JP2017027735A - Negative electrode composite of metal air battery and metal air battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属空気電池の負極複合体及び金属空気電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode composite for a metal-air battery and a metal-air battery.
金属空気電池は、負極活物質として、例えば金属Li(リチウム)、正極活物質として大気中の酸素を使用するものである。金属空気電池は、エネルギー密度が高く、とりわけリチウム空気電池は、本格的な電気自動車(EV)の普及に必要とされる700Wh/kgのエネルギー密度を得られる電池として期待されている。このエネルギー密度は、現在車載が始まっているリチウムイオン電池を7倍上回るものである。 The metal-air battery uses, for example, metal Li (lithium) as a negative electrode active material and oxygen in the atmosphere as a positive electrode active material. Metal-air batteries have a high energy density. In particular, lithium-air batteries are expected as batteries capable of obtaining an energy density of 700 Wh / kg, which is necessary for the spread of full-scale electric vehicles (EVs). This energy density is seven times higher than lithium-ion batteries that are currently being installed in vehicles.
リチウム空気電池は、負極活物質に金属リチウム又は金属リチウムを主成分とする合金若しくは化合物を使用している。リチウム空気電池は、エネルギー密度を高くできるため盛んに研究されている。リチウム空気電池は、電解液の種類により、水溶液系と非水溶液系(非水系)の2つに大別される。 Lithium-air batteries use metal lithium or an alloy or compound containing metal lithium as a main component for the negative electrode active material. Lithium-air batteries are being actively researched because of their high energy density. Lithium-air batteries are roughly classified into two types, an aqueous solution type and a non-aqueous solution type (non-aqueous type), depending on the type of electrolytic solution.
水溶液系のリチウム空気電池は、非水溶液のリチウム空気電池に比べて、空気中の水分の影響を受けることがなく、電解液が安価かつ不燃であるなどの長所がある。
しかし、負極活物質である金属リチウムは、酸素や水と接触すると反応するため、水溶液系のリチウム空気電池では、リチウムイオン導電性を有する隔離層を設け金属リチウムを大気や水溶液から保護する必要がある。この隔離層には、ガラスセラミックスなどの耐水性を有する固体電解質が用いられている。
Compared to non-aqueous lithium-ion batteries, aqueous lithium-air batteries have the advantages that they are not affected by moisture in the air and that the electrolyte is inexpensive and non-combustible.
However, since metallic lithium, which is a negative electrode active material, reacts when it comes into contact with oxygen or water, it is necessary to provide an isolation layer having lithium ion conductivity to protect metallic lithium from the atmosphere or aqueous solution in an aqueous lithium battery. is there. For this isolation layer, a solid electrolyte having water resistance such as glass ceramics is used.
水溶液系のリチウム空気電池の構造は、触媒が担持された集電体からなる正極、水溶液系電解液、隔離層(固体電解質)、負極からなっている。隔離層として使用する固体電解質は金属リチウムと反応して劣化するものが多いため、負極の金属リチウムと固体電解質の間に非水系電解液やポリマー電解質などを用いている。隔離層と負極をまとめて負極複合体と呼んでいる。 The structure of an aqueous lithium battery includes a positive electrode made of a current collector carrying a catalyst, an aqueous electrolyte, an isolation layer (solid electrolyte), and a negative electrode. Since the solid electrolyte used as the isolation layer often deteriorates by reacting with metallic lithium, a nonaqueous electrolytic solution or a polymer electrolyte is used between the metallic lithium of the negative electrode and the solid electrolyte. The isolation layer and the negative electrode are collectively called a negative electrode composite.
特許文献1には、固体電解質を有するリチウム空気電池の負極構造が記載されている。この負極構造では、負極外層をナイロン樹脂フィルム(最外層)/金属箔層(バリア層)/PP樹脂フィルム(最内層・熱溶着層)の3層金属箔ラミネートフィルム構造とし、ラミネートフィルムを立体成形体に成形し、最内層である酸変性PP樹脂フィルム外周縁部とセラミックス製隔膜とをヒートシールしている。
特許文献1に記載の技術で、固体電解質とラミネートフィルムとの接合は可能である。しかし、ヒートシール時に加圧が必要であり、薄いセラミックス製の材質では、加圧時に割れてしまう問題や、酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートとセラミックス製の材質との接合強度が低いなどの問題があった。
With the technique described in
非特許文献1には、水系電解液を用いるリチウム空気電池が記載されている。このリチウム空気電池では、アルミ箔の両面に樹脂フィルムを貼り合わせたアルミラミネートフィルムを負極複合体の外装体としている。アルミラミネートフィルム内外のリチウムイオン導電性を確保するため、リチウムイオン導電性のある窓材として固体電解質をラミネートフィルムの開口部に接合し塞いでいる。ここで、ラミネートフィルムの熱溶着可能なPP樹脂又はPE樹脂と負極複合体の固体電解質(ガラスセラミックス)との組合せを接着剤で接合することは可能である。しかし、接合部のガスバリア性や電解液に対する耐溶剤性において、長時間の充放電に対して不安定であるという問題があった。
Non-Patent
前記事情に対して、本発明は、固体電解質とラミネートフィルムの接合を容易にし、かつ長時間安定して放電できるようにした金属空気電池の負極複合体及び金属空気電池を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a metal-air battery negative electrode composite and a metal-air battery that facilitate the joining of a solid electrolyte and a laminate film and that can be stably discharged for a long time. To do.
前記課題を解決するため、本発明は、その一側面で、金属空気電池の負極複合体であって、該金属空気電池の負極複合体は、金属負極と、該金属負極に電気的に接続される負極集電体と、金属イオン伝導性の固体電解質と、を含む積層体と、該積層体を収容し、前記積層体の一部を表面に露出させる開口部を有する外装体とを備え、前記外装体は少なくとも外層の樹脂層と、該樹脂層の内側の金属層とを有するラミネートフィルムを含んでなり、前記開口部と前記固体電解質とが重なるように設け、前記ラミネートフィルムの金属層と前記固体電解質とを接合している。 In order to solve the above problems, the present invention provides, in one aspect, a negative electrode composite of a metal-air battery, wherein the negative-electrode composite of the metal-air battery is electrically connected to the metal negative electrode and the metal negative electrode. A laminate including a negative electrode current collector and a metal ion conductive solid electrolyte, and an exterior body that contains the laminate and has an opening that exposes a part of the laminate to the surface. The outer package includes a laminate film having at least an outer resin layer and a metal layer inside the resin layer, and is provided so that the opening and the solid electrolyte overlap with each other, and the metal layer of the laminate film The solid electrolyte is joined.
このような側面を備える金属空気電池の負極複合体であれば、固体電解質と内側の金属層との接合が容易であり、作業性を向上することができる。また、高い気密性、耐水性、耐溶剤性を備えた接合とすることができるので、固体電解質と内側の金属層との接合部分から水分が入る可能性を低減でき、安定した長時間放電を可能とすることができる。 If it is the negative electrode composite body of a metal air battery provided with such a side surface, joining of a solid electrolyte and an inner metal layer is easy, and workability | operativity can be improved. In addition, it is possible to make the joint with high airtightness, water resistance, and solvent resistance, so the possibility of moisture entering from the joint part between the solid electrolyte and the inner metal layer can be reduced, and stable long-term discharge can be achieved. Can be possible.
本発明に係る金属空気電池の負極複合体は、その一実施の形態で、前記金属負極が、金属リチウム又はリチウムを主成分とする合金若しくはリチウムを主成分とする化合物からなることとしている。
このように、金属負極が、金属リチウム又はリチウムを主成分とする合金若しくはリチウムを主成分とする化合物からなる形態としても、本発明に係る金属電池の負極複合体によれば、セラミックスと金属層との間から水分が入る可能性を低減でき、金属リチウム等が水分と反応することを防ぐことができる。
In one embodiment of the negative electrode composite of a metal-air battery according to the present invention, the metal negative electrode is made of metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component.
Thus, even if the metal negative electrode is made of metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component, according to the negative electrode composite of a metal battery according to the present invention, the ceramic and the metal layer Thus, the possibility of moisture entering between the two can be reduced, and metal lithium and the like can be prevented from reacting with moisture.
また、本発明に係る金属空気電池の負極複合体は、その一実施の形態で、前記金属負極の前記積層体の積層方向の長さを200μm以上としている。
このように金属負極の積層方向の長さを200μm以上とする形態であれば、エネルギー密度を向上でき、放電容量を増加できる。ここで、金属負極の厚さが薄くなっても、本発明に係る金属電池の負極複合体によれば、金属負極等を収容する外装体のラミネートフィルムが金属負極の厚さの減少に追従する。この結果、金属負極の厚さが薄くなっても、接合部分の高い気密性、耐水性、耐溶剤性が維持される。このため、放電容量を向上できる上に、長時間放電しても破損を防ぐことができ、高深度放電に耐えることができる。
Moreover, the negative electrode composite body of the metal-air battery according to the present invention is, in one embodiment, the length of the metal negative electrode in the stacking direction of the laminate is 200 μm or more.
Thus, if the length of the metal negative electrode in the stacking direction is 200 μm or more, the energy density can be improved and the discharge capacity can be increased. Here, even when the thickness of the metal negative electrode is reduced, according to the negative electrode composite of the metal battery according to the present invention, the laminate film of the outer package that accommodates the metal negative electrode or the like follows the decrease in the thickness of the metal negative electrode. . As a result, even if the thickness of the metal negative electrode is reduced, high airtightness, water resistance, and solvent resistance of the joint portion are maintained. For this reason, the discharge capacity can be improved, and the damage can be prevented even if the discharge is performed for a long period of time, so that it is possible to withstand the deep discharge.
さらに、本発明に係る金属空気電池の負極複合体は、その一実施の形態で、前記積層体の積層方向に重なるように設けられたラミネートフィルムの縁端部を熱溶着することで外装体を形成し、前記外装体の金属層と前記金属負極とが電気的に通電するように構成している。
このような形態であれば、外装体の金属層を負極集電体として使用でき、負極複合体内部の負極集電体を省くことができるため、部品点数を削減でき、負極集電体の作製を容易にできるとともに、負極複合体の厚さを薄く、軽くできる。また、このような形態では金属負極と接している面とは反対面に外装体の樹脂層があるため、負極金属が析出する可能性を低減でき、充電・放電のサイクル特性を向上できる。
Furthermore, the negative electrode composite body of the metal-air battery according to the present invention is, in one embodiment thereof, the exterior body by thermally welding the edge portion of the laminate film provided so as to overlap in the stacking direction of the laminate body. And the metal layer of the outer package and the metal negative electrode are electrically energized.
In such a form, the metal layer of the outer package can be used as the negative electrode current collector, and the negative electrode current collector inside the negative electrode composite can be omitted, so the number of parts can be reduced and the negative electrode current collector can be produced. And the thickness of the negative electrode composite can be reduced. Moreover, in such a form, since the resin layer of the exterior body is on the surface opposite to the surface in contact with the metal negative electrode, the possibility that the negative electrode metal is deposited can be reduced, and the charge / discharge cycle characteristics can be improved.
またさらに、本発明は、他の側面で金属空気電池であり、該金属空気電池は、前記負極複合体と、導電性材料を含有する正極層を備えた空気極とを対向させ、前記負極複合体と前記正極層との間に水系電解質を設け、前記負極複合体の固体電解質及び前記空気極の空気極層が、前記水系電解質に接するようにしている。
このような形態の金属空気電池で、本発明に係る金属電池の負極複合体を採用すれば、水系電解液を使用しても負極複合体の外装体と固体電解質との接合部から水分が入る可能性を低減でき、安定した長期放電を可能とすることができる。
Still further, the present invention is a metal-air battery according to another aspect, wherein the metal-air battery is configured such that the negative electrode composite and an air electrode including a positive electrode layer containing a conductive material are opposed to each other, and the negative electrode composite is provided. An aqueous electrolyte is provided between the body and the positive electrode layer, and the solid electrolyte of the negative electrode composite and the air electrode layer of the air electrode are in contact with the aqueous electrolyte.
If the negative electrode composite of the metal battery according to the present invention is adopted in such a metal-air battery, even if an aqueous electrolyte is used, moisture enters from the joint portion of the negative electrode composite exterior body and the solid electrolyte. Possibility can be reduced and stable long-term discharge can be enabled.
本発明によれば、固体電解質とラミネートフィルムの接合を容易にし、かつ長時間安定して放電できるようにした金属空気電池の負極複合体及び金属空気電池が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode composite_body | complex of metal air battery and the metal air battery which enabled easy joining of a solid electrolyte and a laminate film, and were able to discharge stably for a long time are provided.
以下に、本発明に係る金属空気電池の負極複合体及び金属空気電池を、添付図面に示した実施の形態を参照しながら説明する。 Hereinafter, a negative electrode composite of a metal-air battery and a metal-air battery according to the present invention will be described with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
第1の実施の形態
図1に、本発明に係る金属空気電池の負極複合体の第1の実施の形態を示す。図1の実施の形態は、第1の実施の形態のうち、作製される負極複合体の一方の面のみに固体電界質を備える形態である。以下において、「金属空気電池の負極複合体」を単に「負極複合体」とも指称する。図1は、本実施の形態に係る負極複合体1を断面で示したものである。一般的な形態として、負極複合体1は、従来公知のものと同様、紙面に垂直な方向に平板状に延長するように構成する。
First Embodiment FIG. 1 shows a first embodiment of a negative electrode composite of a metal-air battery according to the present invention. The embodiment of FIG. 1 is a mode in which the solid electrolyte is provided on only one surface of the negative electrode composite to be produced in the first embodiment. Hereinafter, the “negative electrode composite of a metal-air battery” is also simply referred to as “negative electrode composite”. FIG. 1 shows a cross section of a
本実施の形態で、負極複合体1は、負極集電体2と、負極活物質で構成する負極層3と、断面で上下に見える緩衝層4と、隔離層5とを積層して備えるものである。
In the present embodiment, the
負極集電体2は、線状又は板状を有している。負極集電体2の材料は、金属空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよく、例えば、銅、ニッケルなどを挙げることができる。
The negative electrode
負極層3の負極活物質は、金属イオンを吸蔵放出可能な材料であれば特に限定されない。なお、金属イオンとしては、好適にはリチウムイオンである。
負極活物質としては、例えば、ナトリウムや、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、リチウムなどの金属を用いることができる。この中でも開放電圧が高く、実用的な観点からリチウムがより好ましい。また、負極活物質は、金属リチウムに限定されず、リチウムを主成分とする合金又は化合物であってもよい。リチウムを主成分とする合金は、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛などを含むことができる。
The negative electrode active material of the
As a negative electrode active material, metals, such as sodium, calcium, magnesium, aluminum, zinc, lithium, can be used, for example. Among these, an open circuit voltage is high and lithium is more preferable from a practical viewpoint. Further, the negative electrode active material is not limited to metallic lithium, and may be an alloy or compound containing lithium as a main component. The lithium-based alloy can include magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, silver, gold, zinc, and the like.
隔離層5は、負極複合体1が後述する電解媒体部と接する面に位置しており、負極層3を水分から保護するためのものである。隔離層5の材料は、耐水性及び金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ガラスセラミックスのような固体電解質を用いることができる。負極活物質として金属リチウムを用いる場合、隔離層5のリチウムイオン伝導率は、10−5S/cm以上であることが望ましい。このような隔離層5の材料としては、例えば、NASICON(Na Superionic Conductor:ナトリウム超イオン導電体)型のリチウムイオン伝導体が挙げられる。また、一般式LiM2(PO4)3(MはZr、Ti、Geなどの4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をIn、Alなどの3価のカチオンM’で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1+xM2−xM’x(PO4)3で表されるリチウムイオン伝導体が挙げられる。さらに、一般式LiM2(PO4)3(MはZr、Ti、Geなどの4価のカチオン)であらわされるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をTaなどの5価のカチオンM”で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1−xM2−xM”x(PO4)3であらわされるリチウムイオン伝導体が挙げられる。これらのリチウムイオン伝導体のPはSiで置換されている場合があり、一般式Li1+x+yTi2−xAlxP3−ySiyO12(LTAP)であらわされるリチウムイオン伝導体がイオン伝導性の観点から望ましい。これらの他にも、高いリチウムイオン伝導性をもつ硫化物系セラミック電解質なども挙げられる。
The
緩衝層4は、負極層3と隔離層5との接触を防ぐためのものである。負極層3と隔離層5とが接触すると、負極層3のリチウムなどの負極活物質と隔離層5のガラスセラミックスとが反応して、隔離層5が劣化する場合がある。このことから、緩衝層4は、負極層3と隔離層5との接触を防ぐためのものである。
緩衝層4は、金属イオン伝導性のポリマー電解質又は有機電解質である。例えば、有機電解液をセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロースなどのシート)に浸み込ませたものを使用してもよい。負極活物質として金属リチウムを用いる場合、緩衝層4のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。使用される有機電解液は、炭酸エチレンに、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルを混合し、さらにリチウム塩を添加したものである。その他、緩衝層4は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体電解質であってもよいし、リチウム塩を溶解した有機電解液をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiTFSI(Li(CF3SO2)2N)、Li(C2F4SO2)2N、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)などが挙げられる。
The
The
ポリマーとしては、PEO(ポリエチレンオキシド)、PPO(ポリプロピレンオキシド)などが挙げられる。ゲル電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAN(ポリアクリロニトリル)、PVP(ポリビニルピロリドン)、PEO−PMA(ポリエチレンオキシド修飾ポリメタクリレートの架橋体)、PVdF(ポリフッ化ビリニデン)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAA(ポリアクリル酸)、PVdF−HFP(ポリフッ化ビリニデンとヘキサフロオロプロピレンとの共重合体)などが挙げられる。なお、緩衝層4のポリマーとして、特に望ましいPEOを用いる場合には、PEOの分子量は104〜105であることが望ましく、PEOとリチウム塩とのモル比は、8〜30:1であることが望ましい。また、緩衝層4の強度及び電気化学的特性を向上させるため、さらに、セラミックスフィラー、例えば、BaTiO3の粉末をポリマーに分散させてもよい。セラミックスフィラーの混合量は、残余の成分100重量部に対して1〜20重量部であることが望ましい。
Examples of the polymer include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). The polymer serving as a host for the gel electrolyte is PEO (polyethylene oxide), PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PVP (polyvinylpyrrolidone), PEO-PMA (crosslinked product of polyethylene oxide-modified polymethacrylate), PVdF (polyfluoride). And vinylidene fluoride), PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylic acid), PVdF-HFP (copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene), and the like. In addition, when using especially desirable PEO as a polymer of the
図1に示すように、本実施の形態は、負極層3と、緩衝層4と、隔離層5との積層体を外装体6で囲んだ形態となっている。
外装体6は、ガスバリア性のある金属層6aと、樹脂層6bとから構成されるラミネートフィルムを用いて構成する。
As shown in FIG. 1, the present embodiment has a configuration in which a laminated body of a
The
ラミネートフィルムの金属層6aとしては、導電性が高く、有機電解液に耐える物性を有する金属を用いることが好適であり、例えばステンレスや銅、アルミニウムなどが好ましい。
As the
ラミネートフィルムの樹脂層6bとしては、熱耐久性及び強度が高い樹脂が好ましく、ポリエステル系樹脂、ナイロン系樹脂や、熱溶着できる熱可塑性のポリオレフィン系樹脂を使用できる。ポリエステル系樹脂としてはポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンレテフタラート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどを挙げることができる。ナイロン系樹脂としては、6−ナイロン、6,6−ナイロンなどを挙げることができる。ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンなどを挙げることができる。
As the
例えば、外装体6の樹脂層6bに熱溶着できる熱可塑性のポリオレフィン系樹脂を使用した場合は、端部を内側に折り曲げてポリオレフィン系樹脂同士を熱溶着することによって、ラミネートフィルムの端部(端部の重ね合わせ部)を熱溶着できる。外装体6の樹脂層6bにポリエステル系、ナイロン系の樹脂を用いた場合は、熱溶着する端部に最内層として熱溶着できる熱可塑性のポリオレフィン系樹脂のフィルムを設けて熱溶着してもよい。
For example, when a thermoplastic polyolefin resin that can be thermally welded to the
外装体6として、金属層6aと、樹脂層6bとから構成されるラミネートフィルムを用いる場合、金属層6aと隔離層5を接合することとなる。隔離層5がセラミックスであれば、例えばろう付けや圧接、固相溶接、融接など種々の方法によって接合することができる。それらのうち、接着による接合が好ましく、接着接合に使用する接着剤としてはエポキシ系接着剤、オレフィン系接着剤、シアノアクリル系接着剤、スチレン・ブタンジエンゴム接着剤のような合成ゴム系接着剤を使用することができる。もっとも、接着剤は、金属層6aと隔離層5同士を接着できるものであれば特に限定されるものではなく、透湿性とガス透過性が低く、非水系電解液及び水系電解液に耐性があるものがよい。
本第1の実施の形態に係る負極複合体1では、このように金属層6aと隔離層5との接合を容易に行うことができ、作業性を向上することができる。また、高い気密性、耐水性、耐溶剤性を備えた接合とすることができるので、金属層6aと隔離層5との接合部分から水分が入る可能性を低減でき、安定した長時間放電を可能とすることができる。
また、本第1の実施の形態に係る負極複合体1は、負極層3(金属負極)と、負極集電体2と、隔離層5(固体電解質)とを含む積層体の積層方向の長さを200μm以上とすることができる。
積層体の積層方向の長さ(厚み)を200μm以上とする形態であれば、エネルギー密度を向上でき、放電容量を増加できる。ここで、金属負極の厚さが薄くなっても、本発明に係る金属電池の負極複合体によれば、金属負極等を収容する外装体6のラミネートフィルムが金属負極の厚さの減少に追従する。この結果、金属負極の厚さが薄くなっても、接合部分の高い気密性、耐水性、耐溶剤性が維持される。このため、放電容量を向上できる上に、長時間放電しても破損を防ぐことができ、高深度放電に耐えることができる。また、金属層6aと隔離層5との接合であるため、接合で使用する接着剤の選定の幅が広がり、ガスバリア性、耐溶剤性の高い接着剤を使用することが可能となる。
When a laminate film composed of the
In the negative electrode
In addition, the
If the length (thickness) in the stacking direction of the laminate is 200 μm or more, the energy density can be improved and the discharge capacity can be increased. Here, even when the thickness of the metal negative electrode is reduced, according to the negative electrode composite of the metal battery according to the present invention, the laminate film of the
次に、図1に加え、図2を参照して、第1の実施の形態に係る負極複合体を作製する方法の一実施の形態を説明する。
手順1: 負極複合体1の外装体の作製
図2は、外装体6の一実施形態について、完成前の展開した状態を示している。図2では、外装体6の金属層6aの側が見えている。
金属層6aと樹脂層6bのラミネートフィルムで構成した外装体6の一部を窓状に固体電解質開口部7としてカットする。固体電解質開口部7の周囲の固体電解質接着部分8に接着剤を塗布し、セラミックスなどの固体電解質を固体電解質開口部7の金属層6a側に接着する。なお、金属層6aと固体電解質の隔離層5との接合方法は、このような接着剤を用いた方法に限定されるものではない。
次いで、ラミネートフィルムの端部9、9を金属層6a側に折りたたみ、折り曲げ部分10で折り、端部9、9の上下の樹脂層6b、6b面を重ね合わせた。次いで、端部9、9の合わせ面を熱可塑性のポリオレフィン系樹脂同士で熱溶着により接合する。
図1に、固体電解質の隔離層5と、金属層6aとの接着層11、11及び端部9、9の一方の樹脂層6b同士の熱溶着部12とを示す。なお、図1は、断面図であり、本来、向かって左側には、折り曲げ部分10を折り曲げた状態の断面が現れるはずである。しかし、図1には、便宜的に端部9、9の一方の樹脂層6b同士の熱溶着部12の断面構造を示している。
Next, with reference to FIG. 2 in addition to FIG. 1, an embodiment of a method for producing the negative electrode composite according to the first embodiment will be described.
Procedure 1: Production of Exterior Body of
A part of the
Next, the
In FIG. 1, the
手順2: 負極複合体の作製
負極複合体1の外装体6をアルゴンガスの不活性雰囲気に移動し、片面に負極層3を備える負極集電体2を外装体6の中に入れる。なお、折り曲げられた外装体6の折り曲げ部分10と平行して相対する二つの端部は、酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートによる熱溶着接合部分13、13を構成し、熱溶着接合部分13、13で構成される間隙より負極集電体2を挿入する。この際、負極層3をポリオレフィン系セパレータやセルロースセパレータなどで包む。セパレータは、負極複合体1の完成後、緩衝層4を構成する。
負極集電体2の一部分を端子14として外装体6の熱溶着接合部分13、13から外方に伸長するようにする。
そして、負極複合体1内に熱溶着接合部分13、13で構成される間隙より非水系電解液やポリマー電解質などの電解液を注入する。
向かい合う外装体6の熱溶着接合部分13、13の両側に、酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートを挟み、熱溶着接合により密閉し、これによって、図1の断面構造を備える負極複合体1の作製を完了することができる。
Procedure 2: Production of Negative Electrode Composite The
A part of the negative electrode
Then, an electrolytic solution such as a non-aqueous electrolytic solution or a polymer electrolyte is injected into the
An acid-modified polyolefin-based heat-welded sheet is sandwiched between both sides of the heat-welded
負極複合体1は、電解媒体部を挟んで正極部と合体することによって、金属空気電池を構成することができる。
正極部は、正極構造体として構成することができる。このような正極構造体は、導電性とガス拡散性を有する材料に、白金、金などの貴金属の微粒子を導電性のあるカーボンブラックに担持させた材料やMnO2などの触媒活性を示す材料を担持して構成される正極層と、正極層に電気的に接続される正極集電体と、正極層を部分的に覆う正極外装体を少なくとも備えるように構成することができる。
The
The positive electrode part can be configured as a positive electrode structure. Such a positive electrode structure is composed of a material having conductivity and gas diffusibility, a material in which fine particles of noble metal such as platinum and gold are supported on conductive carbon black, and a material having catalytic activity such as MnO 2. A positive electrode layer configured to be supported, a positive electrode current collector electrically connected to the positive electrode layer, and a positive electrode exterior body partially covering the positive electrode layer can be provided.
正極層に用いられる導電性とガス拡散性を有する材料としては、多孔質構造を有する導電性材料を用いてもよい。多孔質構造としては、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、ランダムに配列された不織布構造、三次元網目構造が挙げられる。より具体的には、カーボンペーパや、カーボンクロス、カーボン不織布などの炭素繊維材料がある。カーボンクロスは、炭素繊維を規則正しく編み込んだシート状のものであり、カーボン不織布は、炭素繊維をランダムに絡み合わせたシート状のものである。その他、多孔質構造を有すれば、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄などの金属材料でもよい。これらの中でも、正極の軽量化や、電解液に対する耐腐食性の高さから、炭素繊維がより好ましい。 As a material having conductivity and gas diffusivity used for the positive electrode layer, a conductive material having a porous structure may be used. Examples of the porous structure include a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which the fibers are randomly arranged, and a three-dimensional network structure. More specifically, there are carbon fiber materials such as carbon paper, carbon cloth, and carbon nonwoven fabric. The carbon cloth is in the form of a sheet in which carbon fibers are regularly knitted, and the carbon non-woven fabric is in the form of a sheet in which carbon fibers are randomly entangled. In addition, as long as it has a porous structure, for example, a metal material such as stainless steel, nickel, aluminum, or iron may be used. Among these, carbon fiber is more preferable from the viewpoint of weight reduction of the positive electrode and high corrosion resistance against the electrolytic solution.
正極層は薄板形状を有する。正極層は、正極外装体によって囲まれているが、正極層の一方の面が、負極複合体1の少なくとも一方の面(すなわち、隔離層5の面)に対向するように、正極外装体には開口が設けられている。また、正極活物質である空気が正極層に導入されるように、正極外装体には別の開口が設けられている。さらに、正極外装体には、正極集電体を外殻外側に引き出すための開口が設けられている。 The positive electrode layer has a thin plate shape. Although the positive electrode layer is surrounded by the positive electrode outer package, the positive electrode outer package is arranged so that one surface of the positive electrode layer faces at least one surface of the negative electrode composite 1 (that is, the surface of the isolation layer 5). Is provided with an opening. In addition, another opening is provided in the positive electrode exterior body so that air as the positive electrode active material is introduced into the positive electrode layer. Furthermore, the positive electrode exterior body is provided with an opening for drawing out the positive electrode current collector to the outside of the outer shell.
正極層の表面には、酸化還元反応を促進させる貴金属や酸化金属などの触媒、必要に応じて導電材料やこれらを結着させるバインダーが含まれる。導電材料として好ましい材料は、例えば、カーボンブラック、活性炭などの高比表面積カーボンが挙げられる。 The surface of the positive electrode layer includes a catalyst such as a noble metal or a metal oxide that promotes the oxidation-reduction reaction, and a conductive material or a binder that binds these as necessary. Examples of a preferable material as the conductive material include high specific surface area carbon such as carbon black and activated carbon.
正極集電体は、金属空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよい。正極集電体の材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、金、及び白金などの金属材料、カーボンクロス及びカーボン不織布などの炭素繊維材料を用いることができる。 The positive electrode current collector may be present stably in the operating range of the metal-air battery and may have a desired conductivity. Examples of the material for the positive electrode current collector include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, gold, and platinum, and carbon fiber materials such as carbon cloth and carbon nonwoven fabric.
負極複合体と正極構造体との間に介在する電解媒体部は、電解媒体と、電解媒体を収容する電解媒体外装体とによって構成することができる。電解媒体は、触媒が含有されている電解液を含むこともできる。触媒は、少なくとも金属空気電池の放電時に正極層で行われる酸素還元反応を促進する触媒活性を有するものである。同時に、触媒は、金属空気電池の充電時に正極層で行われる酸素発生反応を促進する触媒活性を有するものが好ましい。 The electrolytic medium portion interposed between the negative electrode composite and the positive electrode structure can be constituted by an electrolytic medium and an electrolytic medium exterior body that houses the electrolytic medium. The electrolytic medium can also include an electrolytic solution containing a catalyst. The catalyst has a catalytic activity that promotes at least the oxygen reduction reaction performed in the positive electrode layer during the discharge of the metal-air battery. At the same time, the catalyst preferably has a catalytic activity that promotes the oxygen generation reaction performed in the positive electrode layer when the metal-air battery is charged.
このような触媒としては、貴金属やその他の遷移金属などを使用することができる。貴金属としては、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Irやその酸化物を挙げることができる。その他の遷移金属としては、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、La、Ceなどやその酸化物を挙げることができる。 As such a catalyst, a noble metal or other transition metals can be used. Examples of the noble metal include Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, and oxides thereof. Examples of other transition metals include V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, La, Ce, and oxides thereof.
電解液は、水系電解液でも非水系電解液でもよい。
水系電解液としては電気伝導性を有していればよく、水にリチウム塩を溶解させた水系電解質が好ましい。水に溶解させるリチウム塩としては、LiCl(塩化リチウム)、LiOH(水酸化リチウム)、LiNO3(硝酸リチウム)、CH3COOLi(酢酸リチウム)が挙げられる。
なお、第1の実施の形態に係る負極複合体では、水系電解液を使用しても負極複合体1の外装体6と隔離層5(固体電解質)との接合部から水分が入る可能性を低減でき、安定した長期放電を可能にできる。
The electrolytic solution may be an aqueous electrolytic solution or a non-aqueous electrolytic solution.
The aqueous electrolyte solution only needs to have electrical conductivity, and an aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in water is preferable. Examples of the lithium salt dissolved in water include LiCl (lithium chloride), LiOH (lithium hydroxide), LiNO 3 (lithium nitrate), and CH 3 COOLi (lithium acetate).
Note that, in the negative electrode composite according to the first embodiment, even if an aqueous electrolyte is used, there is a possibility that moisture may enter from the joint between the
非水系電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)やエチルメチルカーボネート(EMC)などの鎖状カーボネート、又はそれらの混合溶液を用いることができ、導電性を持たせるために、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiClO4(過塩素酸リチウム)、LiBF4、(テトラフルオロほう酸リチウム)、LiN(SO2CF3)2(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)などの電解質を添加してもよい。 As the non-aqueous electrolyte, a cyclic carbonate such as propylene carbonate (PC) or ethylene carbonate (EC), a chain carbonate such as dimethyl carbonate (DMC) or ethyl methyl carbonate (EMC), or a mixed solution thereof may be used. In order to provide conductivity, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiClO 4 (lithium perchlorate), LiBF 4 , (lithium tetrafluoroborate), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (lithium An electrolyte such as bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) may be added.
また、電解媒体は、電解液を多孔質体に含浸させたものを、使用してもよい。多孔質体としては、ポリエチレンやポリプロピレンなどの多孔膜の他、セルロースや樹脂不織布やガラス繊維不織布などの不織布、ハイドロゲルなどを用いてよい。 Moreover, you may use the electrolytic medium which impregnated the electrolyte solution with the porous body. As the porous body, in addition to a porous film such as polyethylene or polypropylene, a nonwoven fabric such as cellulose, a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric, hydrogel, or the like may be used.
電解媒体は、電解媒体外装体に収容されているが、電解媒体が負極複合体1の隔離層5と正極層の両方に接するように、配置されている。
The electrolytic medium is accommodated in the electrolytic medium outer package, and is disposed so that the electrolytic medium is in contact with both the
図1及び図2について説明した第1の実施の形態は、負極複合体1の一方の面にのみ固体電解質5を設けている。図3は、第1の実施の形態について、負極複合体1の両面に固体電解質5、5を設けた形態を示している。
In the first embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2, the
一方の面にのみ隔離層5を設けた図1に断面で示した実施の形態では、ラミネートフィルムの端部9、9を金属層6a側に折りたたみ、折り曲げ部分10(図2)で折り、端部9、9の上下の樹脂層6b、6b面を重ね合わせた。次いで、端部9、9の合わせ面を熱溶着により接合していた。
図3の負極複合体1は、折り曲げ部分10を設けず、2枚のラミネートフィルムを用い、折り曲げ部分10に相当する周辺部も図2の端部9、9と同様の構成としている。すなわち、ラミネートフィルムの四辺の端部を端部9、9と同様に金属層6a側に折りたたみ、端部の上下の樹脂層6b、6bを重ね合わせる。次いで、端部の合わせ面を熱溶着により接合し、溶着部12とすることとしている。
In the embodiment shown in cross section in FIG. 1 in which the
The negative electrode
図1で断面が表示される実施の形態との更なる相違は、2枚のラミネートフィルムの双方について、一部を窓状に固体電解質開口部としてカットすることである。さらに、片面ではなく両面に負極層3を備える負極集電体2を外装体6の中に入れる。なお、端子14を挟み込む部分15については、酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートを介在させて、ラミネートフィルム6と負極集電体15を熱溶着接合させる。
A further difference from the embodiment in which the cross section is shown in FIG. 1 is that a part of both laminate films is cut into a window shape as a solid electrolyte opening. Furthermore, the negative electrode
その他は、前記した手順1と手順2と同様にして、図3に示す負極複合体1を得ることができる。図3において、作製後の負極複合体1について、図1と同様の素材で構成され、同様の機能を有する要素には同一の符号を付している。
この図3の実施の形態では、先に説明した第1の実施の形態と同様の効果を期待することができ、加えて負極複合体1の全体の体積を小さくすることができる。
Otherwise, the
In the embodiment of FIG. 3, the same effect as that of the first embodiment described above can be expected, and in addition, the entire volume of the
第2の実施の形態
本第2の実施の形態に係る負極複合体は、3層のラミネートフィルムにより外装体を構成する素材として用いている。
図4は、本発明に係る負極複合体101の一実施の形態を示し、負極複合体101は、負極集電体102と負極活物質で構成する負極層103と、緩衝層104と、隔離層105とを積層して備えるものである。
負極集電体102、負極層103、緩衝層104及び隔離層105は、図1について説明した負極集電体2、負極層3、緩衝層4及び隔離層5とそれぞれ同一の素材で構成することができる。
図4に示すように、本実施の形態では、負極層103と、緩衝層104と、隔離層105との積層体を外装体板106と外装体板107とで挟んだ形態となっている。外装体板106と外装体板107とは、重ねあわせられるような大きさで構成し、これらが重ねあわされることによって外装体108を構成する。
外装体板106、107は、それぞれガスバリア性のある金属層106a、107aと、外側樹脂層106b、107bと、内側樹脂層106c、107cとから構成されるラミネートフィルムを用いて構成する。
Second Embodiment The negative electrode composite according to the second embodiment is used as a material constituting an exterior body by a three-layer laminate film.
FIG. 4 shows an embodiment of a
The negative electrode
As shown in FIG. 4, in this embodiment mode, a laminate of the
The
金属層106a、107aは、金属層6aと同様の素材で構成することができる。外側樹脂層106b、107bと、内側樹脂層106c、107cとは、樹脂層6bと同様の素材で構成することができる。
The
このような外装体板106を用いる場合、内側樹脂層106cを設けていない部分を設け、金属層106aと隔離層105を接合することとなる。これについては、後述する。なお、接合方法は、金属層6aと隔離層5を接合する方法と同様である。
When such an
次に、図4に加え、図5(a)、図5(b)を参照して、第2の実施の形態に係る負極複合体101を作製する方法の一実施の形態を説明する。
図5(a)は、外装体板106、図5(b)は、外装体板107の一実施の形態をそれぞれ示している。図5(a)、図5(b)では、外装板106、107の内側樹脂層106c、107cが見えている。
図5(a)に示すように、外装体板106の内側樹脂層106cは、固体電解質接着部分109において、四角形状に打ち抜かれている。この固体電解質接着部分109は、その一部を窓状に固体電解質開口部110としてカットする。そして、固体電解質開口部110の周囲に存在する固体電解質接着部分109に表れている金属層106aに接着剤を塗布し、セラミックスなどの固体電解質を金属層106aに接着する。
固体電解質接着部分109を有する外装体板106は、外側樹脂層106bに接着剤を有機溶媒で適度な粘度に希釈して塗布し乾燥させ、ドライラミネート法により金属層106aと圧着して貼り合わせる。そして、固体電解質接着部分109をカットした内側樹脂層106cを、熱ラミネート法により金属層106aに熱をかけて圧着して貼り合わせることで作製できる。
Next, in addition to FIG. 4, an embodiment of a method for producing the
FIG. 5A shows an embodiment of the
As shown in FIG. 5 (a), the
The
不活性雰囲気下で、図5(b)に示される外装体板107上に、負極層103が接合された負極集電体102を載置する。なお、外装体板107上には、負極集電体102の端子部分111が延長する部分に対応して酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シート112が添着されている。一方、外装体板106にも熱溶着シート112に対応した位置に熱溶着シート113が添着されている。
Under an inert atmosphere, the negative electrode
端子部分111を熱溶着シート112、113で挟むようにして重ねる。熱溶着シート112、113のある辺、及びその側辺の3辺を熱溶着により接合する。なお、図4中、114、115は、熱溶着部を示し、熱溶着部115は、熱溶着シート同士の熱溶着部及び/又はラミネートフィルム同士の溶着部を構成する。なおまた、同図4で、116は、接着剤による接着層を示している。
次いで、負極層103上にセパレータなどの緩衝層104を載せる。
そして、負極複合体101内に溶着していない辺の間隙より非水系電解液などの電解液を注入する。
最後に、残りの1辺の端部をヒートシーラーなどによって熱溶着により接合させて負極複合体101を完成することができる。
The
Next, a
Then, an electrolyte such as a non-aqueous electrolyte is injected from the gap between the sides not welded in the
Finally, the end of the remaining one side can be joined by heat welding using a heat sealer or the like to complete the
第1の実施の形態と同様、負極複合体101は、電界媒体部を挟んで正極部と合体することによって、金属空気電池を構成することができる。正極部及び電界媒体部のそれぞれについての、第1の実施の形態に関する記述は、第2の実施の形態に係る負極複合体101にもそのまま適合するものである。
また、第1の実施の形態に係る負極複合体101について期待することができる効果は、本第2の実施の形態に係る負極複合体101にも期待することができる。加えて、本第2の実施の形態に係る負極複合体101では、第1の実施の形態に係る負極複合体1と比べ、よりサイクル特性を向上させることができる。さらに、図4から明らかなように、両端がラミネート構造となり、柔軟で伸縮可能になるため、放電に伴う内圧変化に対応可能となる。
なお、第1の実施の形態に係る負極複合体1と同様に、本第2の実施の形態に係る負極複合体101も、図3のような両面に隔離層105を設けた形態として実施することができる。また、本第2の実施の形態に係る負極複合体101のような3層のラミネートフィルムに限らず、その間にナイロンフィルム等1層以上の樹脂フィルムが入った4層以上の金属箔ラミネートを使用することも可能である。
Similar to the first embodiment, the
The effects that can be expected from the
Note that, similarly to the
第3の実施の形態
本第3の実施の形態に係る負極複合体は、2層のラミネートフィルムを外装体を構成する素材として用い、負極集電体をラミネートフィルムの金属層で兼用する実施の形態である。
図6は、負極複合体201の第3の実施の形態を示し、負極複合体201は、負極集電体202と負極活物質で構成する負極層203と、緩衝層204と、隔離層205とを積層して備えるものである。
負極集電体202、負極層203、緩衝層204及び隔離層205は、図1について説明した負極集電体2、負極層3、緩衝層4及び隔離層5と同一の素材で構成することができる。
図6に示すように、本実施の形態では、負極層203と、緩衝層204と、隔離層205との積層体を外装体板206と外装体板207とで挟んだ形態となっている。外装体板206と外装体板207とは、重ねあわせられるような大きさで構成し、これらが重ねあわされることによって外装体を構成する。
外装体板206、207は、それぞれガスバリア性のある金属層206a、207aと、樹脂層206b、207bとから構成されるラミネートフィルムを用いて構成する。
Third Embodiment The negative electrode composite according to the third embodiment is an embodiment in which a two-layer laminate film is used as a material constituting an exterior body, and the negative electrode current collector is also used as a metal layer of the laminate film. It is a form.
FIG. 6 shows a third embodiment of the
The negative electrode
As shown in FIG. 6, in this embodiment mode, a laminate of the
The
金属層206aは、第1の実施の形態で採用する金属層6aと同様の素材で構成することができる。金属層207aは、銅箔などの負極集電体を構成することのできる素材で構成する。すなわち、金属層207aは、負極集電体202を兼ねるものであり、負極端子部209を延長して一体に備えるものである。
樹脂層206b、207bは、第1の実施の形態で採用する樹脂層6bと同様の素材で構成することができる。素材として、最も好適には、耐熱性の高い、PET樹脂等のポリエステル系樹脂フィルムを挙げることができる。
本第3の実施の形態に係る負極複合体201についても、第1の実施の形態に係る負極複合体1と同様の効果を期待することができる。加えて、外装体の金属層202を負極集電体として使用でき、負極複合体201内部の負極集電体を省くことができるため、部品点数を削減でき、負極集電体の作製を容易にできるとともに、負極複合体201の厚さを薄く、軽くできる。また、このような形態では負極層203(金属負極)と接している面とは反対面に外装体の樹脂層207bがあるため、負極金属が析出する可能性を低減でき、充電・放電のサイクル特性を向上できる。
The
The resin layers 206b and 207b can be made of the same material as that of the
For the
次に、第3の実施の形態に係る負極複合体201を作製する方法の一実施の形態を説明する。
以下の操作は、アルゴンガスなどの不活性雰囲気下で行う。
外装体板206の固体電解質開口部210を四角形状にカットする。固体電解質開口部210の周囲を、固体電解質接着部分211とする。そして、固体電解質接着部分211に接着剤212を塗布し、隔離層205を構成するセラミックスなどの固体電解質を金属層206aに接着する。
Next, an embodiment of a method for producing the
The following operations are performed under an inert atmosphere such as argon gas.
The
外装体板207の金属層207a上に、負極層203を接合する。さらに、負極層203の周囲の四辺を連続して酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シート213で覆う。
The
外装体板206と207とを、重ねる。負極端子部209のある辺以外の3辺を熱溶着により接合する。次いで、負極層203上にセパレータなどの緩衝層204を載せる。
そして、負極複合体201内に熱溶着接合していない辺の間隙より非水系電解液などの電解液を注入する。
最後に、残りの1辺の端部をヒートシーラーなどによって接合させて負極複合体201を完成することができる。
The
Then, an electrolytic solution such as a non-aqueous electrolytic solution is injected into the negative electrode composite 201 from the gap between the sides that are not thermally welded.
Finally, the end of the remaining one side can be joined with a heat sealer or the like to complete the
第1の実施の形態と同様、負極複合体201は、電界媒体部を挟んで正極部と合体することによって、金属空気電池を構成することができる。正極部及び電界媒体部のそれぞれについての、第1の実施の形態に関する記述は、第3の実施の形態に係る負極複合体201にもそのまま適合するものである。
Similar to the first embodiment, the
以下に、本発明に係る金属空気電池の負極複合体及び金属空気電池を、その実施例についてさらに詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the negative electrode composite of the metal-air battery and the metal-air battery according to the present invention will be described in more detail with respect to examples thereof. The technical scope of the present invention is not limited by the following examples.
第1の実施の形態に係る実施例及び比較例
実施例1
1.負極複合体外装体の作製
ステンレス箔(SUS316L)/PP(ポリプロピレン)樹脂の金属箔ラミネートフィルムを図2に示す形状で窓材部分を、固体電解質開口部7としてカットした。固体電解質接着部分8に2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤を塗布し、四角形状の固体電解質を固体電解質開口部7のステンレス箔側6aに接着した。ラミネートフィルムの端部9、9をステンレス箔側6aに折りたたみ、折り曲げ部分10で折り、端部9、9の上下のPP樹脂面6bを重ね合わせた。その後、上下加熱対応インパルス式ヒートシーラーにて、重ね合わせた2カ所の合わせ面を熱溶着により接合し、図1の負極複合体1の外装体6とした。
Examples and comparative examples according to the first embodiment
Example 1
1. Production of Negative Electrode Composite Exterior Body A metal foil laminate film of stainless steel foil (SUS316L) / PP (polypropylene) resin was cut in the shape shown in FIG. A two-component room temperature curing type epoxy adhesive was applied to the solid
2.負極複合体の作製
負極複合体1の外装体6をアルゴン雰囲気下のグローブボックス中に移し、片面金属リチウム付き銅箔集電体2の金属Li部分をセルロースセパレータで包み、負極複合体1の外装体6の中に入れた。負極集電体2部分を端子として外装体6の接合部分13、13から出し、非水系電解液(1MLiPF6/EC(エチルカーボネート):EMC(エチルメチルカーボネート)=1:1)を負極複合体1内に注入した。最後に向かい合う外装体6の接合部分13、13の両側に酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートを介してヒートシーラーで接合させて密閉し、図1の負極複合体1を作製した。
2. Production of Negative Electrode Composite The
固体電解質にはLTAPを用いた。このLTAPは耐水性を有しているが、耐リチウム金属性を有していないため直接接触させることができない。直接接触することを防ぎ固体電解質とリチウム金属の間のリチウムイオン導電を担うため、セルロースセパレータに非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を染み込ませたものを保護層としている。 LTAP was used for the solid electrolyte. Although this LTAP has water resistance, it cannot be directly contacted because it does not have lithium metal resistance. In order to prevent direct contact and to carry lithium ion conduction between the solid electrolyte and the lithium metal, a protective layer is formed by impregnating a cellulose separator with a non-aqueous electrolyte (1MLiPF 6 / EC: EMC = 1: 1). .
3.正極の作製
正極を、以下の手順で作製した。
(1)正極の触媒として白金担持カーボン(Pt:47.2%)80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチルピロリドン(NMP)を2ml添加して混合溶媒を調製した。
(2)混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で6分、超音波で30分攪拌、塗工機(松尾産業製K202コントロールコーター)を用いて、カーボンクロス端部に塗布した。その後、ホットプレート上に置いて110℃で1時間加熱乾燥させて、白金担持量約0.5mg/cm2の正極を作製した。
3. Production of positive electrode A positive electrode was produced by the following procedure.
(1) Weigh 80 mg of platinum-supported carbon (Pt: 47.2%) as a positive electrode catalyst and 20 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder), and 2 ml of N-methylpyrrolidone (NMP). A mixed solvent was prepared by addition.
(2) The mixed solvent was applied to the end of the carbon cloth with a stirrer (AR-100, manufactured by Shinki Co., Ltd.) for 6 minutes and with ultrasonic waves for 30 minutes, using a coating machine (K202 control coater manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.). Then, it put on the hotplate and heat-dried at 110 degreeC for 1 hour, and produced the positive electrode of platinum carrying amount about 0.5 mg / cm < 2 >.
4.空気電池の作製
2M(mol/L)のLiCl水溶液を調製した。LiCl水溶液を保持するため、セルロースシート上に滴下し、正極構造体と負極複合体1との間に配置した。
4). Preparation of Air Battery A 2M (mol / L) LiCl aqueous solution was prepared. In order to hold the LiCl aqueous solution, the solution was dropped on the cellulose sheet and disposed between the positive electrode structure and the
比較例1、2
比較例1、2について、従来のアルミラミネートフィルムを使用した負極複合体の作製方法を記述する。
1.負極複合体外装体の作製
PET樹脂/アルミ箔/PE樹脂のアルミラミネートフィルムの窓材部分をカットした。固体電解質接着部分に、比較例1では2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤、比較例2ではSBR系接着剤を塗布し、四角形状の固体電解質を固体電解質開口部のPE樹脂側に接着した。ラミネートフィルムの折り曲げ部分で折り、端部の上(窓材部分側)下のPE樹脂面を重ね合わせて、ヒートシーラーで熱溶着により接合し、負極複合体の外装体とした。
Comparative Examples 1 and 2
For Comparative Examples 1 and 2, a method for producing a negative electrode composite using a conventional aluminum laminate film will be described.
1. Preparation of negative electrode composite exterior body A window material portion of an aluminum laminate film of PET resin / aluminum foil / PE resin was cut. In Comparative Example 1, a two-component room temperature curing type epoxy adhesive was applied to the solid electrolyte adhesive portion, and in the Comparative Example 2, an SBR adhesive was applied, and the rectangular solid electrolyte was adhered to the PE resin side of the solid electrolyte opening. . Folded at the folded part of the laminate film, the PE resin surface above the end part (window material part side) was superposed and joined by heat welding with a heat sealer to obtain an exterior body of the negative electrode composite.
2.負極複合体の作製
負極複合体の外装体をアルゴン雰囲気下のグローブボックス中に移し、片面金属リチウム付き銅箔集電体の金属Li部分をセルロースセパレータで包み、負極複合体の外装体の中に入れた。負極集電体部分を端子として外装体の接着部分から出し、非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体内に注入した。最後に向かい合う外装体の接着部分の両側に比較例1では2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤、比較例2ではSBR系接着剤を塗布して接合させて密閉し、負極複合体を作製した。
2. Preparation of negative electrode composite The outer body of the negative electrode composite was transferred into a glove box under an argon atmosphere, the metal Li portion of the copper foil current collector with metal lithium on one side was wrapped with a cellulose separator, and the outer body of the negative electrode composite was I put it in. The negative electrode current collector part was taken out from the adhesion part of the outer package as a terminal, and a non-aqueous electrolyte (1 M LiPF 6 / EC: EMC = 1: 1) was injected into the negative electrode composite. Finally, a two-component room-temperature curing type epoxy adhesive was applied to both sides of the adhesive portion of the outer packaging facing each other, and an SBR adhesive was applied and bonded in Comparative Example 2 to form a negative electrode composite. .
3.正極の作製・空気電池の作製
実施例1と同一方法で作製した。
3. Production of positive electrode / Production of air battery It was produced in the same manner as in Example 1.
実施例1及び比較例1、2の放電試験
実施例1の理論容量84mAh相当セルにおいて、理論容量に対して0.1C相当の電流密度4mA/cm2で放電した際の放電電圧の推移を25℃の温度にて北斗電工社製HJ1001SD8で測定した結果を図7、表1に示した。
その結果、比較例1のセルは放電せず、比較例2のセルは15%の放電深度であったのに対し、実施例1のセルは72%の放電深度であった。なお、放電深度とは、放電容量に対する放電量の比である。
Discharge test of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 In the cell corresponding to the theoretical capacity of 84 mAh of Example 1, the change in discharge voltage when discharged at a current density of 4 mA / cm 2 corresponding to 0.1 C with respect to the theoretical capacity is 25. Table 1 shows the results of measurement with HJ1001SD8 manufactured by Hokuto Denko Corporation at a temperature of ° C.
As a result, the cell of Comparative Example 1 did not discharge and the cell of Comparative Example 2 had a discharge depth of 15%, whereas the cell of Example 1 had a discharge depth of 72%. The depth of discharge is the ratio of the discharge amount to the discharge capacity.
第2の実施の形態に係る実施例及び比較例
実施例2
1.負極複合体の作製
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、固体電解質側ラミネートフィルムのPP樹脂106c/金属箔106a(実施例2ではステンレス箔SUS316L)/PET樹脂106bのPP樹脂部分打ち抜きラミネートフィルム(外装体板106)を図5(a)に示す形状で、固体電解質開口部110のPP樹脂が被覆されていない部分を固体電解質の接着部分109を残してカットtした。PP樹脂が被覆されていないSUS箔表面の固体電解質接着部分109に2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤を塗布し、四角形状の固体電解質を接着した。外装体下側ラミネートフィルム(外装体板107)、金属Liが銅箔片面に接合された負極103、銅端子部分111を酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シート112、113で挟み、前述の固体電解質側ラミネートフィルム(外装体板106)を重ねて、3辺の端部をヒートシーラーにて熱溶着により接合した。金属Li上にセルロースセパレータをのせて、非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体101内に注入した。最後に残りの1辺の端部をヒートシーラーで接合させて密閉し、図4の負極複合体101を作製した。
Examples and comparative examples according to the second embodiment
Example 2
1. Production of negative electrode composite In a glove box under an argon atmosphere, a
固体電解質にはLTAPを用いた。また、LTAPと負極複合体とが直接接触することを防ぐため、セルロースセパレータに非水系電解液(本実施例、1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を染み込ませたものを緩衝層とした。 LTAP was used for the solid electrolyte. Further, in order to prevent direct contact between LTAP and the negative electrode composite, a buffer separator was impregnated with a non-aqueous electrolyte solution (this example, 1MLiPF 6 / EC: EMC = 1: 1) in a cellulose separator. .
2.正極の作製
実施例1と同一手法で作製した。
2. Preparation of positive electrode The positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1.
3.空気電池の作製
実施例1と同一方法で作製した。
3. Preparation of air battery It was manufactured in the same manner as in Example 1.
比較例3
1.負極複合体の作製
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、固体電解質側ラミネートフィルムの金属箔(比較例3ではステンレス箔SUS316L)/PET樹脂の2層金属箔ラミネートフィルムを固体電解質開口部をカットした。固体電解質接着部分に2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤を塗布し、四角形状の固体電解質をSUS箔面に接着した。外装体下側ラミネートフィルムのPP樹脂/金属箔(比較例ではステンレス箔)/PET樹脂ラミネートフィルム上に酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートをのせ、金属Liが銅箔片面に接合された負極、熱溶着シートと前述の固体電解質側ラミネートフィルムに重ねて、3辺の端部をヒートシーラーにて熱溶着により接合した。金属Li上にセルロースセパレータをのせて、非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体内に注入した。最後に残りの1辺の端部をヒートシーラーで接合させて密閉し、負極複合体を作製した。
この比較例3による負極複合体は、互いに別体の上下の外装体板を用いた他は、実施例1と同様の形態である。
Comparative Example 3
1. Production of Negative Electrode Composite In a glove box under an argon atmosphere, a solid electrolyte opening was cut from a metal foil of a solid electrolyte side laminate film (stainless steel foil SUS316L in Comparative Example 3) / PET resin two-layer metal foil laminate film. A two-component room temperature curing type epoxy-based adhesive was applied to the solid electrolyte adhesion portion, and a rectangular solid electrolyte was adhered to the SUS foil surface. A negative electrode in which an acid-modified polyolefin-based heat welding sheet is placed on the PP resin / metal foil (stainless steel foil in the comparative example) / PET resin laminate film of the lower laminate film of the outer package, and the metal Li is bonded to one side of the copper foil, The welding sheet and the above-mentioned solid electrolyte side laminate film were overlapped, and the ends of the three sides were joined by heat welding with a heat sealer. A cellulose separator was placed on the metal Li, and a nonaqueous electrolytic solution (1M LiPF 6 / EC: EMC = 1: 1) was injected into the negative electrode composite. Finally, the end of the remaining one side was sealed with a heat sealer to produce a negative electrode composite.
The negative electrode composite according to Comparative Example 3 has the same form as Example 1 except that separate upper and lower exterior body plates are used.
2.正極の作製・空気電池の作製
実施例1と同一方法で作製した。
2. Production of positive electrode / Production of air battery It was produced in the same manner as in Example 1.
放電・充電試験
実施例2の理論容量84mAh相当セルにおいて、理論容量に対して0.05C相当の電流密度2mA/cm2で1時間の放電、充電(上限電圧4.2V)を繰り返した際の電圧の推移を25℃の温度にて北斗電工社製HJ1001SD8で測定した結果を図8(実施例2)、図9(比較例3)に示した。
その結果、実施例2は14サイクル以上継続し、放電、充電時の安定性が向上した。なお、比較例3も、11サイクル目まで放電電圧を保った。すなわち、これらの結果は、実施例2で、放電、充電時の安定性がより向上していることを示している。
Discharge / Charge Test In the cell corresponding to the theoretical capacity of 84 mAh in Example 2, when discharging and charging (upper limit voltage 4.2 V) for 1 hour at a current density of 2 mA / cm 2 equivalent to 0.05 C with respect to the theoretical capacity were repeated. FIG. 8 (Example 2) and FIG. 9 (Comparative Example 3) show the results of measuring the voltage transition using a HJ1001SD8 manufactured by Hokuto Denko at a temperature of 25 ° C.
As a result, Example 2 continued for 14 cycles or more, and stability during discharging and charging was improved. In Comparative Example 3, the discharge voltage was maintained until the 11th cycle. That is, these results show that the stability during discharging and charging is further improved in Example 2.
第3の実施の形態に係る実施例及び比較例
実施例3
1.負極複合体の作製
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、固体電解質側ラミネートフィルム(外装体板206)の金属箔(実施例では銅箔)/PET樹脂の金属箔ラミネートフィルムの固体電解質開口部をカットした。固体電解質接着部分211に2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤212を塗布し、四角形状の固体電解質を銅箔面206aに接着した。金属Li負極側ラミネートフィルム(外装体板207)の銅箔/PET樹脂の銅箔部分207aに、金属Liを接合し、金属Li部分を切り取った酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シート213を、金属Li負極側ラミネートフィルム(外装体板207)にのせて、さらにその上に固体電解質側ラミネートフィルム(外装体板206)を重ね、3辺の端部をヒートシーラーにて熱溶着により接合した。
Examples and comparative examples according to the third embodiment
Example 3
1. Production of negative electrode composite In a glove box under an argon atmosphere, the metal electrolyte (copper foil in the example) of the solid electrolyte side laminate film (exterior body plate 206) / the solid electrolyte opening of the metal foil laminate film of PET resin is cut. did. A two-component room temperature curing
金属Li上にセルロースセパレータをのせて、非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体201内に注入した。最後に残りの1辺の端部をヒートシーラーで接合して密閉し、図6の負極複合体201を作製した。
A cellulose separator was placed on the metal Li, and a nonaqueous electrolytic solution (1M LiPF 6 / EC: EMC = 1: 1) was injected into the
固体電解質にはLTAPを用いた。また、LTAPと固体電解質とが直接接触することを防ぎ固体電解質とリチウム金属の間のリチウムイオン導電を担うため、セルロースセパレータに非水系電解液(本実施例、1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を染み込ませたものを緩衝層とした。 LTAP was used for the solid electrolyte. Further, in order to prevent direct contact between the LTAP and the solid electrolyte and to carry lithium ion conduction between the solid electrolyte and the lithium metal, a non-aqueous electrolyte solution (in this embodiment, 1 M LiPF 6 / EC: EMC = 1: The buffer layer was soaked with 1).
2.正極の作製
実施例1と同一手法で作製した。
2. Production of positive electrode It was produced in the same manner as in Example 1.
3.空気電池の作製
実施例1と同一方法で作製した。
3. Production of air battery It was produced by the same method as in Example 1.
比較例4
1.負極複合体の作製
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、固体電解質側ラミネートフィルムの金属箔(比較例では銅箔)/PET樹脂の金属箔ラミネートフィルムの固体電解質開口部をカットした。固体電解質接着部分に2液常温硬化タイプのエポキシ系接着剤を塗布し、四角形状の固体電解質を銅箔面に接着した。外装材下側ラミネートフィルムのPP樹脂/金属箔(比較例では銅箔)/PET樹脂ラミネートフィルム上に金属Li部分がくり抜かれた酸変性ポリオレフィン系の熱溶着シートをのせ、金属Liが銅箔に接合された負極と、前述の固体電解質側ラミネートフィルムの銅箔部分を重ね、3辺の端部をヒートシーラーにて熱溶着により接合した。金属Li上にセルロースセパレータをのせて、非水系電解液(LiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体内に注入した。最後に残りの1辺の端部をヒートシーラーで接合させて密閉し、比較例4の負極複合体を作製した。
Comparative Example 4
1. Production of Negative Electrode Composite In a glove box under an argon atmosphere, the solid electrolyte side laminate film metal foil (copper foil in the comparative example) / PET resin metal foil laminate film opening was cut. A two-component room-temperature curing type epoxy adhesive was applied to the solid electrolyte bonding portion, and a rectangular solid electrolyte was bonded to the copper foil surface. An acid-modified polyolefin-based heat-welded sheet with the metal Li portion cut out is placed on the PP resin / metal foil (copper foil in the comparative example) / PET resin laminate film of the lower laminate film of the exterior material, and the metal Li is applied to the copper foil. The joined negative electrode and the copper foil portion of the above-mentioned solid electrolyte side laminate film were overlapped, and the ends of the three sides were joined by heat welding with a heat sealer. A cellulose separator was placed on the metal Li, and a non-aqueous electrolyte (LiPF 6 / EC: EMC = 1: 1) was injected into the negative electrode composite. Finally, the end portion of the remaining one side was joined with a heat sealer and sealed to prepare a negative electrode composite of Comparative Example 4.
2.正極・空気電池の作製
実施例3と同一方法で作製した。
2. Production of positive electrode / air battery It was produced in the same manner as in Example 3.
放電及び充電試験
実施例の理論容量1.71Ah相当セルにおいて、理論容量に対して0.05C相当の電流密度2mA/cm2で放電した際の放電電圧の推移を25℃の温度にて北斗電工社製HJ1001SD8で測定した。
その結果、実施例3・比較例4は、放電・充電ともに平均電圧は良好であった。すなわち、両者ともこのような特性において優れていた。しかし、実施例3は、0.01mm薄くなり、比較例4より約5%軽量化されていた。
Discharge and charge test In the cell equivalent to the theoretical capacity of 1.71 Ah in the example, the transition of the discharge voltage when discharging at a current density of 2 mA / cm 2 equivalent to 0.05 C with respect to the theoretical capacity was performed at a temperature of 25 ° C. Measurement was carried out with HJ1001SD8 manufactured by the company.
As a result, in Example 3 and Comparative Example 4, the average voltage was good for both discharging and charging. That is, both were excellent in such characteristics. However, Example 3 was 0.01 mm thinner and was about 5% lighter than Comparative Example 4.
1、101、201 負極複合体
2、102、202 負極集電体
3、103、203 負極層
4、104、204 緩衝層
5、105、205 隔離層
6 外装体
6a、106a、107a、206a、207a 金属層
6b、206b、207b 樹脂層
7、110、210 固体電解質開口部
8、109、211 固体電解質接着部分
9 端部
10 折り曲げ部分
11 接着層
12、114、115 熱溶着部
13 熱溶着接合部分
14 端子
106、206 外装体板
107、207 外装体板
106b、107b 外側樹脂層
106c、107c 内側樹脂層
111 端子部分
112、113 熱溶着シート
116 接着層
209 負極端子部
212 接着剤
1, 101, 201
Claims (5)
前記積層体を収容し、前記積層体の一部を表面に露出させる開口部を有する外装体とを備え、
前記外装体は少なくとも外層の樹脂層と、前記樹脂層の内側の金属層とを有するラミネートフィルムを含んでなり、前記開口部と前記固体電解質とが重なるように設けられ、前記ラミネートフィルムの金属層と前記固体電解質とが接合される、金属空気電池の負極複合体。 A laminate comprising a metal negative electrode, a negative electrode current collector electrically connected to the metal negative electrode, and a metal ion conductive solid electrolyte;
An exterior body that houses the laminate and has an opening that exposes a portion of the laminate to the surface;
The outer package includes a laminate film having at least an outer resin layer and a metal layer inside the resin layer, and is provided so that the opening and the solid electrolyte overlap with each other, and the metal layer of the laminate film And a negative electrode composite of a metal-air battery, wherein the solid electrolyte is joined.
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