JP2017016901A - Zinc air cell - Google Patents

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JP2017016901A
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裕一 権田
Yuichi Gonda
裕一 権田
鬼頭 賢信
Masanobu Kito
賢信 鬼頭
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zinc air cell that securely separates a cathode and an anode by use of a separator even though the configuration is simplified by reducing the number of components such that a sealing structure due to the installation of the separator is minimized.SOLUTION: A zinc air cell comprises: an air electrode as a cathode; an anode containing zinc, a zinc alloy and/or a zinc compound; an electrolyte; a separator that is provided so as to separate the air electrode chamber and an anode chamber, that conducts a hydrogen ion but permeates neither water nor air; and a battery container accommodating these. The separator has the shape of a cell container. The air electrode is accommodated in this separator, and the anode and the electrolyte are accommodated in the battery container outside the separator. Alternatively, the anode and the electrolyte are accommodated in the separator and the air electrode is accommodated in the battery container outside the separator. The air electrode chamber is open to outside air. The anode chamber is a sealed space defined by the cell container type separator, cell container and/or a sealing member.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本発明は、亜鉛空気電池に関するものである。   The present invention relates to a zinc-air battery.

革新電池候補の一つとして金属空気電池が挙げられる。金属空気電池は、電池反応に関与する酸素が空気中から供給されるため、電池容器内のスペースを負極活物質の充填に最大限利用することができ、それにより原理的に高いエネルギー密度を実現することができる。   One of the innovative battery candidates is a metal-air battery. In metal-air batteries, the oxygen involved in the battery reaction is supplied from the air, so the space in the battery container can be used to fill the negative electrode active material to the maximum, thereby realizing a high energy density in principle. can do.

現在提案されている金属空気電池の多くはリチウム空気電池である。しかし、リチウム空気電池には、空気極上での望ましくない反応生成物の析出、二酸化炭素の混入、リチウムデンドライト(樹枝状結晶)の形成による正負極間の短絡等、多くの技術的課題が存在している。   Many of the metal-air batteries currently proposed are lithium-air batteries. However, there are many technical problems with lithium-air batteries, such as deposition of undesirable reaction products on the air electrode, carbon dioxide contamination, and short circuit between positive and negative electrodes due to the formation of lithium dendrite (dendritic crystals). ing.

一方、亜鉛を負極活物質として用いる亜鉛空気電池も従来から知られている。特に、亜鉛空気一次電池は既に量産化され、補聴器等の電源として広く利用されている。亜鉛空気電池においては、電解液として水酸化カリウム等のアルカリ水溶液が用いられ、正負極間の短絡を防止するためにセパレータ(隔壁)が用いられる。放電時には、以下の反応式に示されるように、空気極(正極)側でOが還元されてOHが生成する一方、負極で亜鉛が酸化されてZnOが生成する。
空気極: O+2HO+4e→4OH
負極: 2Zn+4OH→2ZnO+2HO+4e
On the other hand, a zinc-air battery using zinc as a negative electrode active material has also been conventionally known. In particular, zinc-air primary batteries have already been mass-produced and are widely used as power supplies for hearing aids and the like. In a zinc-air battery, an alkaline aqueous solution such as potassium hydroxide is used as an electrolytic solution, and a separator (partition) is used to prevent a short circuit between positive and negative electrodes. At the time of discharging, as shown in the following reaction formula, O 2 is reduced on the air electrode (positive electrode) side to generate OH −, while zinc is oxidized on the negative electrode to generate ZnO.
Air electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Negative electrode: 2Zn + 4OH → 2ZnO + 2H 2 O + 4e

この亜鉛空気電池を二次電池として使う試みもなされたが、充電時に負極でZnOが還元されて金属亜鉛が樹枝状に析出してデンドライトを形成してしまい、このデンドライトがセパレータを貫通して空気極と短絡を起こしてしまうという問題があり、亜鉛空気電池の二次電池としての実用化を大きく妨げていた。その上、空気極側では、空気中の二酸化炭素が空気極を通り抜けて電解液に溶解し、アルカリ炭酸塩を析出して電池性能を低下させるという問題もあった。亜鉛空気電池は、リチウム空気電池と比べて、反応に伴う問題は大きくないことから、亜鉛デンドライトによる正負極間の短絡及び二酸化炭素の混入に伴う問題が解決すれば高容量二次電池としての実現性が高いものと言われている。したがって、亜鉛空気二次電池において、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技術が強く望まれている。   Attempts have also been made to use this zinc-air battery as a secondary battery, but during charging, ZnO is reduced at the negative electrode, and metallic zinc is deposited in a dendritic form to form dendrites, and these dendrites penetrate the separator through the air. There is a problem of causing a short circuit with the electrode, which greatly hinders the practical application of zinc-air batteries as secondary batteries. In addition, on the air electrode side, carbon dioxide in the air passes through the air electrode and dissolves in the electrolytic solution, and there is a problem in that the alkaline carbonate is precipitated to deteriorate the battery performance. Compared to lithium-air batteries, zinc-air batteries do not have much of a problem with reaction, so if the problems with short circuit between positive and negative electrodes due to zinc dendrite and carbon dioxide contamination are solved, it can be realized as a high-capacity secondary battery. It is said to have a high quality. Therefore, in a zinc-air secondary battery, a technique for preventing both short-circuiting by zinc dendrite and mixing of carbon dioxide is strongly desired.

そのような問題ないし要望に対処する技術として、特許文献1(国際公開第2013/073292号)には、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、かつ、無機固体電解質体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する試みが提案されている。また、この文献には、無機固体電解質体が、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、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からなるものが好ましいことも記載されている。 As a technique for coping with such problems or requests, Patent Document 1 (International Publication No. 2013/073292) uses a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte as a separator, and an inorganic solid electrolyte is used as a separator. There has been proposed an attempt to prevent both short-circuit between positive and negative electrodes due to zinc dendrite during charging and mixing of carbon dioxide into the electrolyte by providing the air electrode in close contact with one side. Further, this document 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 in and, M 3+ is a trivalent cation, a n-is the n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x is has a basic composition of 0.1 to 0.4) It is also described that what consists of a layered double hydroxide is preferable.

一方、高電圧や大電流を得るために、複数の単電池を組み合わせて作られた組電池が広く採用されている。組電池は、単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, an assembled battery made by combining a plurality of single cells is widely adopted. The assembled battery has a configuration in which a stacked body in which a plurality of cells are connected in series or in parallel is housed in one battery container.

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セラミックスセパレータ(無機固体電解質セパレータ)の開発に先だって成功している。また、そのようなセラミックスセパレータを多孔質基材(例えばアルミナ多孔質基材)上に形成することにも成功している。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)を用いて亜鉛空気二次電池を構成した場合、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空気極側と負極側に確実に仕切ることが望まれる。特に、平板状の水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで空気極側と負極側を確実に仕切ろうとした場合、セパレータの外周縁やセパレータを含む構造体の接合部分で液密性を確保するための精巧な封止構造が望まれるが、より簡素な構成で所望の液密性を確保できれば極めて好都合である。また、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積層電池、組電池等の電池を構成できればなお好都合である。   The present applicant has succeeded in the development of a ceramic separator (inorganic solid electrolyte separator) that has hydroxide ion conductivity but is highly densified to such an extent that it does not have water permeability and air permeability. Moreover, it has succeeded also in forming such a ceramic separator on a porous base material (for example, alumina porous base material). When a zinc-air secondary battery is configured using such a separator (or a separator with a porous substrate), the penetration of the separator by zinc dendrite generated during charging is physically blocked to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. In addition, the intrusion of carbon dioxide in the air can be prevented to prevent the precipitation of alkali carbonate (caused by carbon dioxide) in the electrolyte. In order to maximize this effect, it is desired to reliably partition the inside of the battery container into an air electrode side and a negative electrode side with a hydroxide ion conductive ceramic separator. In particular, when trying to securely partition the air electrode side and the negative electrode side with a flat plate hydroxide ion conductive ceramic separator, it is necessary to ensure liquid tightness at the outer peripheral edge of the separator and the joint part of the structure including the separator. An elaborate sealing structure is desired, but it is extremely advantageous if a desired liquid-tightness can be secured with a simpler configuration. In addition, in order to obtain a high voltage and a large current while securing such a configuration, it is still advantageous if a battery such as a stacked battery or a battery pack in which a plurality (preferably a large number) of unit batteries are incorporated in a space efficient manner can be configured.

本発明者らは、今般、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しないセパレータとしてセル容器型セパレータを用いることで、セパレータの設置に伴う封止構造を最小限とした、部品点数の少ない簡素化された構成でありながら、正負極間(すなわち空気極と負極の間)をセパレータで確実に隔離可能な亜鉛空気電池を構成できるとの知見を得た。また、このようなセル容器型セパレータを備えた電池によれば、複数の単位電池がスペース効率良く組み込まれた積層電池、組電池等の電池に特に適する、すなわち積層電池、組電池等の電池における単位電池の集積密度を格段に向上して大容量化できるとの知見も得た。   The present inventors have recently used a cell container type separator as a separator having hydroxide ion conductivity but not water permeability, thereby minimizing the sealing structure associated with the installation of the separator, and reducing the number of parts. The present inventors have obtained the knowledge that a zinc-air battery that can be reliably separated with a separator between the positive and negative electrodes (that is, between the air electrode and the negative electrode) is obtained with a simplified configuration. Moreover, according to the battery provided with such a cell container type separator, it is particularly suitable for a battery such as a laminated battery and an assembled battery in which a plurality of unit batteries are incorporated with good space efficiency, that is, in a battery such as a laminated battery and an assembled battery. It was also found that the integration density of unit cells can be greatly improved to increase the capacity.

したがって、本発明の目的は、セパレータの設置に伴う封止構造を最小限とした、部品点数の少ない簡素化された構成でありながら、正負極間をセパレータで確実に隔離可能な亜鉛空気電池を提供することにある。また、積層電池、組電池等の電池における単位電池の集積密度を向上するのに特に適した亜鉛空気電池を提供することも本発明の目的の一つである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a zinc-air battery that can reliably separate the positive and negative electrodes with a separator while having a simplified configuration with a small number of parts and a minimum sealing structure associated with the installation of the separator. It is to provide. It is also an object of the present invention to provide a zinc-air battery that is particularly suitable for improving the integration density of unit batteries in batteries such as laminated batteries and assembled batteries.

本発明の一態様によれば、正極としての空気極と、
亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含む負極と、
前記負極が浸漬される、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記空気極を収容する空気極室と、前記負極及び前記電解液を収容する負極室とを区画するように設けられ、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セパレータと、
前記空気極、前記負極、前記電解液、及び前記セパレータを収容する電池容器と、
を備えてなる亜鉛空気電池であって、
前記セパレータがセル容器の形状を有するセル容器型セパレータであり、それにより、前記セル容器型セパレータ内に前記空気極が収容され且つ前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記負極及び前記電解液が収容されるか、又は前記セル容器型セパレータ内に前記負極及び前記電解液が収容され且つ前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記空気極が収容されてなり、
前記空気極室が外気に開放される一方、前記負極室が前記電池容器型セパレータと前記電池容器及び/又は封止部材とによって形成された密閉空間とされてなる、亜鉛空気電池が提供される。
According to one aspect of the present invention, an air electrode as a positive electrode;
A negative electrode comprising zinc, a zinc alloy and / or a zinc compound;
An electrolyte containing an aqueous alkali metal hydroxide solution in which the negative electrode is immersed;
A separator that is provided to partition the air electrode chamber that accommodates the air electrode and the negative electrode chamber that accommodates the negative electrode and the electrolyte, and has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability and air permeability; ,
A battery container containing the air electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, and the separator;
A zinc-air battery comprising:
The separator is a cell container type separator having a cell container shape, whereby the air electrode is accommodated in the cell container type separator, and the negative electrode and the electrolysis are included in the battery container outside the cell container type separator. Liquid is contained, or the negative electrode and the electrolytic solution are contained in the cell container type separator and the air electrode is contained in the battery container outside the cell container type separator,
There is provided a zinc-air battery in which the air electrode chamber is opened to the outside air, and the negative electrode chamber is a sealed space formed by the battery container type separator and the battery container and / or a sealing member. .

本発明による亜鉛空気電池の一形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one form of the zinc air battery by this invention. 図1Aに示される亜鉛空気電池の断面構造を部分的に示す部分断面斜視図である。1B is a partial cross-sectional perspective view partially showing a cross-sectional structure of the zinc-air battery shown in FIG. 1A. FIG. 本発明による亜鉛空気電池の他の一形態(組電池)を模式的に示す断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view which shows typically another form (assembled battery) of the zinc air battery by this invention. 図2Aに示される亜鉛空気電池を斜め上から見た斜視図である。It is the perspective view which looked at the zinc air battery shown by FIG. 2A from diagonally upward. 多孔質基材付きセパレータの一態様を部分的に示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows partially the one aspect | mode of the separator with a porous base material. 多孔質基材付きセパレータの他の一態様を部分的に示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows partially another aspect of the separator with a porous substrate. 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.

亜鉛空気電池
図1A及び1Bに本発明による亜鉛空気電池の一態様を模式的に示す。図1A及び1Bに示される亜鉛空気電池10は、空気極12と、負極16と、電解液(図示せず)と、セパレータ20と、電池容器22とを備えてなる。空気極12は正極として機能する。負極16は、亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含む。電解液は、負極16が浸漬される、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む液である。電池容器22は、空気極12、負極16、電解液、及びセパレータ20を収容する容器である。負極16及び電解液は必ずしも分離している必要はなく、負極16と電解液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、空気極集電体が空気極12に接触して設けられてもよいし、電池容器22が空気極集電体で構成されてもよい。また、所望により、負極集電体17が負極16に接触して設けられる。セパレータ20は、電池容器22内に、空気極12を収容する空気極室24と、負極16及び電解液を収容する負極室26とを区画するように設けられる。そして、空気極室24が外気に開放される一方、負極室26がセパレータ20と電池容器22及び/又は封止部材(図示せず)とによって形成された密閉空間とされてなる。
Zinc Air Battery FIGS. 1A and 1B schematically show one embodiment of the zinc air battery according to the present invention. A zinc-air battery 10 shown in FIGS. 1A and 1B includes an air electrode 12, a negative electrode 16, an electrolytic solution (not shown), a separator 20, and a battery container 22. The air electrode 12 functions as a positive electrode. The negative electrode 16 contains zinc, a zinc alloy, and / or a zinc compound. The electrolytic solution is a solution containing an alkali metal hydroxide aqueous solution in which the negative electrode 16 is immersed. The battery container 22 is a container that houses the air electrode 12, the negative electrode 16, the electrolytic solution, and the separator 20. The negative electrode 16 and the electrolytic solution are not necessarily separated from each other, and may be configured as a negative electrode mixture in which the negative electrode 16 and the electrolytic solution are mixed. If desired, an air electrode current collector may be provided in contact with the air electrode 12, or the battery container 22 may be formed of an air electrode current collector. Further, if desired, a negative electrode current collector 17 is provided in contact with the negative electrode 16. The separator 20 is provided in the battery container 22 so as to partition an air electrode chamber 24 that stores the air electrode 12 and a negative electrode chamber 26 that stores the negative electrode 16 and the electrolytic solution. The air electrode chamber 24 is opened to the outside air, while the negative electrode chamber 26 is a sealed space formed by the separator 20, the battery container 22, and / or a sealing member (not shown).

セパレータ
セパレータ20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。なお、本明細書において「透水性を有しない」とは、後述する例1で採用される「緻密性判定試験I」又はそれに準ずる手法ないし構成で透水性を評価した場合に、測定対象物(例えばLDH膜及び/又は多孔質基材)の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。すなわち、セパレータ20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20が水も気体も通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性及び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、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、後述するようにセパレータ20に多孔質基材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20は水酸化物イオン伝導性を有するため、空気極12と電解液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空気極12及び負極16における充放電反応を実現することができる。
The separator separator 20 has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability and air permeability. In the present specification, “not having water permeability” means “measurement object (when the water permeability is evaluated by a“ denseness determination test I ”employed in Example 1 described later) or a technique or configuration according to the“ denseness determination test I ”. For example, it means that water that contacts one side of the LDH membrane and / or porous substrate does not permeate the other side. In other words, the fact that the separator 20 does not have water permeability and air permeability means that the separator 20 has a high degree of denseness so that neither water nor gas can pass through, and a porous film having water permeability and air permeability. It means that it is not other porous material. 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. Needless to say, a porous substrate may be attached to the separator 20 as described later. In any case, since the separator 20 has hydroxide ion conductivity, it is possible to efficiently transfer the necessary hydroxide ions between the air electrode 12 and the electrolytic solution, and the charge in the air electrode 12 and the negative electrode 16 can be increased. A discharge reaction can be realized.

図1A及び1Bに示されるように、セパレータ20はセル容器の形状を有するセル容器型セパレータである。それにより、図1A及び1Bに示されるようにセル容器型セパレータ20内に負極16及び電解液が収容され且つセル容器型セパレータ20外の電池容器22内に空気極12が収容されるか、或いは(図示されていないが)セル容器型セパレータ20内に空気極12が収容され且つセル容器型セパレータ20外の電池容器22内に負極16及び電解液が収容される。なお、以下の説明においては説明の便宜上、後者の態様に関する記述を括弧書きにて併記するものとする。このようにセル容器型セパレータを用いることで、セパレータの設置に伴う封止構造を最小限とした、部品点数の少ない簡素化された構成でありながら、正負極間をセパレータで確実に隔離可能な亜鉛空気電池を構成できる。すなわち、平板状の水酸化物イオン伝導性セラミックスセパレータで空気極側と負極側を確実に仕切ろうとした場合、セパレータの外周縁やセパレータを含む構造体の接合部分での液密性及び気密性を確保するための精巧な封止構造が望まれるところ、そのような封止構造は枠状部材や接着剤等を用いて入念に構築する必要があり、それ故、部品点数が多くなり構造及び製造方法も複雑なものとなりうる。これに対して、本発明において採用されるセル容器型セパレータ20は、その中に負極16及び電解液(又は空気極12)を収容することで、その収容された電極等を、セル容器型セパレータ20の外側に収容される空気極12(又は負極16及び電解液)と確実に隔離することができる。すなわち、セル容器型セパレータ20はその容器型形状に起因して、空気極12、負極16及び電解液と接触する主要部分において外周縁ないし端部が存在し得ないため、外周縁ないし端部を枠状部材や接着剤等を用いて封止する封止構造を最小限とすることができる。換言すれば、本発明の亜鉛空気電池10においては、負極16及び電解液(又は空気極12)がセル容器型セパレータ20自体で包まれることで、液密かつ気密に空気極12(又は負極16及び電解液)と隔離されているといえる。その結果、部品点数の少ない簡素化された構成でありながら、正負極間をセパレータで確実に隔離可能な亜鉛空気電池を構成できる。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the separator 20 is a cell container type separator having the shape of a cell container. Thereby, as shown in FIGS. 1A and 1B, the negative electrode 16 and the electrolytic solution are accommodated in the cell container type separator 20 and the air electrode 12 is accommodated in the battery container 22 outside the cell container type separator 20, or The air electrode 12 is accommodated in the cell container type separator 20 (not shown), and the negative electrode 16 and the electrolytic solution are accommodated in the battery container 22 outside the cell container type separator 20. In the following explanation, for the convenience of explanation, the description regarding the latter mode is also written in parentheses. By using the cell container type separator in this way, it is possible to reliably separate the positive and negative electrodes with a separator while having a simplified configuration with a reduced number of parts and a minimum sealing structure associated with the installation of the separator. A zinc-air battery can be constructed. That is, when trying to partition the air electrode side and the negative electrode side with a flat plate hydroxide ion conductive ceramic separator, the liquid-tightness and air-tightness at the outer peripheral edge of the separator and the joint part of the structure including the separator are improved. Where an elaborate sealing structure is desired to ensure, such a sealing structure must be carefully constructed using frame-like members, adhesives, etc., and therefore the number of parts increases and the structure and manufacturing The method can also be complex. On the other hand, the cell container type separator 20 employed in the present invention contains the negative electrode 16 and the electrolytic solution (or the air electrode 12) therein, so that the accommodated electrode or the like can be used as the cell container type separator. Therefore, the air electrode 12 (or the negative electrode 16 and the electrolytic solution) accommodated outside the air electrode 20 can be reliably isolated. That is, since the cell container type separator 20 cannot have an outer peripheral edge or end portion in a main part that contacts the air electrode 12, the negative electrode 16, and the electrolyte due to the container shape, It is possible to minimize a sealing structure that is sealed using a frame-shaped member, an adhesive, or the like. In other words, in the zinc-air battery 10 of the present invention, the negative electrode 16 and the electrolyte (or air electrode 12) are wrapped in the cell container separator 20 itself, so that the air electrode 12 (or the negative electrode 16) is liquid-tight and air-tight. And electrolyte solution). As a result, it is possible to configure a zinc-air battery capable of reliably separating positive and negative electrodes with a separator while having a simplified configuration with a small number of parts.

また、このようなセル容器型セパレータ20を備えた電池は、複数の単位電池がスペース効率良く組み込まれた積層電池、組電池等の電池に特に適している。これは、負極16及び電解液(又は空気極12)が収容された複数個のセル容器型セパレータ20を、それらの間に空気極12(又は負極16及び電解液)を介在させながら一次元方向(x方向)又は二次元方向(x−y方向に)配列させる電池構成を格段に採用しやすくなるためであり、その結果、積層電池、組電池等の電池における単位電池の集積密度を格段に向上して大容量化できる。例えば、図2A及び2Bに示されるように、組電池容器102内に複数個の亜鉛空気電池10を互いに離間させた所望の位置に(好ましくは規則的に)配置させて並列接続することで、複数の単位電池セルを備えた電池(例えば並列積層電池や並列組電池)を容易に構成することができる。この場合、亜鉛空気電池10が互いに離間されることで空気極12への空気の供給経路が確保されるのが好ましい。あるいは、図示していないが、電池容器22内に充填された空気極12(又は負極16及び電解液)のマトリックス中に、複数個のセル容器型セパレータ20(その中には負極16及び電解液(又は空気極12)が収容される)を所望の位置に(好ましくは規則的に)配置させて並列接続することで、複数の単位電池セルを備えた電池(例えば並列積層電池や並列組電池)を比較的容易に構成することもできる。したがって、本発明の好ましい態様によれば、セル容器型セパレータ20の外側に空気極12が設けられる場合において、図2A及び2Bに示されるように、組電池容器102内に複数個の亜鉛空気電池10が互いに離間されて配設されてなることができる。あるいは、本発明の別の好ましい態様によれば、電池容器22内に複数個のセル容器型セパレータ20が互いに離間されて配設され、該複数個のセル容器型セパレータ20の各々に負極16及び電解液(又は空気極12)が収容されてなることができる。   In addition, a battery provided with such a cell container type separator 20 is particularly suitable for a battery such as a laminated battery or an assembled battery in which a plurality of unit batteries are incorporated with good space efficiency. This is a one-dimensional direction in which a plurality of cell container type separators 20 in which a negative electrode 16 and an electrolytic solution (or an air electrode 12) are housed are interposed between the air electrode 12 (or the negative electrode 16 and an electrolytic solution). This is because a battery configuration that is arranged in the (x direction) or two-dimensional direction (x-y direction) is remarkably easier to adopt, and as a result, the integration density of unit cells in batteries such as laminated batteries and assembled batteries is remarkably increased. The capacity can be improved. For example, as shown in FIGS. 2A and 2B, a plurality of zinc-air batteries 10 are arranged in a desired position separated from each other (preferably regularly) in the assembled battery container 102, and are connected in parallel. A battery (for example, a parallel laminated battery or a parallel assembled battery) including a plurality of unit battery cells can be easily configured. In this case, it is preferable that the air supply path to the air electrode 12 is secured by separating the zinc-air batteries 10 from each other. Or although not shown in figure, in the matrix of the air electrode 12 (or negative electrode 16 and electrolyte solution) with which the battery container 22 was filled, several cell container type | mold separators 20 (the negative electrode 16 and electrolyte solution are contained in it) (Or the air electrode 12) is placed in a desired position (preferably regularly) and connected in parallel, so that a battery having a plurality of unit battery cells (for example, a parallel stacked battery or a parallel assembled battery) ) Can be configured relatively easily. Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, when the air electrode 12 is provided outside the cell container type separator 20, a plurality of zinc-air batteries are provided in the assembled battery container 102 as shown in FIGS. 2A and 2B. 10 may be spaced apart from each other. Alternatively, according to another preferred embodiment of the present invention, a plurality of cell container type separators 20 are disposed in the battery container 22 so as to be spaced apart from each other, and the negative electrode 16 and An electrolytic solution (or air electrode 12) can be accommodated.

セル容器型セパレータ20は、負極16及び電解液(又は空気極12)を漏れなく収容できるかぎり、あらゆる容器の形状を有するものであってよいが、好ましくは袋管状、筒状、箱状又は袋状の形状である。これらの形状は容器の形状を有するが故にいずれも底が抜けていない形状であることが前提であり、例えば筒状形状の場合には少なくとも一端が閉じられてなるのはいうまでもない。また、袋管状及び筒状の形状は断面が円形ないし楕円形であってもよいし、正方形ないし長方形であってもよいし、それらの組合せ形状であってもよく、特に限定されない。   The cell container separator 20 may have any container shape as long as it can accommodate the negative electrode 16 and the electrolyte solution (or the air electrode 12) without omission, but is preferably a bag tube, tube, box, or bag. Shape. Since these shapes have the shape of a container, it is a premise that none of them has a bottom shape. For example, in the case of a cylindrical shape, it is needless to say that at least one end is closed. The tubular and cylindrical shapes of the bag may be circular or elliptical in cross section, square or rectangular, or a combination thereof, and are not particularly limited.

特に好ましくは、セル容器型セパレータ20内には負極16及び電解液が収容され、かつ、セル容器型セパレータ20外の電池容器22内に空気極12がセル容器型セパレータ20の外壁に沿った形で収容される。こうすることで、充放電に伴い負極16の形状一体性が損なわれやすい状態になったとしても、セル容器型セパレータ20の容器形状によって負極16の形状を望ましく保持して充放電に関与させ続けることができ、その結果、安定した電池性能を発揮させることができる。   Particularly preferably, the negative electrode 16 and the electrolytic solution are accommodated in the cell container type separator 20, and the air electrode 12 is formed along the outer wall of the cell container type separator 20 in the battery container 22 outside the cell container type separator 20. Is housed in. By doing so, even if the shape integrity of the negative electrode 16 is likely to be impaired due to charge / discharge, the shape of the negative electrode 16 is desirably maintained by the container shape of the cell container type separator 20 and continues to be involved in charge / discharge. As a result, stable battery performance can be exhibited.

あるいは、セル容器型セパレータ20内に空気極12がセル容器型セパレータ20の内壁に沿った形で収容され、かつ、セル容器型セパレータ20外の電池容器内に負極16及び電解液が収容されてもよい。   Alternatively, the air electrode 12 is accommodated in the cell container type separator 20 along the inner wall of the cell container type separator 20, and the negative electrode 16 and the electrolytic solution are accommodated in the battery container outside the cell container type separator 20. Also good.

セパレータ20は無機固体電解質体からなるのが好ましい。セパレータ20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、電解液を空気極から隔離するとともに水酸化物イオン伝導性を確保する。そして、セパレータ20を構成する無機固体電解質は典型的には緻密で硬い無機固体であるため、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することが可能となる。その結果、亜鉛空気電池の信頼性を大幅に向上することができる。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 separator 20 is preferably made of an inorganic solid electrolyte body. By using a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte as the separator 20, the electrolytic solution is isolated from the air electrode and the hydroxide ion conductivity is secured. And since the inorganic solid electrolyte which comprises the separator 20 is typically a dense and hard inorganic solid, the penetration of the separator by the zinc dendrite produced | generated at the time of charge is blocked physically, and the short circuit between positive and negative electrodes is prevented. Is possible. As a result, the reliability of the zinc-air battery can be greatly improved. 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.

セパレータ20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20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 separator 20 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 20 includes an open-pore porous body 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 body. It may be a complex. 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)を含むのが好ましく、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。より具体的には、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。mは水のモル数を意味する任意の数であり、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。 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 is preferable to contain 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. More specifically, 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. m is an arbitrary number which means the number of moles of water, and is a real number or an integer of 0 or more, typically more than 0 or 1 or more.

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、板状、膜状又は層状のいずれの形態であってもよく、膜状又は層状の形態である場合、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。板状の形態であると十分な堅さを確保して亜鉛デンドライトの貫通をより効果的に阻止することができる。一方、板状よりも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。板状の無機固体電解質体の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.02〜0.2mm、さらに好ましくは0.05〜0.1mmである。また、無機固体電解質体の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には10−4〜10−1S/mの伝導度を有する。一方、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20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 may be in the form of a plate, a film, or a layer. When the inorganic solid electrolyte is in the form of a film or a layer, the film or layer of the inorganic solid electrolyte is on the porous substrate or its It is preferably formed in the inside. When the plate-like form is used, sufficient hardness can be secured and penetration of zinc dendrites can be more effectively prevented. On the other hand, if the film or layer form is thinner than the plate, there is an advantage that the resistance of the separator can be significantly reduced while ensuring the minimum necessary hardness to prevent the penetration of zinc dendrite. is there. The preferred thickness of the plate-like inorganic solid electrolyte body is 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.02 to 0.2 mm, and still more preferably 0.05 to 0.1 mm. Moreover, the higher the hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte body, the better, but it typically has a conductivity of 10 −4 to 10 −1 S / m. On the other hand, 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 20 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.

セル容器型セパレータ20の負極16側の面に、セル容器型セパレータ20と適合したセル容器形状を有するセル容器型多孔質基材をさらに備えていてもよい。多孔質基材は透水性を有し、それ故電解液がセパレータ20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20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20を薄くして低抵抗化を図ることもできる。また、多孔質基材上又はその中に無機固体電解質体(好ましくはLDH)の緻密膜ないし緻密層を形成することもできる。セパレータ20の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材に無機固体電解質を成膜する手法が考えられる(この手法については後述する)。なお、多孔質基材はセパレータ20の片面の全面にわたって設けられるのが好ましいが、セパレータ20の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ設ける構成としてもよい。例えば、多孔質基材上又はその中に無機固体電解質体を膜状又は層状に形成した場合、その製法に由来して、セパレータ20の片面の全面にわたって多孔質基材が設けられた構成になるのが典型的である。一方、無機固体電解質体を(基材を必要としない)自立した容器状に形成した場合には、セパレータ20の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ多孔質基材を後付けしてもよいし、片面の全面にわたって多孔質基材を後付けしてもよい。   A cell container type porous substrate having a cell container shape compatible with the cell container type separator 20 may be further provided on the negative electrode 16 side surface of the cell container type separator 20. It goes without saying that the porous substrate has water permeability, and therefore, the electrolyte solution can reach the separator 20, but the presence of the porous substrate allows hydroxide ions to be more stably formed on the separator 20. It can also be held. Moreover, since strength can be imparted by the porous substrate, the separator 20 can be thinned to reduce resistance. Also, a dense film or a dense layer of an inorganic solid electrolyte (preferably LDH) can be formed on or in the porous substrate. In the case of providing a porous substrate on one side of the separator 20, a method of preparing a porous substrate and depositing an inorganic solid electrolyte on the porous substrate can be considered (this method will be described later). In addition, although it is preferable that a porous base material is provided over the whole surface of the single side | surface of the separator 20, it is good also as a structure provided only in a part (for example, area | region in connection with charging / discharging reaction) of the single side | surface of the separator 20. FIG. For example, when the inorganic solid electrolyte is formed in a film or layer on or in the porous substrate, the porous substrate is provided over the entire surface of one side of the separator 20 due to the manufacturing method. It is typical. On the other hand, when the inorganic solid electrolyte body is formed in a self-supporting container shape (which does not require a base material), the porous base material is provided only on a part of one side of the separator 20 (for example, a region involved in the charge / discharge reaction). It may be retrofitted or a porous substrate may be retrofitted over the entire surface of one side.

また、負極16とセパレータ20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。   In addition, 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 negative electrode 16 and the separator 20, so that the electrolytic solution can be used even when the electrolytic solution is reduced. It is good also as a structure which can hold | maintain electrolyte solution in this reaction part. Preferable examples of the water absorbent resin or the liquid retaining resin include polyolefin resins.

空気極
空気極12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12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むのが典型的である。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12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むものであってもよい。
The air electrode 12 is not particularly limited and may be a known air electrode used in metal-air batteries such as zinc-air batteries. The air electrode 12 typically includes 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 12 includes such an electron conductive material / air electrode catalyst and, optionally, a hydroxide ion conductive material. There may be.

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12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12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 12 is not specifically limited, 5-70 volume% is preferable with respect to the total amount of the air electrode 12, 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20(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12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12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12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 20 (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 12. 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 12 is not specifically limited, 10-80 volume% is preferable with respect to the total amount of the air electrode 12, More preferably, it is 15-80 volume%, More preferably, it is 20-80. % By volume.

空気極12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20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20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12を形成することで、緻密質セラミックス製のセパレータ20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12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20(又は該当する場合には中間層)と空気極12の界面のみならず空気極12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12の外側表面からセパレータ20(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12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12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 12 may further contain a hydroxide ion conductive material as an optional component. In particular, when the separator 20 is made of a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte, which is a dense ceramic, on the separator 20 (with an intermediate layer having hydroxide ion conductivity if desired), conventionally. By forming the air electrode 12 containing not only the air electrode catalyst and the electron conductive material to be used but also the hydroxide ion conductive material, the desired characteristics by the separator 20 made of dense ceramics are ensured. 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 12 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 20 (or the intermediate layer, if applicable) and the air electrode 12, but also in the air electrode 12, 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 the coating film, the ion conductive material is not dense and has open pores, and the interface from the outer surface of the air electrode 12 to the separator 20 (or an 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 12 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 12. 10 to 80% by volume.

空気極12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12を形成し、この空気極12/集電体の積層シートの空気極12側をセパレータ20(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12を形成してもよい。したがって、空気極12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 12 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 a current collector to form an air electrode 12, and the air electrode 12 side of the air electrode 12 / current collector laminated sheet is pressure-bonded to a separator 20 (or an intermediate layer if applicable). May be. Alternatively, an air electrode catalyst, an electron conductive material, and, if desired, 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 12. It may be formed. Therefore, the air electrode 12 may contain a binder. The binder may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin and is not particularly limited.

空気極12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 12 is preferably in a layered form 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.

セパレータ20及び空気極12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20と空気極12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むのが好ましく、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20と空気極12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 20 and the air electrode 12. The intermediate layer is not particularly limited as long as it improves the adhesion between the separator 20 and the air electrode 12 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, it is sufficient that at least one of the polymer material and the ceramic material included in the intermediate layer has hydroxide ion conductivity. . 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, the adhesion between the separator 20 and the air electrode 12 can be easily improved, and the battery resistance (particularly, the interface resistance between the air electrode and the separator) can be more effectively reduced in the zinc-air secondary battery. Can do.

空気極12に接触して、空気極集電体が設けられるのが好ましく、この空気極集電体は空気極12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。この点、図1A及び1Bに示されるように、電池容器22が、通気性を有する空気極集電体で構成され、それにより空気極集電体(すなわち電池容器22)が空気極と接触してなる構成とされるのが好ましい。空気極集電体は図1A及び1Bに示されるように電池容器22の上端から突出して空気極端子22a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電池容器22内又は外で接続される構成としてもよい。空気極集電体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。   An air electrode current collector is preferably provided in contact with the air electrode 12, and the air electrode current collector preferably has air permeability so that air is supplied to the air electrode 12. In this regard, as shown in FIGS. 1A and 1B, the battery container 22 is formed of an air cathode current collector having air permeability, whereby the air electrode current collector (ie, the battery container 22) is in contact with the air electrode. It is preferable that the configuration is as follows. As shown in FIGS. 1A and 1B, the air electrode current collector protrudes from the upper end of the battery case 22, and may constitute the air electrode terminal 22a itself. It is good also as a structure connected outside. Preferable examples of the air electrode current collector 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.

負極
負極16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む。負極16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 negative electrode 16 includes zinc, a zinc alloy and / or a zinc compound that functions as a negative electrode active material. The negative electrode 16 may have any shape or form such as a particle shape, a plate shape, or a gel shape, but a particle shape or a gel shape is preferable in terms 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, it is 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16に接触して負極集電体17が設けられるのが好ましい。負極集電体17は図1A及び1Bに示されるように電池容器22の上蓋ないし封止部材(図示せず)を貫通してその外側にまで延在して負極端子17a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電池容器22内又は外で接続される構成としてもよい。負極集電体17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。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)を含む混合物を塗布して負極16/負極集電体17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16/負極集電体17)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 17 is preferably provided in contact with the negative electrode 16. As shown in FIGS. 1A and 1B, the negative electrode current collector 17 passes through the top cover or sealing member (not shown) of the battery container 22 and extends to the outside thereof to constitute the negative electrode terminal 17a itself. Or it is good also as a structure connected to the negative electrode terminal provided separately in the battery container 22 or outside. Preferable examples of the negative electrode current collector 17 include a metal plate or metal mesh such as stainless steel, copper (for example, copper punching metal), nickel, carbon paper, and an oxide conductor. In this case, for example, a negative electrode composed of negative electrode 16 / negative electrode current collector 17 by applying a mixture containing zinc oxide powder and / or zinc powder and optionally a binder (for example, polytetrafluoroethylene particles) on copper punching metal. A plate can be preferably produced. At that time, it is also preferable to press the dried negative electrode plate (that is, negative electrode 16 / negative electrode current collector 17) to prevent the electrode active material from falling off and to improve the electrode density.

第三電極
所望により、亜鉛空気電池10(特に負極室26)は、電解液と接触するが負極16と接触しないように設けられる第三電極(図示せず)を備えてもよく、この場合、第三電極が外部回路を経て空気極12と接続されてなる。かかる構成とすることで、負極16から副反応により発生しうる水素ガスを第三電極に接触させて以下の反応:
第三電極: H+2OH→2HO+2e
空気極放電: 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16で発生した水素ガスが第三電極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 zinc-air battery 10 (especially the negative electrode chamber 26) may include a third electrode (not shown) provided so as to be in contact with the electrolyte but not in contact with the negative electrode 16. The third electrode is connected to the air electrode 12 via an external circuit. With this configuration, hydrogen gas that can be generated from the negative electrode 16 by side reaction is brought into contact with the third electrode, and the following reaction is performed:
Third electrode: H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e
Air electrode discharge: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Can be returned to the water. In other words, the hydrogen gas generated at the negative electrode 16 is absorbed by the third electrode and self-discharged. 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.

第三電極は、外部回路を経て空気極12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12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。第三電極は、白金及び/又は炭素材料を含むのが好ましく、より好ましくは炭素材料を含む。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(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。第三電極用集電体の材質としては第三電極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 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 12 through an external circuit. It is desirable that the oxygen overvoltage is larger than that of the air electrode 12. It is also desirable that the third electrode does not participate in normal charge / discharge reactions. The third electrode preferably includes platinum and / or a carbon material, and more preferably includes 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 a 3rd electrode 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. More preferably, the third electrode (preferably the third electrode having a large specific surface area) is applied and / or disposed on the current collector. The current collector for the third electrode may have any shape, but preferable examples include a wire (for example, a wire), a punching metal, a mesh, a foam metal, and any combination thereof. The material for the current collector for the third electrode may be the same material as the material for the third electrode, or may be a metal (for example, nickel), an alloy, or other conductive material.

第三電極は電解液と接触するが、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を第三電極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。第三電極は、必ずしも多量の電解液で含浸されている必要はなく、少量ないし微量の電解液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 is in contact with the electrolytic solution, but it is desirable that the third electrode be disposed at a place not directly related to the normal charge / discharge reaction. In this case, a water retention member made of a water absorbent resin such as a nonwoven fabric or a liquid retention resin is disposed in the negative electrode side sealed space so as to be in contact with the third electrode. It is preferable that the three electrodes be held so as to be always contactable. 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 does not necessarily need to be impregnated with a large amount of electrolytic solution, and can exhibit a desired function even when wet with a small amount or a small amount of electrolytic solution. Should have.

電解液
電解液はアルカリ金属水酸化物水溶液を含む。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。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、電解液は負極16と混合させて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 electrolytic solution contains an alkali metal hydroxide aqueous solution. Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide and sodium hydroxide, and potassium hydroxide is more preferable. In order to suppress self-dissolution of the zinc alloy, a zinc compound such as zinc oxide or zinc hydroxide may be added to the electrolytic solution. As described above, the electrolytic solution may be mixed with the negative electrode 16 and exist in the form of the 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.

電池容器
電池容器22は、空気極12、負極16、及び電解液を収容する容器である。電池容器22は、それに接する構成要素(すなわち空気極12、又は負極16及び電解液)に応じた最適な材料及び構造で構成すればよい。
Battery Container The battery container 22 is a container that houses the air electrode 12, the negative electrode 16, and the electrolytic solution. What is necessary is just to comprise the battery container 22 with the optimal material and structure according to the component (namely, the air electrode 12, or the negative electrode 16, and electrolyte solution) which touches it.

すなわち、図1A及び1Bに示されるようにセル容器型セパレータ20外の電池容器22内に空気極12が収容される場合には、電池容器22は空気極集電体を含むのが好ましく、より好ましくは電池容器22が空気極集電体で構成される。前述のとおり、空気極集電体は通気性を有することが好ましく、その材質については前述したとおりである。勿論、空気極12への空気の供給が確保されるかぎり、電池容器22が空気極集電体を含まなくてもよく、その場合には空気極集電体(好ましくは通気性を有する)を電池容器22内の空気極12に接触可能な所望の位置に別途設ければよい。電池容器22は図1A及び1Bに示されるような袋管状ないし筒状の形状することができ、この場合、電池容器22の内壁から亜鉛空気電池10の中心に向かって、空気極室24(空気極12、空気極集電体を含む)、セパレータ20、及び負極室26(負極16、負極集電体17及び電解液を含む)が設けられうる。電池容器22は図1A及び1Bに示されるような袋管状ないし筒状の形状以外の形状であってもよいのはいうまでもない。例えば、電池容器22を箱状に構成してもよく、この場合は、電池容器22の内壁に接して形成される空気極室24(空気極12及び空気極集電体を含む)内にセパレータ20によって隔離された負極室26(負極16、負極集電体17及び電解液を含む)が1個又は複数個設けられうる。このような構成によれば構成部材がスペース効率良く収納された薄型コンパクトの亜鉛空気電池を提供することができる。   That is, as shown in FIGS. 1A and 1B, when the air electrode 12 is accommodated in the battery container 22 outside the cell container type separator 20, the battery container 22 preferably includes an air electrode current collector, The battery container 22 is preferably composed of an air electrode current collector. As described above, the air electrode current collector preferably has air permeability, and the material thereof is as described above. Of course, as long as supply of air to the air electrode 12 is ensured, the battery container 22 may not include the air electrode current collector, and in that case, the air electrode current collector (preferably having air permeability) is used. What is necessary is just to provide separately in the desired position which can contact the air electrode 12 in the battery container 22. FIG. 1A and 1B, the battery container 22 can have a bag-like tubular or cylindrical shape. In this case, the air electrode chamber 24 (air) is formed from the inner wall of the battery container 22 toward the center of the zinc-air battery 10. Electrode 12, including air electrode current collector), separator 20, and negative electrode chamber 26 (including negative electrode 16, negative electrode current collector 17, and electrolyte). It goes without saying that the battery container 22 may have a shape other than the tubular or cylindrical shape as shown in FIGS. 1A and 1B. For example, the battery container 22 may be configured in a box shape. In this case, a separator is provided in the air electrode chamber 24 (including the air electrode 12 and the air electrode current collector) formed in contact with the inner wall of the battery container 22. One or a plurality of negative electrode chambers 26 (including the negative electrode 16, the negative electrode current collector 17, and the electrolyte solution) separated by 20 may be provided. According to such a configuration, it is possible to provide a thin and compact zinc-air battery in which the constituent members are housed efficiently.

一方、図示されていないが、セル容器型セパレータ20外の電池容器22内に負極16及び電解液が収容される場合には、電池容器22の材質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ものであれば特に限定されず、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等の樹脂製であるのが好ましく、より好ましくはABS樹脂又は変性ポリフェニレンエーテルである。電池容器22は袋管状ないし筒状の形状することができ、この場合、電池容器22の内壁から亜鉛空気電池10の中心に向かって、負極室26(負極16、負極集電体17及び電解液を含む)、セパレータ20、及び空気極室24(空気極12及び空気極集電体を含む)が設けられうる。電池容器22は袋管状ないし筒状の形状以外の形状であってもよいのはいうまでもない。例えば、電池容器22を箱状に構成してもよく、この場合は、電池容器22の内壁に接して形成される負極室26(負極16、負極集電体17及び電解液を含む)内にセパレータ20によって隔離された空気極室24(空気極12及び空気極集電体を含む)が1個又は複数個設けられうる。このような構成によれば構成部材がスペース効率良く収納された薄型コンパクトの亜鉛空気電池を提供することができる。   On the other hand, although not shown, when the negative electrode 16 and the electrolytic solution are accommodated in the battery container 22 outside the cell container separator 20, the material of the battery container 22 is based on an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide. The resin is not particularly limited as long as it has resistance, and is preferably made of a resin such as polyolefin resin, ABS resin, or modified polyphenylene ether, and more preferably ABS resin or modified polyphenylene ether. The battery container 22 can have a bag-like or cylindrical shape. In this case, the negative electrode chamber 26 (the negative electrode 16, the negative electrode current collector 17, and the electrolyte solution) extends from the inner wall of the battery container 22 toward the center of the zinc-air battery 10. ), A separator 20, and an air electrode chamber 24 (including the air electrode 12 and the air electrode current collector). Needless to say, the battery container 22 may have a shape other than the tubular or cylindrical shape. For example, the battery container 22 may be configured in a box shape, and in this case, in the negative electrode chamber 26 (including the negative electrode 16, the negative electrode current collector 17, and the electrolytic solution) formed in contact with the inner wall of the battery container 22. One or a plurality of air electrode chambers 24 (including the air electrode 12 and the air electrode current collector) separated by the separator 20 may be provided. According to such a configuration, it is possible to provide a thin and compact zinc-air battery in which the constituent members are housed efficiently.

空気極室24は外気に開放される一方、負極室26はセパレータ20と電池容器22及び/又は封止部材(図示せず)とによって形成された密閉空間とされてなる。すなわち、負極室26は液密性及び気密性を有する構造を有することが望まれる。例えば、上蓋の無い開放された電池容器22の場合、負極室26を液密かつ気密に密閉するための封止部材をセル容器型セパレータ20の上端の開口部に設ければよく、それにより負極室26がセル容器型セパレータ20と封止部材とにより密閉空間を形成することができる。セル容器型セパレータ20はその容器型形状に起因して開口部が上端の1箇所にしか存在しないため、板状セパレータと比べて格段に封止しやすい。あるいは、電池容器22は負極室26がセル容器型セパレータ20と密閉空間と形成するための上蓋を有するものであってもよく、この場合には上蓋は電池容器22内の負極室26を密閉すると同時に、空気極室24を外気に開放させるための開口部を有することが望まれる。いずれにしても、空気極室24が外気に開放される一方、負極室26がセパレータ20と電池容器22及び/又は封止部材(図示せず)とによって形成された密閉空間とされてなる。こうして密閉空間とされた負極室26においては液密性及び気密性が確保されることができる。なお、セパレータ20と、電池容器22(特に上蓋)及び/又は封止部材との接合箇所は接着剤等により封止されるのが好ましいのはいうまでもない。   The air electrode chamber 24 is opened to the outside air, while the negative electrode chamber 26 is a sealed space formed by the separator 20, the battery container 22 and / or a sealing member (not shown). That is, the negative electrode chamber 26 is desired to have a structure having liquid tightness and air tightness. For example, in the case of an open battery container 22 without an upper lid, a sealing member for sealing the negative electrode chamber 26 in a liquid-tight and air-tight manner may be provided in the opening at the upper end of the cell container-type separator 20. The chamber 26 can form a sealed space by the cell container type separator 20 and the sealing member. Since the cell container type separator 20 has only one opening at the upper end due to its container shape, it is much easier to seal than the plate separator. Alternatively, the battery container 22 may have an upper lid for the negative electrode chamber 26 to form a sealed space with the cell container type separator 20. In this case, the upper lid seals the negative electrode chamber 26 in the battery container 22. At the same time, it is desirable to have an opening for opening the cathode chamber 24 to the outside air. In any case, the air electrode chamber 24 is opened to the outside air, while the negative electrode chamber 26 is a sealed space formed by the separator 20, the battery container 22 and / or a sealing member (not shown). In the negative electrode chamber 26 thus formed as a sealed space, liquid tightness and air tightness can be ensured. Needless to say, it is preferable that the joining portion between the separator 20 and the battery container 22 (in particular, the upper lid) and / or the sealing member is sealed with an adhesive or the like.

亜鉛空気電池10は、負極室26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余剰空間(図示せず)を有するのが好ましい。これにより負極室26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、亜鉛空気電池の信頼性を更に向上することができる。すなわち、前述した反応式から分かるように、充電時には負極室26で水が減少する一方、放電時には負極室26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、本発明に用いるセパレータ20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20を介して水が自由に行き来できず、充放電に伴い負極室26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、負極室26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余剰空間を有する。負極室26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。   It is preferable that the zinc-air battery 10 has a surplus space (not shown) having a volume that allows a decrease in the amount of water accompanying the negative electrode reaction during charging / discharging in the negative electrode chamber 26. As a result, it is possible to effectively prevent problems associated with the increase or decrease in the amount of water in the negative electrode chamber 26 (for example, liquid leakage, deformation of the container due to changes in the container internal pressure, etc.) and further improve the reliability of the zinc-air battery. it can. That is, as can be seen from the reaction equation described above, water decreases in the negative electrode chamber 26 during charging, while water increases in the negative electrode chamber 26 during discharging. In this respect, since most conventional separators have water permeability, water can freely pass through the separators. However, since the separator 20 used in the present invention has a highly dense structure that does not have water permeability, water cannot freely pass through the separator 20, and the amount of electrolyte in the negative electrode chamber 26 increases with charge / discharge. It may increase unilaterally and cause problems such as liquid leakage. In view of this, the negative electrode chamber 26 has an excess space with a volume that allows a decrease in the amount of water accompanying the negative electrode reaction during charging and discharging. The amount of increase / decrease in moisture in the negative electrode chamber 26 can be calculated based on the reaction formula described above.

亜鉛空気電池10が放電末状態で構築される場合には、余剰空間が、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、余剰空間には減少することが見込まれる量の電解液が予め充填されているのが好ましい。一方、亜鉛空気電池10が満充電状態で構築される場合には、余剰空間が、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、余剰空間には電解液が予め充填されていないのが好ましい。   When the zinc-air battery 10 is constructed in a discharged state, the surplus space has a volume exceeding the amount of water expected to decrease with the negative electrode reaction during charging, and the surplus space may decrease. It is preferable that an expected amount of electrolyte is filled in advance. On the other hand, when the zinc-air battery 10 is constructed in a fully charged state, the surplus space has a volume exceeding the amount of moisture expected to increase with the negative electrode reaction during discharge, and the surplus space has an electrolyte solution. Is preferably not pre-filled.

本発明の亜鉛空気電池は、セル容器型セパレータ20が縦に設けられた縦型構造に構成されるのが好ましい。セパレータが縦に設けられる場合、空気極室/セパレータ/負極室/セパレータ/空気極室が横方向(水平方向)に並ぶ構成となる。図1A及び1Bのようにセパレータ20が縦に設けられる場合、負極室26がその上方に余剰空間を有するのが典型的である。もっとも、ゲル状の電解液を使用した場合には、電解液の減少にも関わらず負極室26の充放電反応部分に電解液を保持可能となるため、負極室26の上方以外の部分(例えば側方部分や下方部分)に余剰空間を設けることも可能となり、設計の自由度が増加する。   The zinc-air battery of the present invention is preferably configured in a vertical structure in which the cell container type separator 20 is provided vertically. When the separator is provided vertically, the air electrode chamber / separator / negative electrode chamber / separator / air electrode chamber are arranged in the horizontal direction (horizontal direction). When the separator 20 is provided vertically as in FIGS. 1A and 1B, the negative electrode chamber 26 typically has an excess space above it. However, when the gel electrolyte is used, the electrolyte can be held in the charge / discharge reaction portion of the negative electrode chamber 26 despite the decrease in the electrolyte, and therefore, the portion other than the upper portion of the negative electrode chamber 26 (for example, It is also possible to provide an extra space in the side portion and the lower portion), and the degree of freedom in design increases.

多孔質基材付きLDHセパレータ
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。セパレータ及び多孔質基材はいずれもセル容器の形状を有するのが好ましいのは前述したとおりであるが、以下においてはセパレータ及び多孔質基材の層構成についてのみ説明するものとする(したがってセル容器の形状についての説明はここでは省略する)。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)を含むものである。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3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3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4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4に示される態様は図3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。
LDH separator with porous substrate As described above, the separator with a porous substrate preferably used for the secondary battery of the present invention is a separator composed of an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity, and at least one of the separators. And a porous substrate provided on the surface. The separator and the porous base material preferably both have the shape of the cell container as described above, but only the layer structure of the separator and the porous base material will be described below (therefore, the cell container). The description of the shape is omitted here). 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 contains 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. 3, the separator layer 120 is preferably formed as an LDH dense film on the porous substrate 128. In this case, it goes without saying that LDH may also be formed on the surface of the porous substrate 128 and in the pores in the vicinity thereof as shown in FIG. 3 due to the nature of the porous substrate 128. Alternatively, as shown in FIG. 4, 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. 4 has a configuration in which the membrane equivalent portion in the separator layer 120 of the embodiment shown in FIG. 3 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3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4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4に示されるセパレータ層120’は、図3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. 3, the separator layer 120 is in the form of an LDH dense film, typically from the LDH. Become. In addition, as shown in FIG. 4, when the separator layer 120 ′ is formed in the porous substrate 128, the surface of the porous substrate 128 (typically the surface of the porous substrate 128 and the vicinity thereof). 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. 4 can be obtained by removing a portion corresponding to the film in the separator layer 120 shown in FIG. 3 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). ) Create a black-and-white binary image by the procedure of [Image] → [Tone Correction] → [2 Gradation], and 4) Porosity (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3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4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. 3, 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, but 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5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. 5, but the substantially vertical or oblique orientation is determined by the 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、(1)多孔質基材を用意し、(2)マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を0.20〜0.40mol/Lの合計濃度で含み、かつ、尿素を含む原料水溶液に、多孔質基材を浸漬させ、(3)原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、層状複水酸化物を含むセパレータ層を多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成させることにより製造することができる。 The above-mentioned LDH separator with a porous substrate is (1) a porous substrate is prepared, and (2) a total of 0.20 to 0.40 mol / L of magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ). The porous substrate is immersed in a raw material aqueous solution containing urea at a concentration and (3) hydrothermally treating the porous substrate in the raw material aqueous solution, and the separator layer containing the layered double hydroxide is porous. It can be produced by forming on a substrate and / or in a porous substrate.

(1)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LDH含有セパレータ層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。
(1) 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, particularly preferred are alumina and zirconia, and most preferred is alumina. When these porous ceramics are used, the density of the LDH-containing separator layer 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.

(2)原料水溶液への浸漬
次に、多孔質基材を原料水溶液に所望の向きで(例えば水平又は垂直に)浸漬させる。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。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、尿素を含む。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、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含有セパレータ層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。
(2) Immersion in raw material aqueous solution Next, the porous substrate is 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. The raw material aqueous solution contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a predetermined total concentration, and contains urea. By the presence of urea, ammonia is generated in the solution by utilizing hydrolysis of urea, so that the pH value increases, and the coexisting metal ions form hydroxides to obtain LDH. 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 well-balanced manner, and an LDH-containing separator layer that is 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む。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, whereby 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.

(3)水熱処理によるLDH含有セパレータ層の形成
そして、原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、LDHを含むセパレータ層を多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成させる。この水熱処理は密閉容器中、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含有セパレータ層の目的とする密度と厚さに応じて適宜決定すればよい。
(3) Formation of LDH-containing separator layer by hydrothermal treatment Then, the porous substrate is hydrothermally treated in the raw material aqueous solution to form a separator layer containing LDH on and / or in the porous substrate. . This hydrothermal treatment is preferably performed at 60 to 150 ° C. in a closed container, more preferably 65 to 120 ° C., still more preferably 65 to 100 ° C., and 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-containing separator layer.

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含有複合材料におけるLDH含有セパレータ層は、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。したがって、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二次電池に極めて好適といえる。   The LDH-containing separator layer in the LDH-containing composite material produced as described above is one in which LDH plate-like particles are highly densified and oriented in a substantially vertical direction advantageous for conduction. Therefore, it can be said that it is extremely suitable for a nickel zinc secondary battery in which the progress of zinc dendrite has become a major barrier to practical use.

ところで、上記製造方法により得られるLDH含有セパレータ層は多孔質基材の両面に形成されうる。このため、LDH含有複合材料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含有セパレータ層を機械的に削るか、あるいは成膜時に片面にはLDH含有セパレータ層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 containing separator layer obtained by the said manufacturing method can be formed in both surfaces of a porous base material. For this reason, in order to make the LDH-containing composite material suitable for use as a separator, the LDH-containing separator layer on one side of the porous substrate is mechanically scraped after film formation, or on one side during film formation. It is desirable to take measures so that the LDH-containing separator layer cannot be formed.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例1(参考):多孔質基材付きLDHセパレータの作製及び評価
本例は、平板状の多孔質基材付きLDHセパレータの作製例である。したがって、本例で作製されるセパレータはセル容器型セパレータではないが、多孔質基材及びセパレータをセル容器型に形成することで、以下の作製例を参照しつつ本発明によるセル容器型セパレータを適宜作製することができる。
Example 1 (Reference): Production and Evaluation of LDH Separator with Porous Base Material This example is a production example of a flat plate-like LDH separator with a porous base material. Therefore, although the separator produced in this example is not a cell container type separator, the cell container type separator according to the present invention can be obtained by forming the porous substrate and the separator into a cell container type while referring to the following production examples. It can be produced as appropriate.

(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。
(1) Production of porous substrate Boehmite (manufactured by Sasol, DISPAL 18N4-80), methylcellulose, and ion-exchanged water are mixed at a weight ratio of 10: 1: (boehmite) :( methylcellulose) :( ion-exchanged water). After weighing so as to be 5, 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6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. In addition, the SEM image of the porous base material surface is shown in FIG.

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7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7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 film sample Film sample with X-ray diffractometer (RINT TTR III manufactured by Rigaku Corporation) under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10-70 ° When the crystal phase of was measured, the XRD profile shown in FIG. 7 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. 7, a peak (a peak marked with a circle in the figure) due 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8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. 8 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9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. 9 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10A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。この時、イオン交換水にAl及び/又はMgを溶解させておいてもよい。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。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10B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. 10A, 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. At this time, Al and / or Mg may be dissolved in the ion exchange water. 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. 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. 10B, 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11A及び11B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. 11A and 11B, 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):亜鉛空気二次電池の作製
本例は、平板状の多孔質基材付きLDHセパレータを用いた亜鉛空気二次電池の参考例である。したがって、本例で作製される電池はセル容器型セパレータを備えた電池ではないが、セル容器型に形成された多孔質基材及びセパレータを用い且つその形状に適合するように空気極、負極、集電体等を配設することで、以下の作製例を必要に応じて参照しつつ本発明による電池を適宜作製することができる。
Example 2 (Reference): Production of Zinc-Air Secondary Battery This example is a reference example of a zinc-air secondary battery using a flat plate-like LDH separator with a porous substrate. Therefore, although the battery produced in this example is not a battery equipped with a cell container type separator, an air electrode, a negative electrode, By disposing a current collector or the like, the battery according to the present invention can be appropriately manufactured while referring to the following manufacturing examples as necessary.

(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。
(1) Preparation of separator with porous substrate A hydrotalcite film on an alumina substrate was prepared as a separator with a porous substrate (hereinafter simply referred to as a separator) by the same procedure as in Example 1.

(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、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エポキシ樹脂系接着剤(セメダイン社製、EP008)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) Assembly of battery Using the obtained air electrode with separator, negative electrode plate, and third electrode, a zinc-air secondary battery having a horizontal structure is manufactured in 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. The opening of the resin container is closed with an air electrode with a separator so that the air electrode side is on the outside. At that time, an epoxy resin-based adhesive (EP008, manufactured by Cemedine Co., Ltd.) is applied to the outer peripheral portion of the opening to Seal and bond to give liquid tightness. 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、負極から副反応により発生しうる水素ガスを第三電極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 can be brought into contact with the third electrode 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 亜鉛空気電池
12 空気極
16 負極
17 負極集電体
20 セパレータ
22 電池容器
24 空気極室
26 負極室
120 セパレータ層
128 多孔質基材


DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Zinc air battery 12 Air electrode 16 Negative electrode 17 Negative electrode collector 20 Separator 22 Battery container 24 Air electrode chamber 26 Negative electrode chamber 120 Separator layer 128 Porous base material


Claims (20)

正極としての空気極と、
亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含む負極と、
前記負極が浸漬される、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液と、
前記空気極を収容する空気極室と、前記負極及び前記電解液を収容する負極室とを区画するように設けられ、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セパレータと、
前記空気極、前記負極、前記電解液、及び前記セパレータを収容する電池容器と、
を備えてなる亜鉛空気電池であって、
前記セパレータがセル容器の形状を有するセル容器型セパレータであり、それにより、前記セル容器型セパレータ内に前記空気極が収容され且つ前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記負極及び前記電解液が収容されるか、又は前記セル容器型セパレータ内に前記負極及び前記電解液が収容され且つ前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記空気極が収容されてなり、
前記空気極室が外気に開放される一方、前記負極室が前記電池容器型セパレータと前記電池容器及び/又は封止部材とによって形成された密閉空間とされてなる、亜鉛空気電池。
An air electrode as a positive electrode;
A negative electrode comprising zinc, a zinc alloy and / or a zinc compound;
An electrolyte containing an aqueous alkali metal hydroxide solution in which the negative electrode is immersed;
A separator that is provided to partition the air electrode chamber that accommodates the air electrode and the negative electrode chamber that accommodates the negative electrode and the electrolyte, and has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability and air permeability; ,
A battery container containing the air electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, and the separator;
A zinc-air battery comprising:
The separator is a cell container type separator having a cell container shape, whereby the air electrode is accommodated in the cell container type separator, and the negative electrode and the electrolysis are included in the battery container outside the cell container type separator. Liquid is contained, or the negative electrode and the electrolytic solution are contained in the cell container type separator and the air electrode is contained in the battery container outside the cell container type separator,
A zinc-air battery, wherein the air electrode chamber is opened to the outside air, and the negative electrode chamber is a sealed space formed by the battery container type separator and the battery container and / or a sealing member.
前記セル容器型セパレータが、袋管状、筒状、箱状又は袋状の形状を有する、請求項1に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to claim 1, wherein the cell container type separator has a bag tubular shape, a tubular shape, a box shape, or a bag shape. 前記セル容器型セパレータ内に前記空気極が前記セル容器型セパレータの内壁に沿った形で収容され、かつ、前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記負極及び前記電解液が収容される、請求項1又は2に記載の亜鉛空気電池。   The air electrode is accommodated in the cell container type separator along the inner wall of the cell container type separator, and the negative electrode and the electrolytic solution are accommodated in the battery container outside the cell container type separator. The zinc-air battery according to claim 1 or 2. 前記セル容器型セパレータ内に前記負極及び前記電解液が収容され、かつ、前記セル容器型セパレータ外の前記電池容器内に前記空気極が前記セル容器型セパレータの外壁に沿った形で収容される、請求項1又は2に記載の亜鉛空気電池。   The negative electrode and the electrolytic solution are accommodated in the cell container type separator, and the air electrode is accommodated in a form along the outer wall of the cell container type separator in the battery container outside the cell container type separator. The zinc-air battery according to claim 1 or 2. 前記負極室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余剰空間を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the negative electrode chamber has a surplus space having a volume that allows a decrease in water amount associated with a negative electrode reaction during charging and discharging. 前記セル容器型セパレータが縦に設けられ、前記負極室がその上方に前記余剰空間を有する、請求項5に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to claim 5, wherein the cell container type separator is provided vertically, and the negative electrode chamber has the excess space above it. 前記セル容器型セパレータが無機固体電解質体からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the cell container separator is made of an inorganic solid electrolyte body. 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7に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to claim 7, 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7又は8に記載の亜鉛空気電池。
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 zinc-air battery according to claim 7 or 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9に記載の亜鉛空気電池。 In the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO containing 3 2-, zinc-air battery according to claim 9. 前記無機固体電解質体が、板状、膜状又は層状の形態を有する、請求項7〜10のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 7 to 10, wherein the inorganic solid electrolyte body has a plate shape, a film shape, or a layer shape. 前記セル容器型セパレータの前記負極側の面に、前記セル容器型セパレータと適合したセル容器形状を有するセル容器型多孔質基材をさらに備えた、請求項1〜11のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The cell container type porous substrate further comprising a cell container shape having a cell container shape compatible with the cell container type separator on the surface of the negative electrode side of the cell container type separator. Zinc-air battery. 前記無機固体電解質体が膜状又は層状の形態であり、該膜状又は層状の無機固体電解質体が前記多孔質基材上又はその中に形成されたものである、請求項12に記載の亜鉛空気電池。   The zinc according to claim 12, wherein the inorganic solid electrolyte body is in the form of a film or a layer, and the film or layered inorganic solid electrolyte is formed on or in the porous substrate. Air battery. 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7〜13のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 7 to 13, wherein the inorganic solid electrolyte body is densified by hydrothermal treatment. 前記アルカリ金属水酸化物が水酸化カリウムである、請求項1〜14のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 1 to 14, wherein the alkali metal hydroxide is potassium hydroxide. 前記亜鉛空気電池が、前記空気極に接触して設けられる、通気性を有する空気極集電体と、前記負極に接触して設けられる負極集電体とをさらに備えてなる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery further comprises a breathable air electrode current collector provided in contact with the air electrode, and a negative electrode current collector provided in contact with the negative electrode. The zinc-air battery according to any one of 15. 前記電池容器が、通気性を有する空気極集電体で構成され、それにより該空気極集電体が前記空気極と接触しており、かつ、前記亜鉛空気電池が、前記負極に接触して設けられる負極集電体をさらに備えてなる、請求項4〜15のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The battery container is composed of a breathable air electrode current collector, whereby the air electrode current collector is in contact with the air electrode, and the zinc-air battery is in contact with the negative electrode. The zinc-air battery according to any one of claims 4 to 15, further comprising a negative electrode current collector provided. 前記亜鉛空気電池が、前記電解液と接触するが前記負極と接触しないように設けられる第三電極を備えてなり、前記第三電極が外部回路を経て前記空気極と接続されてなる、請求項1〜17のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery includes a third electrode provided so as to be in contact with the electrolyte but not in contact with the negative electrode, and the third electrode is connected to the air electrode via an external circuit. The zinc-air battery according to any one of 1 to 17. 組電池容器内に複数個の前記亜鉛空気電池が互いに離間されて配設されてなる、請求項1〜18のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。   The zinc-air battery according to any one of claims 1 to 18, wherein a plurality of the zinc-air batteries are spaced apart from each other in an assembled battery container. 前記電池容器内に複数個の前記セル容器型セパレータが互いに離間されて配設され、該複数個の前記セル容器型セパレータの各々に前記負極及び前記電解液、又は前記空気極が収容されてなる、請求項1〜18のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池。

A plurality of the cell container type separators are disposed in the battery container so as to be separated from each other, and the negative electrode and the electrolyte solution or the air electrode are accommodated in each of the plurality of the cell container type separators. The zinc-air battery according to any one of claims 1 to 18.

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