode chamber, respectively. At this time, the positive electrode plate and the negative electrode plate were arranged so that the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were in contact with the inner wall of the case body. A 6 mol / L aqueous KOH solution in an amount that sufficiently hides the positive electrode active material coating portion was injected into the positive electrode chamber as an electrolyte. The liquid level in the positive electrode chamber was about 5.2 cm from the case bottom. On the other hand, in the negative electrode chamber, not only the negative electrode active material coating part was sufficiently hidden, but also an excessive amount of 6 mol / L KOH aqueous solution was injected as an electrolyte considering the amount of water expected to decrease during charging. . The liquid level in the negative electrode chamber was about 6.5 cm from the case bottom. The terminal portions of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were connected to external terminals at the top of the case. The case upper lid was fixed to the case body by heat sealing, and the battery case container was sealed. In this way, a nickel zinc secondary battery was obtained. In this battery, since the size of the separator is 5 cm wide × 8 cm high, and the size of the active material coated portion of the positive electrode plate and the negative electrode plate is 5 cm wide × 5 cm high, the positive electrode chamber and the negative electrode The space equivalent to 3 cm above the chamber can be said to be the positive electrode side excess space and the negative electrode side excess space.

(5)評価
作製したニッケル亜鉛二次電池に対して、設計容量4Ahの0.1C相当の0.4mAの電流で10時間定電流充電を実施した。充電後、ケースの変形や電解液の漏れは観察されなかった。充電後の電解液量を観察したところ、正極室の電解液の液面高さはケース底より約7.5cm、負極室の電解液の液面高さはケース底より約5.2cmであった。充電により、正極室電解液が増加し、負極室電解液が減少したものの、負極活物質塗工部分には十分な電解液があり、充放電を通して、塗工した正極活物質及び負極活物質が、十分な充放電反応を起こす電解液をケース内に保持できていた。
(5) Evaluation The produced nickel zinc secondary battery was subjected to constant current charging for 10 hours at a current of 0.4 mA corresponding to 0.1 C with a design capacity of 4 Ah. After charging, no deformation of the case or leakage of the electrolyte was observed. When the amount of the electrolyte after charging was observed, the electrolyte level in the positive electrode chamber was about 7.5 cm from the bottom of the case, and the electrolyte level in the negative electrode chamber was about 5.2 cm from the bottom of the case. It was. Although the positive electrode chamber electrolyte increased and the negative electrode chamber electrolyte decreased due to charging, there was sufficient electrolyte in the negative electrode active material coating part, and the applied positive electrode active material and negative electrode active material were charged and discharged. The electrolyte that causes a sufficient charge / discharge reaction could be held in the case.

例3(参考):亜鉛空気二次電池の作製
(1)多孔質基材付きセパレータの用意
例1と同様の手順により、多孔質基材付きセパレータ(以下、単にセパレータという)として、アルミナ基材上ハイドロタルサイト膜を用意した。
Example 3 (Reference): Preparation of a zinc-air secondary battery (1) Preparation of separator with porous substrate As a separator with a porous substrate (hereinafter simply referred to as a separator), an alumina substrate was prepared in the same procedure as in Example 1. An upper hydrotalcite membrane was prepared.

(2)空気極層の作製
空気極触媒としてのα−MnO粒子を次のようにして作製した。まず、Mn(SO)・5HO及びKMnOを5:13のモル比で脱イオン水に溶かして混合した。得られた混合液をテフロン(登録商標)が内貼りされたステンレス製密閉容器に入れ、140℃で水熱合成を2時間行う。水熱合成により得られた沈殿物をろ過し、蒸留水で洗浄した後、80℃で6時間乾燥した。こうしてα−MnOの粉末を得た。
(2) Production of air electrode layer α-MnO 2 particles as an air electrode catalyst were produced as follows. First, Mn (SO 4 ) · 5H 2 O and KMnO 4 were dissolved in deionized water at a molar ratio of 5:13 and mixed. The obtained mixed liquid is put into a stainless steel sealed container with Teflon (registered trademark) attached thereto, and hydrothermal synthesis is performed at 140 ° C. for 2 hours. The precipitate obtained by hydrothermal synthesis was filtered, washed with distilled water, and dried at 80 ° C. for 6 hours. In this way, α-MnO 2 powder was obtained.

水酸化物イオン伝導性材料としての層状複水酸化物粒子(以下、LDH粒子という)を次のようにして作製した。まず、Ni(NO・6HO及びFe(NO・9HOを脱イオン水にNi:Fe=3:1のモル比になるように溶かして混合した。得られた混合液を70℃で0.3MのNaCO溶液に撹拌しながら滴下した。この際、2MのNaOH溶液を加えながら混合液のpHを10に調整して、70℃で24時間保持する。混合液中に生成した沈殿物をろ過し、蒸留水で洗浄後、80℃で乾燥してLDHの粉末を得た。 Layered double hydroxide particles (hereinafter referred to as LDH particles) as hydroxide ion conductive materials were produced as follows. First, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O were dissolved and mixed in deionized water to a molar ratio of Ni: Fe = 3: 1. The resulting mixture was added dropwise to a 0.3 M Na 2 CO 3 solution at 70 ° C. with stirring. At this time, the pH of the mixed solution is adjusted to 10 while adding a 2M NaOH solution and maintained at 70 ° C. for 24 hours. The precipitate formed in the mixed solution was filtered, washed with distilled water, and then dried at 80 ° C. to obtain LDH powder.

先に得られたα−MnO粒子及びLDH粒子、並びに電子伝導性材料としてのカーボンブラック(Cabot社製、品番VXC72)を所定の配合比となるように秤量して、エタノール溶媒の共存下で湿式混合した。得られた混合物を70℃で乾燥した後、解砕する。得られた解砕粉をバインダー(PTFE、エレクトロケム社製、品番EC−TEF−500ML)及び水と混合してフィブリル化した。このとき、水の添加量は空気極に対して1質量%とした。こうして得られたフィブリル状混合物を厚さ50μmとなるように集電体(カーボンクロス(エレクトロケム社製、品番EC−CC1−060T))にシート状に圧着して空気極層/集電体の積層シートを得た。こうして得られた空気極層は、電子伝導相(カーボンブラック)を20体積%、触媒層(α−MnO粒子)を5体積%、水酸化物イオン伝導相(LDH粒子)を70体積%及びバインダー相(PTFE)を5体積%含むものであった。 The α-MnO 2 particles and LDH particles obtained earlier and carbon black (product number VXC72, manufactured by Cabot Co., Ltd.) as an electron conductive material are weighed so as to have a predetermined blending ratio, and in the presence of an ethanol solvent. Wet mixed. The resulting mixture is dried at 70 ° C. and then crushed. The obtained pulverized powder was mixed with a binder (PTFE, manufactured by Electrochem, product number EC-TEF-500ML) and water for fibrillation. At this time, the amount of water added was 1% by mass with respect to the air electrode. The fibrillar mixture thus obtained was pressure-bonded to a current collector (carbon cloth (manufactured by Electrochem, product number EC-CC1-060T)) in a sheet form so as to have a thickness of 50 μm, and the air electrode layer / current collector A laminated sheet was obtained. The air electrode layer thus obtained has an electron conductive phase (carbon black) of 20% by volume, a catalyst layer (α-MnO 2 particles) of 5% by volume, a hydroxide ion conductive phase (LDH particles) of 70% by volume and It contained 5% by volume of a binder phase (PTFE).

(3)セパレータ付き空気極の作製
アニオン交換膜(アストム社、ネオセプタAHA)を1MのNaOH水溶液に一晩浸漬させた。このアニオン交換膜をセパレータのハイドロタルサイト膜上に中間層として積層して、セパレータ/中間層積層体を得る。中間層の厚さは30μmである。得られたセパレータ/中間層積層体に、先に作製した空気極層/集電体の積層シートを、空気極層側が中間層と接するように圧着して、セパレータ付き空気極試料を得る。
(3) Production of air electrode with separator An anion exchange membrane (Astom Corp., Neocepta AHA) was immersed in 1M NaOH aqueous solution overnight. This anion exchange membrane is laminated as an intermediate layer on the hydrotalcite membrane of the separator to obtain a separator / intermediate layer laminate. The thickness of the intermediate layer is 30 μm. The separator / intermediate layer laminate thus obtained is pressure-bonded with the air electrode layer / current collector laminated sheet prepared previously so that the air electrode layer side is in contact with the intermediate layer, thereby obtaining an air electrode sample with a separator.

(4)負極板の作製
銅パンチングメタルからなる集電体上に、酸化亜鉛粉末80重量部、亜鉛粉末20重量部及びポリテトラフルオロエチレン粒子3重量部からなる混合物を塗布して、多孔度約50%で活物質部分が塗工された負極板を得る。
(4) Production of Negative Electrode Plate A mixture of 80 parts by weight of zinc oxide powder, 20 parts by weight of zinc powder and 3 parts by weight of polytetrafluoroethylene particles was applied onto a current collector made of copper punching metal, and the porosity was about A negative electrode plate coated with an active material portion at 50% is obtained.

(5)第三電極の作製
ニッケルメッシュからなる集電体上に白金ペーストを塗布して、第三電極を得る。
(5) Production of third electrode A platinum paste is applied on a current collector made of nickel mesh to obtain a third electrode.

(6)電池の組み立て
上記得られたセパレータ付き空気極、負極板、及び第三電極を用いて、図9Aに示されるような横型構造の亜鉛空気二次電池を以下のような手順で作製する。まず、ABS樹脂製で直方体形状を有する蓋の無い容器(以下、樹脂容器という)を用意する。この樹脂容器の底に負極板を、負極活物質が塗工された側が上を向くように載置する。このとき、負極集電体が樹脂容器の底部に接しており、負極集電体の端部が樹脂容器側面に貫通して設けられる外部端子と接続する。次に、樹脂容器内壁の負極板の上面よりも高い位置に(すなわち負極板と接触せず充放電反応に関与しない位置)に第三電極を設け、不織布セパレータを第三電極と接触するように配置する。樹脂容器の開口部をセパレータ付き空気極で空気極側が外側になるように塞ぎ、その際、開口部の外周部分に市販の接着剤を塗工して気密性及び液密性を与えるように封止して接着する。樹脂容器の上端近傍に設けられた小さな注入口を介して樹脂容器内に6mol/LのKOH水溶液を電解液として注入する。こうして、セパレータが電解液と接触するとともに、不織布セパレータの保液性により電解液の増減に関わらず電解液が第三電極に常時接触可能な状態とされる。このとき、注入する電解液の量は、放電末状態で電池を作製すべく、樹脂容器内で負極活物質塗工部分が十分に隠れるだけでなく、充電時に減少することが見込まれる水分量を考慮した過剰量とする。したがって、樹脂容器は上記過剰量の電解液を収容できるように設計されている。最後に、樹脂容器の注入口を封止する。こうして樹脂容器及びセパレータで区画された内部空間は気密且つ液密に密閉されている。最後に第三電極と空気極の集電層とを外部回路を介して接続する。こうして亜鉛空気二次電池を得る。
(6) Battery assembly Using the obtained air electrode with separator, negative electrode plate, and third electrode, a horizontal-type zinc-air secondary battery as shown in FIG. 9A is produced by the following procedure. . First, a container without a lid (hereinafter referred to as a resin container) made of ABS resin and having a rectangular parallelepiped shape is prepared. The negative electrode plate is placed on the bottom of the resin container so that the side on which the negative electrode active material is coated faces upward. At this time, the negative electrode current collector is in contact with the bottom of the resin container, and the end of the negative electrode current collector is connected to an external terminal provided through the side surface of the resin container. Next, a third electrode is provided at a position higher than the upper surface of the negative electrode plate on the inner wall of the resin container (that is, a position that does not contact the negative electrode plate and does not participate in the charge / discharge reaction), and the nonwoven fabric separator contacts the third electrode. Deploy. Seal the opening of the resin container with an air electrode with a separator so that the air electrode side is on the outside, and apply a commercially available adhesive to the outer periphery of the opening to provide air tightness and liquid tightness. Stop and bond. A 6 mol / L aqueous solution of KOH is injected as an electrolyte into the resin container through a small inlet provided near the upper end of the resin container. In this way, the separator comes into contact with the electrolyte solution, and the electrolyte solution can always contact the third electrode regardless of the increase or decrease of the electrolyte solution due to the liquid retaining property of the nonwoven fabric separator. At this time, the amount of electrolyte to be injected is the amount of water expected not only to sufficiently hide the negative electrode active material coating part in the resin container but also to decrease during charging in order to produce a battery in a discharged state. Use an excess amount in consideration. Therefore, the resin container is designed so as to accommodate the excessive amount of the electrolytic solution. Finally, the inlet of the resin container is sealed. Thus, the internal space defined by the resin container and the separator is hermetically and liquid-tightly sealed. Finally, the third electrode and the current collecting layer of the air electrode are connected via an external circuit. In this way, a zinc-air secondary battery is obtained.

かかる構成によれば、セパレータが水及び気体を通さない程の高度な緻密性を有するため、充電時に生成する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止し、かつ、空気中の二酸化炭素の侵入を阻止して電解液中での(二酸化炭素に起因する)アルカリ炭酸塩の析出を防止することができる。その上、負極134から副反応により発生しうる水素ガスを第三電極138に接触させて前述した反応を経て水に戻すことができる。すなわち、亜鉛デンドライトによる短絡及び二酸化炭素の混入の両方を防止するのに好適な構成を有しながら、水素ガス発生の問題にも対処可能な、信頼性の高い亜鉛空気二次電池が提供される。   According to such a configuration, since the separator has a high degree of denseness that does not allow water and gas to pass through, the penetration of the separator by the zinc dendrite generated during charging is physically blocked to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes, In addition, it is possible to prevent the infiltration of carbon dioxide in the air and to prevent the precipitation of alkali carbonate (caused by carbon dioxide) in the electrolyte. In addition, hydrogen gas that can be generated by a side reaction from the negative electrode 134 can be brought into contact with the third electrode 138 and returned to water through the above-described reaction. That is, a highly reliable zinc-air secondary battery that can cope with the problem of hydrogen gas generation while having a configuration suitable for preventing both short-circuiting due to zinc dendrite and mixing of carbon dioxide is provided. .

10,30,50 ニッケル亜鉛二次電池
12,22,32,42,52,62 多孔質基材
14,34,54 正極
15a,26a,36a,46a,56a,66a 正極内部集電体
15b,26b,36b,46b,56b,66b 正極外部集電体
16,26,36,46,56,66 負極
17a,27a,38a,48a,58a,68a 負極内部集電体
17b,27b,38b,48b,58b,68b 負極外部集電体
18,28,38,48,58,68 水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータ
20,40,60 亜鉛空気二次電池
24,44,64 空気極
110 ニッケル亜鉛二次電池
112 正極
113 正極集電体
114 正極電解液
116 負極
117 負極集電体
118 負極電解液
120 セラミックスセパレータ
122 容器
124 正極室
125 正極側余剰空間
126 負極室
127 負極側余剰空間
128 多孔質基材
130 亜鉛空気二次電池
132 空気極
134 負極
136 電解液
138 第三電極
140 セラミックスセパレータ
142 正極集電体
144 負極集電体
146 容器
146a 開口部
148 多孔質基材
10, 30, 50 Nickel zinc secondary battery 12, 22, 32, 42, 52, 62 Porous base material 14, 34, 54 Positive electrode 15a, 26a, 36a, 46a, 56a, 66a Positive electrode internal current collector 15b, 26b , 36b, 46b, 56b, 66b Positive electrode external current collector 16, 26, 36, 46, 56, 66 Negative electrode 17a, 27a, 38a, 48a, 58a, 68a Negative electrode internal current collector 17b, 27b, 38b, 48b, 58b , 68b Negative electrode external current collector 18, 28, 38, 48, 58, 68 Hydroxide ion conductive ceramic separator 20, 40, 60 Zinc air secondary battery 24, 44, 64 Air electrode 110 Nickel zinc secondary battery 112 Positive electrode 113 Positive electrode current collector 114 Positive electrode electrolyte 116 Negative electrode
117 Negative electrode current collector 118 Negative electrode electrolyte 120 Ceramic separator 122 Container 124 Positive electrode chamber 125 Positive electrode side excess space 126 Negative electrode chamber 127 Negative electrode side excess space 128 Porous substrate 130 Zinc air secondary battery 132 Air electrode 134 Negative electrode 136 Electrolyte 138 Third electrode 140 Ceramic separator 142 Positive electrode current collector 144 Negative electrode current collector 146 Container 146a Opening 148 Porous substrate

Claims (16)

水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータを用いた二次電池であって、
互いに対向する第一端面及び第二端面並びにこれらの端面の外周縁を連結する外周面を備えた柱状の多孔質基材であって、前記第一端面から前記第二端面に向かって且つ/又は前記第二端面から前記第一端面に向かって互いに平行に設けられた複数のセル孔を備えた多孔質基材と、
前記複数のセル孔内に孔毎又は孔列毎に交互に配設される正極及び負極と、
前記正極内に挿入され、前記第一端面又は前記外周面に延在する正極内部集電体と、
前記負極内に挿入され、前記第二端面、前記外周面又は前記第一端面に延在する負極内部集電体と、
前記セル孔の内壁面に形成され、前記正極及び/又は前記負極を前記多孔質基材と隔離する、水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータと、
前記正極及び/又は前記負極並びに前記多孔質基材に含浸されるアルカリ電解液と、
を備えた、二次電池。
A secondary battery using a hydroxide ion conductive ceramic separator,
A columnar porous substrate having a first end surface and a second end surface facing each other and an outer peripheral surface connecting outer peripheral edges of these end surfaces, and from the first end surface toward the second end surface and / or A porous substrate provided with a plurality of cell holes provided in parallel to each other from the second end surface toward the first end surface;
A positive electrode and a negative electrode that are alternately arranged in the plurality of cell holes for each hole or for each hole row;
A positive electrode internal current collector inserted into the positive electrode and extending to the first end surface or the outer peripheral surface;
A negative electrode internal current collector inserted into the negative electrode and extending to the second end surface, the outer peripheral surface or the first end surface;
A hydroxide ion conductive ceramic separator formed on an inner wall surface of the cell hole and separating the positive electrode and / or the negative electrode from the porous substrate;
An alkaline electrolyte impregnated in the positive electrode and / or the negative electrode and the porous substrate;
A secondary battery comprising:
前記セル孔が非貫通孔であり、前記多孔質基材が前記複数の非貫通孔を規則的に備えたハニカム状であり、前記第一端面から前記第二端面に向かって形成された前記非貫通孔に前記正極及び前記正極内部集電体が収容され、且つ、前記第二端面から前記第一端面に向かって形成された前記非貫通孔に前記負極及び前記負極内部集電体が収容され、それにより前記正極内部集電体と前記負極内部集電体が互いに反対の端面に延在してなる、請求項1に記載の二次電池。   The cell holes are non-through holes, and the porous base material has a honeycomb shape regularly provided with the plurality of non-through holes, and the non-through holes are formed from the first end surface toward the second end surface. The positive electrode and the positive electrode internal current collector are accommodated in the through hole, and the negative electrode and the negative electrode internal current collector are accommodated in the non-through hole formed from the second end surface toward the first end surface. The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode internal current collector and the negative electrode internal current collector are extended to opposite end surfaces. 前記第一端面に設けられ、複数の前記正極内部集電体の端部と接続される正極外部集電体と、前記第二端面に設けられ、複数の前記負極内部集電体の端部と接続される負極外部集電体とをさらに備えた、請求項2に記載の二次電池。   A positive external current collector provided on the first end face and connected to ends of the plurality of positive internal collectors; and an end of the negative internal current collector provided on the second end face; The secondary battery according to claim 2, further comprising a negative electrode external current collector to be connected. 前記セル孔が貫通孔であり、前記多孔質基材が前記複数の貫通孔を規則的に備えたモノリス状であり、前記正極内に挿入される前記正極内部集電体が、前記多孔質基材に形成されたスリットを介して前記外周面に延在し、前記負極内に挿入される前記負極内部集電体が、前記多孔質基材に形成された別のスリットを介して前記外周面に延在する、請求項1に記載の二次電池。   The cell hole is a through-hole, the porous substrate is a monolithic shape regularly provided with the plurality of through-holes, and the positive electrode internal current collector inserted into the positive electrode has the porous group The negative electrode internal current collector that extends to the outer peripheral surface through a slit formed in the material and is inserted into the negative electrode is connected to the outer peripheral surface through another slit formed in the porous substrate. The secondary battery according to claim 1, which extends to 前記外周面に設けられ、複数の前記正極内部集電体の端部と接続される正極外部集電体と、前記外周面の前記正極外部集電体の存在しない領域に設けられ、複数の前記負極内部集電体の端部と接続される負極外部集電体とをさらに備えた、請求項4に記載の二次電池。   A positive external current collector provided on the outer peripheral surface and connected to ends of the positive internal current collectors; and provided in a region of the outer peripheral surface where the positive external current collector does not exist, The secondary battery according to claim 4, further comprising a negative electrode external current collector connected to an end of the negative electrode internal current collector. 前記正極外部集電体が前記外周面の特定の側に設けられ、前記負極外部集電体が前記外周面の前記正極外部集電体と反対側に設けられる、請求項5に記載の二次電池。   The secondary according to claim 5, wherein the positive electrode external current collector is provided on a specific side of the outer peripheral surface, and the negative electrode external current collector is provided on the opposite side of the outer peripheral surface from the positive electrode external current collector. battery. 前記水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータが、透水性を有しない程に緻密化された膜状又は層状の形態である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the hydroxide ion conductive ceramic separator is in the form of a film or a layer that is so dense that it does not have water permeability. 前記水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータが、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the hydroxide ion conductive ceramic separator is made of an inorganic solid electrolyte body having hydroxide ion conductivity. 前記無機固体電解質体が90%以上の相対密度を有する、請求項8に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 8, wherein the inorganic solid electrolyte body has a relative density of 90% or more. 前記無機固体電解質体が、一般式:
2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mH
(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)
の基本組成を有する層状複水酸化物からなる、請求項8又は9に記載の二次電池。
The inorganic solid electrolyte body has the general formula:
M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O
(Wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, A n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0 0.1 to 0.4, and m is 0 or more)
The secondary battery according to claim 8, comprising a layered double hydroxide having a basic composition of:
前記一般式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含む、請求項10に記載の二次電池。 In the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - containing and / or CO 3 2- and secondary battery according to claim 10. 前記無機固体電解質体が水熱処理によって緻密化されたものである、請求項8〜11のいずれか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 8, wherein the inorganic solid electrolyte body is densified by hydrothermal treatment. 前記負極が亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含んでなり、それにより前記二次電池が亜鉛二次電池として構成される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode includes zinc, a zinc alloy, and / or a zinc compound, whereby the secondary battery is configured as a zinc secondary battery. 前記正極が空気極であり、前記正極内部集電体が通気性を有し、それにより前記二次電池が亜鉛空気二次電池として構成される、請求項13に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 13, wherein the positive electrode is an air electrode, and the positive electrode internal current collector has air permeability, whereby the secondary battery is configured as a zinc-air secondary battery. 前記正極外部集電体が通気性を有する、請求項14記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 14, wherein the positive electrode external current collector has air permeability. 前記正極が前記水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含んでなり、それにより前記二次電池がニッケル亜鉛二次電池として構成される、請求項13に記載の二次電池。
The secondary battery according to claim 13, wherein the positive electrode comprises the nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide, whereby the secondary battery is configured as a nickel zinc secondary battery.
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