JP2017076612A - Lithium air secondary battery - Google Patents

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茂栄 柴
Shigeharu Shiba
茂栄 柴
淳 大村
Atsushi Omura
淳 大村
直 渡邉
Nao Watanabe
直 渡邉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium air secondary battery capable of increasing current density, and achieving both high capacity and high output.SOLUTION: A lithium air secondary battery comprises: a positive electrode; and a negative electrode. The positive electrode has: a lithium conductive layer; a reaction layer; and an oxygen diffusion layer. The lithium conductive layer is located between the negative electrode and the oxygen diffusion layer, and includes a conductive material by 3-40 mass% to the mass of the lithium conductive layer. It is preferable that the lithium conductive layer includes a compound which enables the intercalation of lithium. It is also preferable that the conductive material includes a carbonaceous material.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明はリチウム空気二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium air secondary battery.

リチウム空気電池は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な負極と、空気中の酸素を正極活物質とし、酸素の酸化還元触媒を含む正極とを備え、負極と正極との間にリチウムイオン伝導性媒体を配した構造を有している。すなわちリチウム空気電池は、空気中の酸素を活物質として用いた正極を有する電池であって、正極において、酸素の酸化還元反応を行うことで充放電が可能になる電池である。リチウム空気電池は、理論上、エネルギー密度が3000Wh/kg以上であり、この値はリチウムイオン電池のエネルギー密度の約10倍に相当する。   A lithium air battery includes a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a positive electrode including oxygen in the air as a positive electrode active material and containing an oxygen redox catalyst, and lithium ion conductivity between the negative electrode and the positive electrode. It has a structure with a medium. That is, a lithium-air battery is a battery having a positive electrode using oxygen in the air as an active material, and can be charged and discharged by performing an oxidation-reduction reaction of oxygen at the positive electrode. The lithium air battery theoretically has an energy density of 3000 Wh / kg or more, and this value corresponds to about 10 times the energy density of the lithium ion battery.

リチウム空気電池に関する従来の技術としては例えば特許文献1や特許文献2に記載のものが知られている。特許文献1に記載のリチウム空気電池は、正極に酸素を供給するための空気孔を備えるケースを具備しており、正極が組成の異なる2つの層からなり、空気孔側に酸素還元能を有する層が配置され、負極側にリチウムイオン吸蔵能を有する層が配置されている。リチウムイオン吸蔵能を有する層は、リチウムイオンを2.0V以上2.9V以下(vs.Li)で吸蔵する能力を有する活物質と、導電剤と、結着剤から構成されている。このリチウム空気電池は、この構成を備えることで、高容量で且つパルス放電特性に優れたものになると、特許文献1には記載されている。   For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 are known as conventional techniques related to lithium-air batteries. The lithium-air battery described in Patent Document 1 includes a case having an air hole for supplying oxygen to the positive electrode, the positive electrode is composed of two layers having different compositions, and has an oxygen reducing ability on the air hole side. A layer is disposed, and a layer having a lithium ion storage capacity is disposed on the negative electrode side. The layer having the ability to occlude lithium ions is composed of an active material having an ability to occlude lithium ions at 2.0 V to 2.9 V (vs. Li), a conductive agent, and a binder. This lithium-air battery is described in Patent Document 1 as having a high capacity and excellent pulse discharge characteristics by having this configuration.

特許文献2に記載のリチウム空気電池は、上述した特許文献1に記載のリチウム空気電池が有している課題の解決を目的とするものであり、正極層が、酸素還元能を有する第一正極層と、Liイオン吸蔵能を有する第二正極層とを有している。第二正極層は、2.0V(vs.Li)よりも小さい平均電圧、又は、2.9V(vs.Li)よりも大きい平均電圧を有する正極活物質を含有している。この構成を備えることで、放電時の電流密度に応じて、異なる特性の電池を使い分けられるリチウム電池が得られると、特許文献2には記載されている。しかし、特許文献2では実施例等による前記構成の試験結果については記載されていない。   The lithium-air battery described in Patent Document 2 is intended to solve the problems of the lithium-air battery described in Patent Document 1 described above, and the positive electrode layer has a first positive electrode having oxygen reducing ability. And a second positive electrode layer having a Li ion storage capacity. The second positive electrode layer contains a positive electrode active material having an average voltage smaller than 2.0 V (vs. Li) or an average voltage larger than 2.9 V (vs. Li). Patent Document 2 describes that by providing this configuration, a lithium battery can be obtained in which batteries having different characteristics can be used according to the current density during discharge. However, Patent Document 2 does not describe the test result of the above-described configuration according to an example.

特開2006−286414号公報JP 2006-286414 A 国際公開第2010/073332号パンフレットInternational Publication No. 2010/073332 Pamphlet

特許文献2に記載のリチウム空気電池は、小電流放電時には高容量なリチウム空気電池として機能し、大電流放電時には高出力なリチウムイオン電池として機能する点に特徴を有するものである。しかし、このリチウム空気電池は、高電流密度下において、高容量と高出力とが両立したものとはならない。   The lithium-air battery described in Patent Document 2 is characterized in that it functions as a high-capacity lithium-air battery at a small current discharge and functions as a high-power lithium-ion battery at a large current discharge. However, this lithium-air battery does not have both high capacity and high output at a high current density.

したがって本発明の課題はリチウム空気二次電池の改良にあり、更に詳細には、電流密度を高くすることができ、且つ高容量と高出力とが両立したリチウム空気二次電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve a lithium-air secondary battery, and more specifically, to provide a lithium-air secondary battery capable of increasing current density and having both high capacity and high output. is there.

前記課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した結果、負極から放出されたリチウムイオンが正極の反応層に達するまでの拡散速度を高めることで、前記課題が解決されることを知見した。   As a result of intensive investigations to solve the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by increasing the diffusion rate until lithium ions released from the negative electrode reach the reaction layer of the positive electrode.

本発明は前記の知見に基づきなされたもので、正極及び負極を有するリチウム空気二次電池であって、
前記正極が、リチウム伝導層、反応層及び酸素拡散層を有し、
前記リチウム伝導層が、前記負極と前記酸素拡散層の間に位置するとともに、該リチウム伝導層の質量に基づき導電材を3質量%以上40質量%以下含むリチウム空気二次電池を提供することによって前記課題を解決したものである。
The present invention was made on the basis of the above knowledge, and is a lithium air secondary battery having a positive electrode and a negative electrode,
The positive electrode has a lithium conductive layer, a reaction layer and an oxygen diffusion layer;
By providing a lithium air secondary battery in which the lithium conductive layer is located between the negative electrode and the oxygen diffusion layer and contains 3% by mass to 40% by mass of a conductive material based on the mass of the lithium conductive layer. The problem is solved.

また本発明は、リチウム伝導層、反応層及び酸素拡散層を有するリチウム空気二次電池用の正極であって、
前記正極が電池に組み込まれたときに、前記リチウム伝導層が、負極と前記酸素拡散層の間に位置するように配されており、
前記リチウム伝導層は、該リチウム伝導層の質量に基づき導電材を3質量%以上40質量%以下含むリチウム空気二次電池用の正極を提供するものである。
The present invention is also a positive electrode for a lithium air secondary battery having a lithium conductive layer, a reaction layer and an oxygen diffusion layer,
When the positive electrode is incorporated in a battery, the lithium conductive layer is disposed so as to be located between the negative electrode and the oxygen diffusion layer,
The lithium conductive layer provides a positive electrode for a lithium air secondary battery containing 3% by mass to 40% by mass of a conductive material based on the mass of the lithium conductive layer.

本発明によれば、電流密度を高くすることができ、且つ高容量と高出力とが両立したリチウム空気二次電池が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a lithium air secondary battery which can make a current density high and is compatible with high capacity | capacitance and high output is provided.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明のリチウム空気二次電池は負極及び正極を有する。負極は、負極集電体と、負極集電体に担持される負極層とを含む。負極層は、負極活物質と結着剤からなるものを用いることができる。負極活物質はリチウムイオン放出能を備えていればよい。負極活物質としては、従来リチウム一次電池及びリチウムイオン二次電池の負極材料として用いられる各種負極活物質を特に制限なく用いることができる。   Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments thereof. The lithium air secondary battery of the present invention has a negative electrode and a positive electrode. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode layer carried on the negative electrode current collector. The negative electrode layer can be made of a negative electrode active material and a binder. The negative electrode active material only needs to have a lithium ion releasing ability. As the negative electrode active material, various negative electrode active materials conventionally used as negative electrode materials for lithium primary batteries and lithium ion secondary batteries can be used without particular limitation.

負極活物質としては、例えば金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウム金属、リチウム合金、リチウム複合酸化物、炭素質物質などが挙げられる。金属酸化物としては、例えば、スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えば、スズ硫化物、チタン硫化物などが挙げられる。金属窒化物としては、例えば、リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金などが挙げられる。炭素質物質としては、リチウムイオンを吸蔵させた炭素質物質を用いることができる。その例としては、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素などの黒鉛質材料若しくは炭素質材料、熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体などに500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料、又は炭素質材料にリチウムイオンを吸蔵させたものが挙げられる。   Examples of the negative electrode active material include metal oxide, metal sulfide, metal nitride, lithium metal, lithium alloy, lithium composite oxide, and carbonaceous material. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the metal nitride include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride. Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. As the carbonaceous material, a carbonaceous material occluded with lithium ions can be used. Examples include graphite or coke, carbon fiber, graphite material such as spherical carbon or carbonaceous material, thermosetting resin, isotropic pitch, mesophase pitch, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase microspheres, etc. Examples include a graphite material obtained by heat treatment at 3000 ° C., or a carbonaceous material in which lithium ions are occluded.

負極活物質を結着するために用いられる結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、及びカルボキシメチルセルロースなどを用いられる。   Examples of the binder used for binding the negative electrode active material include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene-propylene-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and carboxymethylcellulose.

負極活物質及び結着剤を含む負極層を担持する負極集電体としては、例えば、多孔質構造の導電性基板や、無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、及びニッケル等から構成することができる。多孔質構造の導電性基板としては、例えばメッシュ、パンチドメタル、エクスパンディドメタル等を用いることができる。あるいは、金属箔に負極活物質を担持させた後、該金属箔に孔を開けたものを、多孔質構造の導電性基板として用いることができる。   As the negative electrode current collector carrying the negative electrode layer containing the negative electrode active material and the binder, for example, a conductive substrate having a porous structure or a nonporous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be made of, for example, copper, aluminum, stainless steel, nickel, or the like. As the conductive substrate having a porous structure, for example, a mesh, a punched metal, an expanded metal, or the like can be used. Alternatively, a negative electrode active material supported on a metal foil and then a hole formed in the metal foil can be used as a conductive substrate having a porous structure.

負極は、電解質を挟んで正極と対向するように配置される。電解質としては、従来リチウムイオン二次電池の電解液として用いられてきた各種非水電解液を用いることができる。例えば、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機溶媒系非水電解液や、支持電解質を含むイオン液体系非水電解液を用いることができる。あるいは高分子材料と有機溶媒系/イオン液体系非水電解液からなるゲル状電解液などを用いることもできる。   The negative electrode is disposed so as to face the positive electrode with the electrolyte interposed therebetween. As the electrolyte, various non-aqueous electrolytes that have been conventionally used as electrolytes for lithium ion secondary batteries can be used. For example, an organic solvent-based non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a supporting electrolyte in an organic solvent or an ionic liquid-based non-aqueous electrolyte containing a supporting electrolyte can be used. Alternatively, a gel electrolyte solution composed of a polymer material and an organic solvent-based / ionic liquid-based non-aqueous electrolyte solution can also be used.

有機溶媒系非水電解液に用いる有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、イソプロピオメチルカーボネートなどの炭酸エステル類が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   Examples of the organic solvent used in the organic solvent-based non-aqueous electrolyte include carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, and isopropyl methyl carbonate. . These solvents can be used alone or in combination of two or more.

有機溶媒に溶解される支持電解質としては、例えばLiPF、Li[PF(C)]、Li[PF(CF)]、LiBF、Li[BF(CF)]、Li[BF(C)]、Li[BF(CF)]、Li[BF(C)]、Li[B(COOCOO)](LiBOB)、LiCFSO(LiTf)、LiCSO(LiNf)、Li[(CFSO)N](LiTFSI)、Li[(FSO)N](LiFSI)、Li[(CSO)N](LiBETI)、Li[(CFSO)(CSO)N]、Li[(CN)N](LiDCA)、Li[(CFSO)C]、Li[(CN)C]などが挙げられる。有機溶媒系非水電解液における支持電解質の濃度は、0.1〜4モル/Lとすることが好ましい。 Examples of the supporting electrolyte dissolved in the organic solvent include LiPF 6 , Li [PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], Li [PF 3 (CF 3 ) 3 ], LiBF 4 , Li [BF 2 (CF 3 ). 2 ], Li [BF 2 (C 2 F 5 ) 2 ], Li [BF 3 (CF 3 )], Li [BF 3 (C 2 F 5 )], Li [B (COOCOO) 2 ] (LiBOB), LiCF 3 SO 3 (LiTf), LiC 4 F 9 SO 3 (LiNf), Li [(CF 3 SO 2 ) 2 N] (LiTFSI), Li [(FSO 2 ) 2 N] (LiFSI), Li [(C 2 F 5 SO 2) 2 N ] (LiBETI), Li [(CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2) N], Li [(CN) 2 N] (LiDCA), Li [(CF 3 SO 2 ) 3 C], Li [(CN) 3 C] and the like. The concentration of the supporting electrolyte in the organic solvent-based nonaqueous electrolytic solution is preferably 0.1 to 4 mol / L.

イオン液体系非水電解質に用いられるイオン液体の溶剤としては、例えばイミダゾリウムイオン、アンモニウムイオンなどのカチオンと、各種アニオンで構成されるものを挙げることができる。   Examples of the ionic liquid solvent used in the ionic liquid non-aqueous electrolyte include those composed of cations such as imidazolium ions and ammonium ions and various anions.

イオン液体のカチオンとしては、例えばN,N,N−トリメチルブチルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、N−エチル−N,N−ジメチルブチルアンモニウムイオン、N,N−ジメチル−N−プロピルブチルアンモニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルエチルアンモニウムイオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−2,3,4−トリメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−2,3,5−トリメチルイミダゾリウムイオン、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−sec−ブチル−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオン、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピロリジニウムイオン、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−sec−ブチル−N−メチルピペリジニウムイオン、N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピペリジニウムイオン、N−(2−エトキシエチル)−N−メチルピペリジニウムイオンなどが挙げられる。   Examples of the cation of the ionic liquid include N, N, N-trimethylbutylammonium ion, N-ethyl-N, N-dimethylpropylammonium ion, N-ethyl-N, N-dimethylbutylammonium ion, and N, N-dimethyl. -N-propylbutylammonium ion, N- (2-methoxyethyl) -N, N-dimethylethylammonium ion, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1- Butyl-3-methylimidazolium ion, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1-ethyl-3,4-dimethylimidazolium ion, 1-ethyl-2,3,4-trimethylimidazolium ion, 1-ethyl-2,3,5-trimethylimidazolium ion, -Methyl-N-propylpyrrolidinium ion, N-butyl-N-methylpyrrolidinium ion, N-sec-butyl-N-methylpyrrolidinium ion, N- (2-methoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium ion, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylpyrrolidinium ion, N-methyl-N-propylpiperidinium ion, N-butyl-N-methylpiperidinium ion, N-sec-butyl-N-methylpiperidinium ion N- (2-methoxyethyl) -N-methylpiperidinium ion, N- (2-ethoxyethyl) -N-methylpiperidinium ion, and the like.

イオン液体のアニオンとしては、例えばPF 、BF 、I、Cl、Br、SCN、ClO 、SbF 、CFCOO、CFSO 、CSO 、[PF(C、[PF(CF、[BF(CF、[BF(C、[BF(CF)]、[BF(C)]、[(CFSO)(CSO)N]、[(CFSOC]、[(CN)C]、[(CFSON]、[(FSON]、[(CFSO)(FSO)N]、[(CFCFSON]、[(CB]などが挙げられる。 Examples of the anion of the ionic liquid include PF 6 , BF 4 , I , Cl , Br , SCN , ClO 4 , SbF 6 , CF 3 COO , CF 3 SO 3 , and C 6 F. 5 SO 3 , [PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ] , [PF 3 (CF 3 ) 3 ] , [BF 2 (CF 3 ) 2 ] , [BF 2 (C 2 F 5 ) 2 ] -, [BF 3 (CF 3)] -, [BF 3 (C 2 F 5)] -, [(CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2) N] -, [(CF 3 SO 2 ) 3 C] , [(CN) 3 C] , [(CF 3 SO 2 ) 2 N] , [(FSO 2 ) 2 N] , [(CF 3 SO 2 ) (FSO 2 ) N] -, [(CF 3 CF 2 SO 2) 2 N] -, [(C 2 H 4 O 2) 2 B] - etc. Is mentioned.

前記ゲル状電解液としては、前述した有機溶媒系非水電解液やイオン液体系非水電解質と高分子材料を混合したものを使用することができる。高分子材料としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸又はその塩、ポリメタクリル酸エステル、ポリアクリル酸又はその塩、ポリアクリル酸エステル等が挙げられる。これらの高分子材料は、前記ゲル上電解液全体に対して1質量%以上40質量%以下の量で含むことができる。   As the gel electrolyte, a mixture of the organic solvent-based non-aqueous electrolyte or the ionic liquid-based non-aqueous electrolyte and a polymer material can be used. Examples of the polymer material include polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polymethacrylic acid or a salt thereof, polymethacrylic acid ester, polyacrylic acid or a salt thereof, and polyacrylic acid ester. These polymer materials can be contained in an amount of 1% by mass or more and 40% by mass or less based on the entire electrolyte solution on the gel.

以上の各種電解質のうち、イオン液体を含む前記ゲル状電解液を用いることが、電解液の構成成分の揮発を抑制し得ることから好ましい。揮発の抑制は、リチウム空気二次電池のサイクル特性の向上に資する。   Of the various electrolytes described above, it is preferable to use the gel electrolyte solution containing an ionic liquid because volatilization of the components of the electrolyte solution can be suppressed. The suppression of volatilization contributes to the improvement of the cycle characteristics of the lithium air secondary battery.

電解質を挟んで負極と対向する位置に配される正極は、多層構造体から構成される。この多層構造体は、リチウム伝導層、反応層及び酸素拡散層を含む。これら各層のうち、酸素拡散層が、負極から見て最も離れた位置に配置されている。そして、リチウム伝導層が、負極と酸素拡散層の間に配置されている。負極と正極との間には、上述のとおり電解質が介在しているので、リチウム伝導層は、電解質と酸素拡散層との間に位置するとも言える。反応層は、リチウム伝導層と酸素拡散層との間に配置されている。このように、典型的には、正極は、負極から見て最も離れた位置に酸素拡散層が配置され、該酸素拡散層よりも負極寄りの位置に反応層が配置され、且つ負極から見て最も近い位置にリチウム伝導層が配置された構成となっている。リチウム伝導層と反応層とは直接に隣接しており、両層間には他の層が介在していないことが好ましい。また、反応層と酸素拡散層とは直接に隣接しており、両層間には他の層が介在していないことが好ましい。   The positive electrode disposed at a position facing the negative electrode across the electrolyte is composed of a multilayer structure. The multilayer structure includes a lithium conductive layer, a reaction layer, and an oxygen diffusion layer. Among these layers, the oxygen diffusion layer is disposed at a position farthest away from the negative electrode. A lithium conductive layer is disposed between the negative electrode and the oxygen diffusion layer. Since the electrolyte is interposed between the negative electrode and the positive electrode as described above, it can be said that the lithium conductive layer is located between the electrolyte and the oxygen diffusion layer. The reaction layer is disposed between the lithium conductive layer and the oxygen diffusion layer. Thus, typically, in the positive electrode, the oxygen diffusion layer is disposed at a position farthest from the negative electrode, the reaction layer is disposed at a position closer to the negative electrode than the oxygen diffusion layer, and the positive electrode is viewed from the negative electrode. The lithium conductive layer is arranged at the closest position. It is preferable that the lithium conductive layer and the reaction layer are directly adjacent to each other, and no other layer is interposed between the two layers. Moreover, it is preferable that the reaction layer and the oxygen diffusion layer are directly adjacent to each other, and no other layer is interposed between the two layers.

酸素拡散層は、撥水性を有し、且つ、酸素の拡散が速やかに行われる構造を有していることが好ましい。この目的のために、酸素拡散層はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの含フッ素ポリマーを含み、多孔質構造を有していることが好ましい。また、酸素拡散層は、集電体としての機能を有していることも好ましい。これらの観点から、酸素拡散層は多孔質の導電材から構成されていることが好ましい。そのような導電材としては、導電性クロス、導電性ペーパー、導電性メッシュ、パンチドメタル、エクスパンディドメタル等が挙げられる。これらの導電材の材質としては、例えば、カーボン、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタンなどを挙げることができる。導電材が金属から構成される場合、該金属の酸化を抑制するために、該金属の表面に耐酸化性の金属又は合金を被覆してもよい。   The oxygen diffusion layer preferably has water repellency and has a structure in which oxygen is diffused quickly. For this purpose, the oxygen diffusion layer preferably contains a fluorine-containing polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and has a porous structure. The oxygen diffusion layer preferably has a function as a current collector. From these viewpoints, the oxygen diffusion layer is preferably composed of a porous conductive material. Examples of such a conductive material include conductive cloth, conductive paper, conductive mesh, punched metal, expanded metal, and the like. Examples of materials for these conductive materials include carbon, stainless steel, nickel, aluminum, iron, and titanium. When the conductive material is composed of a metal, an oxidation resistant metal or alloy may be coated on the surface of the metal in order to suppress oxidation of the metal.

酸素拡散層から見て負極寄りに位置する反応層は、電池の放電時に、酸素拡散層を通過してきた酸素の還元反応が生じる部位である。この目的のために、反応層は、高比表面積(例えば100m/g以上)を有する炭素質物質又は金属酸化物を含んでいることが好ましい。炭素質物質としては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、カーボンブラック、ファーネスブラック、活性炭、活性炭素繊維、木炭類等が挙げられる。また、導電性の低い活性炭類に対しては、活性炭にアセチレンブラックなどの高導電性炭素質物質を添加し、反応層の導電性を高めることが好ましい。一方、金属酸化物としては、例えばマンガン酸化物、スズ酸化物、ビスマス酸化物、タングステン酸化物等が挙げられる。なお、反応層には、後述するリチウム伝導層に配合されるリチウムのインターカレーションが可能な物質は配合されない。 The reaction layer located closer to the negative electrode as viewed from the oxygen diffusion layer is a site where a reduction reaction of oxygen that has passed through the oxygen diffusion layer occurs during battery discharge. For this purpose, the reaction layer preferably contains a carbonaceous material or metal oxide having a high specific surface area (for example, 100 m 2 / g or more). Examples of the carbonaceous material include ketjen black (registered trademark), acetylene black, carbon black, furnace black, activated carbon, activated carbon fiber, and charcoal. For activated carbons with low conductivity, it is preferable to add a highly conductive carbonaceous material such as acetylene black to the activated carbon to increase the conductivity of the reaction layer. On the other hand, examples of the metal oxide include manganese oxide, tin oxide, bismuth oxide, and tungsten oxide. In the reaction layer, a substance capable of lithium intercalation that is blended in the lithium conductive layer described later is not blended.

反応層において、前記の炭素質物質又は金属酸化物は、結着剤と混合され、該結着剤によって保持固定された状態で存在していることが好ましい。結着剤としては、例えばポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴムなどを用いることができる。炭素質物質又は金属酸化物は結着剤と混合され、それによって得られた混合物はフィルム状に圧延されて製膜される。その膜を加熱することで反応層を形成することができる。あるいは、例えば炭素質物質又は金属酸化物と結着剤とを溶媒中で混合し、これを集電体に塗布し、乾燥・圧延して形成することができる。このようにして形成された反応層の厚みは、一般的に言って1μm以上200μm以下であることが好ましく、10μm以上100μm以下であることが更に好ましい。   In the reaction layer, the carbonaceous material or metal oxide is preferably mixed with a binder and present in a state of being held and fixed by the binder. As the binder, for example, polyamide, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene-propylene-butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, or the like can be used. A carbonaceous material or a metal oxide is mixed with a binder, and the resulting mixture is rolled into a film to form a film. The reaction layer can be formed by heating the film. Alternatively, for example, it can be formed by mixing a carbonaceous material or metal oxide and a binder in a solvent, applying the mixture to a current collector, drying and rolling. In general, the thickness of the reaction layer thus formed is preferably 1 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 100 μm or less.

反応層における酸素の還元反応及び/又は酸化反応を促進させることを目的として、該反応層に、酸素還元反応及び/又は酸素発生反応を促進する触媒を共存させておくことが好ましい。そのような触媒としては、例えばルテニウム、白金、ロジウム又はそれらの合金等の貴金属触媒が挙げられる。あるいは、コバルトフタロシアニン、コバルトポルフィリン、酸化セリウム(CeO)、アルミニウム(Al)、酸化チタン(TiO)、酸化銀(AgO)、ランタンカルシウムコバルト複合酸化物(LaCaCoO3−z)、ランタンカルシウムマンガン鉄複合酸化物(LavCawMnxFey3−z)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LaSrCoO3−z)、ランタンマンガン酸ナトリウム(NaLaMnO)、ランタンマンガン酸カリウム(KLaMnO3−z)、ランタンマンガン酸ルビジウム(RbLaMnO3−z)、銅マンガン複合酸化物(CuMn)などが挙げられる。 For the purpose of promoting the oxygen reduction reaction and / or oxidation reaction in the reaction layer, it is preferable that a catalyst for promoting the oxygen reduction reaction and / or the oxygen generation reaction coexists in the reaction layer. Examples of such a catalyst include noble metal catalysts such as ruthenium, platinum, rhodium or alloys thereof. Alternatively, cobalt phthalocyanine, cobalt porphyrin, cerium oxide (CeO 2 ), aluminum (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), silver oxide (AgO), lanthanum calcium cobalt complex oxide (La x Ca y CoO 3− z), lanthanum calcium manganese iron composite oxide (La v Ca w Mn x Fe y O 3-z), lanthanum strontium cobalt oxide (La x Sr y CoO 3- z), sodium lanthanum manganate (Na x La y MnO 3), potassium lanthanum manganate (K x La y MnO 3- z), lanthanum manganate rubidium (Rb x La y MnO 3- z), copper-manganese composite oxide (Cu x Mn y O 4), and the like It is done.

前記触媒は、前記の炭素質物質又は金属酸化物とともに混合された状態で反応層中に存在していてもよく、あるいは該炭素質物質の表面に担持された状態で反応層中に存在していてもよい。   The catalyst may be present in the reaction layer in a state of being mixed with the carbonaceous material or metal oxide, or may be present in the reaction layer in a state of being supported on the surface of the carbonaceous material. May be.

反応層は、上述のとおり、炭素質物質を含む層であってもよく、又は炭素質物質に加えて金属酸化物を含む層であってもよい。あるいは、反応層を2層構造となし、第1反応層に炭素質物質を含み、且つ金属酸化物を含まない層とし、第1反応層に隣接する第2反応層を、炭素質物質及び金属酸化物を含む層としてもよい。この場合、第1反応層を酸素拡散層側に配置し、且つ第2反応層をリチウム伝導層側に配置することが好ましい。このように構成することで、高電流密度下での容量を一層高くすることができる。   As described above, the reaction layer may be a layer containing a carbonaceous material, or may be a layer containing a metal oxide in addition to the carbonaceous material. Alternatively, the reaction layer has a two-layer structure, the first reaction layer includes a carbonaceous material and does not include a metal oxide, and the second reaction layer adjacent to the first reaction layer is formed of a carbonaceous material and a metal. A layer containing an oxide may be used. In this case, it is preferable to dispose the first reaction layer on the oxygen diffusion layer side and the second reaction layer on the lithium conductive layer side. With this configuration, the capacity under a high current density can be further increased.

正極のうち、負極に最も近い位置に配されるリチウム伝導層は、負極と、正極の反応層との間でのリチウムイオンの移動度を高める目的で用いられる。この目的のために、リチウム伝導層は導電材を含むことが好ましい。導電材としては、反応層に含まれる炭素質物質と同様のものを用いることができる。具体的には、ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、カーボンブラック、ファーネスブラック、活性炭、活性炭素繊維、木炭類等を用いることができる。   Among the positive electrodes, the lithium conductive layer disposed at the position closest to the negative electrode is used for the purpose of increasing the mobility of lithium ions between the negative electrode and the reaction layer of the positive electrode. For this purpose, the lithium conductive layer preferably contains a conductive material. As the conductive material, the same carbonaceous material contained in the reaction layer can be used. Specifically, ketjen black (registered trademark), acetylene black, carbon black, furnace black, activated carbon, activated carbon fiber, charcoal and the like can be used.

リチウム伝導層に求められる機能を一層向上させることを目的として、該リチウム伝導層には、リチウムのインターカレーションが可能な物質を含有させることが好ましい。リチウムイオンのインターカレーションが可能な物質としては、例えばリチウム遷移金属複合酸化物やリチウム遷移金属複合リン酸塩などが挙げられる。そのような酸化物としては、例えばLiMO2(Mは1種又は2種以上の遷移金属を表す。)で表される化合物、LiM24(Mは1種又は2種以上の遷移金属を表す。)で表される化合物、LiMPO4(Mは1種又は2種以上の遷移金属を表す。)で表される化合物などが挙げられる。具体的には、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(LiNiCoAl)、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNiMnCo)、マンガンニッケル酸リチウム(LiMnNi)、マンガンコバルト酸リチウム(LiMnCo)、オリビン型リン酸鉄リチウム、オリビン型リン酸マンガンリチウム、リチウムマンガンスピネルなどが挙げられる。これらのなかでも、層状化合物を用いることがより好ましい。 In order to further improve the functions required of the lithium conductive layer, the lithium conductive layer preferably contains a substance capable of lithium intercalation. Examples of the substance capable of intercalating lithium ions include lithium transition metal composite oxides and lithium transition metal composite phosphates. Examples of such an oxide include a compound represented by LiMO 2 (M represents one or more transition metals), LiM 2 O 4 (M represents one or more transition metals). And a compound represented by LiMPO 4 (M represents one or more transition metals). Specifically, lithium cobaltate, lithium manganate, lithium nickel acid, nickel-cobalt-aluminum lithium (LiNi x Co y Al z O 2), lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi x Mn y Co z O 2), manganese Examples thereof include lithium nickel oxide (LiMn x Ni y O 4 ), lithium manganese cobaltate (LiMn x Co y O 4 ), olivine type lithium iron phosphate, olivine type lithium manganese phosphate, and lithium manganese spinel. Among these, it is more preferable to use a layered compound.

リチウム伝導層においては、それに含まれる導電材の割合を特定の範囲に設定することが好ましい。詳細には、リチウム伝導層に占める導電材の割合は、該リチウム伝導層の質量に基づき3質量%以上40質量%以下であることが好ましい。この範囲で導電材がリチウム伝導層に含まれていることによって、正極におけるリチウムイオンの移動度が高まり、そのことに起因して電池の放電時に高電流密度を得ることができ、また高容量と高出力とが両立したものとなる。これとは対照的に、先に述べた特許文献2に記載のリチウム空気電池は、小電流放電時には高容量なリチウム空気電池として機能し、且つ大電流放電時には高出力なリチウムイオン電池として機能するように設計されている。本発明のリチウム空気二次電池では、特許文献2に記載されているような電池の使い分けは行っておらず、大電流放電時及び小電流放電時のいずれであってもリチウム空気二次電池として機能するように設計されている。   In the lithium conductive layer, the ratio of the conductive material contained in the lithium conductive layer is preferably set within a specific range. Specifically, the proportion of the conductive material in the lithium conductive layer is preferably 3% by mass or more and 40% by mass or less based on the mass of the lithium conductive layer. By including the conductive material in the lithium conductive layer in this range, the mobility of lithium ions in the positive electrode is increased, and as a result, a high current density can be obtained during battery discharge, and a high capacity can be obtained. High output is compatible. In contrast, the lithium-air battery described in Patent Document 2 described above functions as a high-capacity lithium-air battery at a small current discharge, and functions as a high-power lithium-ion battery at a large current discharge. Designed to be In the lithium air secondary battery of the present invention, the batteries as described in Patent Document 2 are not properly used, and the lithium air secondary battery can be used for both large current discharge and small current discharge. Designed to work.

本発明のリチウム空気二次電池が、特許文献2に記載の電池と異なり、大電流放電時であってもリチウム空気二次電池として機能する理由は、リチウム伝導層に多量の導電材が含有されているからである。このことに起因して、リチウム伝導層におけるリチウムイオンの移動度を高めるための主たる支配的因子を導電材とすることができる。その結果、リチウム伝導層に、リチウムのインターカレーションが可能な物質が含まれていても、該物質をリチウムイオン二次電池の正極活物質として機能させにくくしていると本発明者は考えている。別の見方をすれば、リチウム伝導層において、リチウムのインターカレーションが可能な物質は、補助的にリチウムイオンの移動度を高めるために機能している。したがって、本発明のリチウム空気二次電池における正極活物質は主として酸素であり、特許文献2に記載のリチウム空気電池と異なり、リチウムのインターカレーションが可能な物質は、正極活物質ではない。   Unlike the battery described in Patent Document 2, the lithium air secondary battery of the present invention functions as a lithium air secondary battery even during a large current discharge because a large amount of conductive material is contained in the lithium conductive layer. Because. Due to this, the main dominant factor for increasing the mobility of lithium ions in the lithium conductive layer can be the conductive material. As a result, even if the lithium conductive layer contains a substance capable of intercalating lithium, the inventor believes that the substance is difficult to function as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. Yes. From another viewpoint, in the lithium conductive layer, a material capable of lithium intercalation functions to supplementarily increase the mobility of lithium ions. Therefore, the positive electrode active material in the lithium air secondary battery of the present invention is mainly oxygen, and unlike the lithium air battery described in Patent Document 2, a material capable of lithium intercalation is not a positive electrode active material.

リチウム伝導層におけるリチウムイオンの移動度を一層効果的に高める観点から、リチウム伝導層に占める導電材の割合は、該リチウム伝導層の質量に基づき上述のとおり3質量%以上40質量%以下であることが好ましく、5質量%以上40質量%以下であることが更に好ましく、10質量%以上20質量%以下であることが一層好ましい。また、リチウム伝導層における導電材の質量Aとリチウムのインターカレーションが可能な物質の質量Bとの比であるA/Bの値は、0.03以上1.33以下であることが好ましく、0.05以上1.33以下であることが更に好ましく、0.11以上0.40以下であることが一層好ましい。   From the viewpoint of more effectively increasing the mobility of lithium ions in the lithium conductive layer, the proportion of the conductive material in the lithium conductive layer is 3% by mass or more and 40% by mass or less as described above based on the mass of the lithium conductive layer. It is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less. Further, the value of A / B, which is the ratio between the mass A of the conductive material in the lithium conductive layer and the mass B of the substance capable of lithium intercalation, is preferably 0.03 or more and 1.33 or less, More preferably, it is 0.05 or more and 1.33 or less, and further preferably 0.11 or more and 0.40 or less.

リチウム伝導層において、導電材及びリチウムのインターカレーションが可能な物質は、粒子の形態で結着剤と混合され、該結着剤によって保持固定された状態で存在していることが好ましい。結着剤としては、反応層において用いられるものと同様のものを用いることができる。リチウム伝導層は、導電材及びリチウムのインターカレーションが可能な物質を結着剤と混合し、それによって得られた混合物をフィルム状に圧延して製膜し、その膜を加熱することで形成することができる。このようにして形成されたリチウム伝導層の厚みは、一般的に言って10μm以上100μm以下であることが好ましく、20μm以上50μm以下であることが更に好ましい。リチウム伝導層がこのように構成されていることで、該リチウム伝導層に隣接して存在している電解質が反応層側に向けて浸透しづらくなり、空気中の水も負極側へ浸透しづらくなる。その結果、電池の充放電のサイクル特性が向上する。   In the lithium conductive layer, it is preferable that the conductive material and the substance capable of intercalating lithium are mixed with the binder in the form of particles and are held and fixed by the binder. As the binder, those similar to those used in the reaction layer can be used. A lithium conductive layer is formed by mixing a conductive material and a lithium intercalable substance with a binder, rolling the resulting mixture into a film, and then heating the film. can do. In general, the thickness of the lithium conductive layer thus formed is preferably 10 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 50 μm or less. Since the lithium conductive layer is configured in this manner, the electrolyte present adjacent to the lithium conductive layer is difficult to permeate toward the reaction layer side, and water in the air is also difficult to permeate the negative electrode side. Become. As a result, the charge / discharge cycle characteristics of the battery are improved.

本発明のリチウム空気二次電池においては、負極と正極とは電解質によって隔てられているが、これに加えて両極間にセパレータを配置して両極を確実に隔てるようにしてもよい。セパレータとしては、例えばリチウムイオン二次電池のセパレータとして用いられている材料と同様のものを、特に制限なく用いることができる。例えばポリオレフィンからなる多孔質膜若しくは不織布、又はガラス繊維からなる。特にセパレータとして、イオン液体が塗布されたものを用いることが、リチウムイオン伝導性の一層の向上と電解質の枯渇抑制の点から好ましい。   In the lithium air secondary battery of the present invention, the negative electrode and the positive electrode are separated from each other by an electrolyte, but in addition to this, a separator may be disposed between both the electrodes so that the both electrodes are reliably separated. As the separator, for example, a material similar to the material used as a separator of a lithium ion secondary battery can be used without particular limitation. For example, it consists of a porous membrane or non-woven fabric made of polyolefin, or glass fiber. In particular, it is preferable to use a separator coated with an ionic liquid from the viewpoint of further improving lithium ion conductivity and suppressing electrolyte depletion.

本発明のリチウム空気二次電池は、ケースに収納されて用いられることが好ましい。ケースの形状としては、例えばコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。またケースは、大気開放型であってもよく、あるいは密閉型であってもよい。ケースが大気開放型である場合は、ケースの正極寄りの位置に空気の流入用の小孔を設けることができる。一方、ケースが密閉型である場合は、該ケースに空気の供給管及び排出管を設けることが好ましい。   The lithium-air secondary battery of the present invention is preferably used while being housed in a case. Examples of the shape of the case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. Further, the case may be an open air type or a sealed type. When the case is open to the atmosphere, a small hole for inflow of air can be provided at a position near the positive electrode of the case. On the other hand, when the case is a sealed type, it is preferable to provide an air supply pipe and a discharge pipe in the case.

本発明のリチウム空気二次電池は、その高電流密度、高容量及び高出力などの特徴を活かし、例えば車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途に好適に用いられる。   The lithium-air secondary battery of the present invention is suitably used for, for example, on-vehicle use, stationary power supply use, and household power supply use, taking advantage of its features such as high current density, high capacity, and high output.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。実施例及び比較例に記載の分量は、すべて評価セル一つあたりの分量である。また特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. The amounts described in the examples and comparative examples are all amounts per evaluation cell. Unless otherwise specified, “%” means “mass%”.

〔実施例1〕
(1)負極の準備
リチウム箔を、集電体としての銅箔と重ね合わせて負極とした。
(2)正極の準備
(2a)酸素拡散層の準備
炭素繊維からなる導電性且つ撥水性のカーボンシートを酸素拡散層として用いた。
(2b)反応層の形成
0.003gのケッチェンブラック((登録商標)、以下「KB」とも言う。)と、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを(2a)で準備したカーボンペーパーの一面に塗布し、第1反応層の塗膜を形成した。
次いで、0.003gのケッチェンブラック(登録商標)と、0.003gのRu担持α−MnO(Ru担持量5%)と、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを第1反応層の塗膜上に塗布し、第2反応層の塗膜を形成した。次いで80℃で8時間にわたり加熱を行い、反応層を形成した。
(2c)リチウム伝導層の形成
0.003gのケッチェンブラック(登録商標)と、0.0008gのLiCoO(以下「LCO」とも言う。)と、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを(2b)で準備した反応層上に塗布した。次いで80℃で8時間にわたり加熱を行い、リチウム伝導層を形成した。
(3)電解質の調製
リチウム塩としてLiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド)を用い、有機溶媒及び増粘剤と混合して電解質を作製した。
(4)リチウム空気二次電池の組み立て
(3)で得られた、電解質を塗布したセパレータの各面に正極及び負極を配置した。正極は、リチウム伝導層がセパレータに対向するように配置した。これらを容器内に封入してリチウム空気二次電池とした。容器における正極に対応する部位には空気孔を形成した。
[Example 1]
(1) Preparation of negative electrode Lithium foil was overlapped with copper foil as a current collector to form a negative electrode.
(2) Preparation of positive electrode (2a) Preparation of oxygen diffusion layer A conductive and water-repellent carbon sheet made of carbon fiber was used as the oxygen diffusion layer.
(2b) Formation of reaction layer 0.003 g of ketjen black ((registered trademark), hereinafter also referred to as “KB”) and 0.1 g of polyamic acid (solid content 20%) are kneaded and dispersed to obtain a paste. It was. This paste was applied to one surface of the carbon paper prepared in (2a) to form a coating film of the first reaction layer.
Next, 0.003 g of Ketjen Black (registered trademark), 0.003 g of Ru-supported α-MnO 2 (Ru support amount 5%), and 0.1 g of polyamic acid (solid content 20%) are kneaded and dispersed. A paste was obtained. This paste was applied onto the coating film of the first reaction layer to form a coating film of the second reaction layer. Subsequently, it heated at 80 degreeC for 8 hours, and formed the reaction layer.
(2c) Formation of Lithium Conductive Layer 0.003 g of Ketjen Black (registered trademark), 0.0008 g of LiCoO 2 (hereinafter also referred to as “LCO”), and 0.1 g of polyamic acid (solid content 20%) Were kneaded and dispersed to obtain a paste. This paste was applied on the reaction layer prepared in (2b). Next, heating was performed at 80 ° C. for 8 hours to form a lithium conductive layer.
(3) Preparation of electrolyte LiTFSI (lithium bistrifluoromethanesulfonimide) was used as a lithium salt and mixed with an organic solvent and a thickener to prepare an electrolyte.
(4) Assembly of lithium-air secondary battery A positive electrode and a negative electrode were disposed on each surface of the separator coated with the electrolyte obtained in (3). The positive electrode was disposed so that the lithium conductive layer was opposed to the separator. These were enclosed in a container to obtain a lithium air secondary battery. Air holes were formed in a portion of the container corresponding to the positive electrode.

〔実施例2〕
実施例1の(2c)の工程において、リチウム伝導層に含まれるケッチェンブラック(登録商標)の割合を、以下の表1に示すとおりに増加させた。それ以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
[Example 2]
In the step (2c) of Example 1, the ratio of ketjen black (registered trademark) contained in the lithium conductive layer was increased as shown in Table 1 below. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例3〕
実施例2において、第2反応層を形成せず、第1反応層のみを形成した。それ以外は実施例2と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 3
In Example 2, only the first reaction layer was formed without forming the second reaction layer. Other than that was carried out similarly to Example 2, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例4〕
実施例3において、リチウム伝導層にニッケルマンガンコバルト酸リチウム{Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O}(以下、「LSM111」とも言う。)を用いて正極を形成した。それ以外は実施例3と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 4
In Example 3, a positive electrode was formed using lithium manganese cobalt lithium {Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ) O 2 } (hereinafter also referred to as “LSM111”) for the lithium conductive layer. . Other than that was carried out similarly to Example 3, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例5〕
実施例3において、リチウム伝導層にLiMn(以下、「LMO」とも言う。)を用いて正極を形成した。それ以外は実施例3と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 5
In Example 3, a positive electrode was formed using LiMn 2 O 4 (hereinafter also referred to as “LMO”) for the lithium conductive layer. Other than that was carried out similarly to Example 3, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例6〕
実施例3において、リチウム伝導層にLiFePO(以下、「LFP」とも言う。)を用いて正極を形成した。それ以外は実施例3と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 6
In Example 3, a positive electrode was formed using LiFePO 4 (hereinafter also referred to as “LFP”) for the lithium conductive layer. Other than that was carried out similarly to Example 3, and obtained the lithium air secondary battery.

〔比較例1〕
本比較例は、実施例1の(2c)の工程を行わなかった例である。それ以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
[Comparative Example 1]
This comparative example is an example in which the step (2c) of Example 1 was not performed. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the lithium air secondary battery.

〔比較例2〕
本比較例は、実施例1において、第2反応層を形成せず、第1反応層のみを形成し、且つ実施例1の(2c)の工程を行わなかった例である。それ以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
[Comparative Example 2]
This comparative example is an example in which the second reaction layer was not formed in Example 1, only the first reaction layer was formed, and the step (2c) of Example 1 was not performed. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the lithium air secondary battery.

〔比較例3〕
本比較例は、実施例1の(2c)の工程において、リチウム伝導層にケッチェンブラック(登録商標)を配合しなかった例である。それ以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
[Comparative Example 3]
This comparative example is an example in which Ketjen Black (registered trademark) was not blended in the lithium conductive layer in the step (2c) of Example 1. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the lithium air secondary battery.

〔比較例4〕
本比較例は、実施例1の(2c)の工程において、リチウム伝導層に含まれるケッチェンブラック(登録商標)の割合を、以下の表1に示すとおりに大幅に増加させた例である。それ以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
[Comparative Example 4]
In this comparative example, in the step (2c) of Example 1, the ratio of Ketjen Black (registered trademark) contained in the lithium conductive layer was significantly increased as shown in Table 1 below. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the lithium air secondary battery.

〔評価〕
実施例及び比較例で得られたリチウム空気二次電池について、種々の電流密度で充放電したときの放電容量を測定した。その結果を以下の表1及び表2に示す。
[Evaluation]
About the lithium air secondary battery obtained by the Example and the comparative example, the discharge capacity when charging / discharging with various current densities was measured. The results are shown in Tables 1 and 2 below.

引き続き、前記の放電容量の測定において性能の良かった実施例1ないし3についてサイクル特性も評価した。その結果を以下の表3に示す。   Subsequently, the cycle characteristics of Examples 1 to 3, which had good performance in the measurement of the discharge capacity, were also evaluated. The results are shown in Table 3 below.

Figure 2017076612
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Figure 2017076612
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Figure 2017076612
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表1ないし表3に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られたリチウム空気二次電池は、各比較例のリチウム空気二次電池に比べ、低電流密度(例えば1.0mA/cm)及び高電流密度(例えば5.0mA/cm)で放電した場合のいずれであっても、高容量が維持されていることが判る。また、良好なサイクル特性を示すことが判る。特に表1に示す各実施例の結果の対比から明らかなとおり、リチウムのインターカレーションが可能な化合物として層状化合物をリチウム伝導層に含有させることで、低電流密度及び高電流密度で放電した場合のいずれであっても、高容量が一層維持されることが判る。 As is clear from the results shown in Tables 1 to 3, the lithium air secondary batteries obtained in each example had a lower current density (for example, 1.0 mA / cm 2) than the lithium air secondary batteries of the comparative examples. ) And a high current density (for example, 5.0 mA / cm 2 ), it can be seen that a high capacity is maintained. Moreover, it turns out that a favorable cycle characteristic is shown. In particular, as is clear from the comparison of the results of the examples shown in Table 1, when the lithium conductive layer contains a layered compound as a compound capable of lithium intercalation, the battery is discharged at a low current density and a high current density. It can be seen that the high capacity is further maintained in any case.

〔実施例7〕
(1)負極の準備
実施例1と同様とした。
(2)正極の準備
(2a)酸素拡散層の準備
実施例1と同様とした。
(2b)反応層の形成
0.02gのカーボンブラック(日本黒鉛工業株式会社製のMK−1000材料、以下「CB」とも言う。)と、0.08gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを(2a)で準備したカーボンペーパーの一面に塗布し、第1反応層の塗膜を形成した。
次いで、0.003gのケッチェンブラック(登録商標)と、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを第1反応層の塗膜上に塗布し、第2反応層の塗膜を形成した。次いで80℃で8時間にわたり加熱を行い、反応層を形成した。
(2c)リチウム伝導層の形成
0.002gのカーボンブラック(日本黒鉛工業株式会社製のMK−1000材料)と、0.0018gのLiCoOと、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを(2b)で準備した反応層上に塗布した。次いで80℃で8時間にわたり加熱を行い、リチウム伝導層を形成した。これら以外は実施例1と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 7
(1) Preparation of negative electrode Same as Example 1.
(2) Preparation of positive electrode (2a) Preparation of oxygen diffusion layer Same as Example 1.
(2b) Formation of reaction layer 0.02 g of carbon black (MK-1000 material manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., hereinafter also referred to as “CB”) and 0.08 g of polyamic acid (solid content 20%) The paste was obtained by kneading and dispersing. This paste was applied to one surface of the carbon paper prepared in (2a) to form a coating film of the first reaction layer.
Next, 0.003 g of ketjen black (registered trademark) and 0.1 g of polyamic acid (solid content 20%) were kneaded and dispersed to obtain a paste. This paste was applied onto the coating film of the first reaction layer to form a coating film of the second reaction layer. Subsequently, it heated at 80 degreeC for 8 hours, and formed the reaction layer.
(2c) Formation of lithium conductive layer 0.002 g of carbon black (MK-1000 material manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.), 0.0018 g of LiCoO 2 , 0.1 g of polyamic acid (solid content 20%) Were kneaded and dispersed to obtain a paste. This paste was applied on the reaction layer prepared in (2b). Next, heating was performed at 80 ° C. for 8 hours to form a lithium conductive layer. A lithium air secondary battery was obtained in the same manner as Example 1 except for these.

〔実施例8〕
実施例7の「(2b)反応層の形成」において、0.003gのケッチェンブラック(登録商標)と、0.00015gのAu担持α−MnO(Au担持量5%)と、0.1gのポリアミック酸(固形分20%)とを混練分散しペーストを得た。このペーストを第1反応層の塗膜上に塗布し、第2反応層の塗膜を形成した。この操作以外は実施例7と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 8
In “(2b) Formation of reaction layer” in Example 7, 0.003 g of ketjen black (registered trademark), 0.00015 g of Au-supported α-MnO 2 (Au support amount 5%), 0.1 g A polyamic acid (solid content 20%) was kneaded and dispersed to obtain a paste. This paste was applied onto the coating film of the first reaction layer to form a coating film of the second reaction layer. A lithium air secondary battery was obtained in the same manner as in Example 7 except for this operation.

〔実施例9〕
実施例8で用いたAu担持α−MnO(Au担持量5%)に代えてRu担持α−MnO(Ru担持量5%)を用いた。これ以外は実施例8と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 9
Instead of Au-supported α-MnO 2 (Au supported amount 5%) used in Example 8, Ru-supported α-MnO 2 (Ru supported amount 5%) was used. Except this, it carried out similarly to Example 8, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例10〕
実施例8で用いたAu担持α−MnO(Au担持量5%)に代えてAg担持α−MnO(Ag担持量5%)を用いた。これ以外は実施例8と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 10
Instead of Au-supported α-MnO 2 (Au supported amount 5%) used in Example 8, Ag-supported α-MnO 2 (Ag supported amount 5%) was used. Except this, it carried out similarly to Example 8, and obtained the lithium air secondary battery.

〔実施例11〕
実施例8で用いたAu担持α−MnO(Au担持量5%)に代えてPt担持α−MnO(Pt担持量5%)を用いた。これ以外は実施例8と同様にしてリチウム空気二次電池を得た。
Example 11
Instead of Au-supported α-MnO 2 (Au supported amount 5%) used in Example 8, Pt-supported α-MnO 2 (Pt supported amount 5%) was used. Except this, it carried out similarly to Example 8, and obtained the lithium air secondary battery.

〔評価〕
実施例及び比較例で得られたリチウム空気二次電池について、以下の表4に示す電流密度で充放電したときの放電容量を測定した。その結果を同表に示す。
[Evaluation]
About the lithium air secondary battery obtained by the Example and the comparative example, the discharge capacity when charging / discharging with the current density shown in the following Table 4 was measured. The results are shown in the same table.

Figure 2017076612
Figure 2017076612

表4に示す結果と、先の表1に示す結果との対比から明らかなとおり、リチウム伝導層及び第1反応層において、ケッチェンブラック(登録商標)に代えてカーボンブラックを用いた場合であっても、リチウム空気二次電池は高い放電容量を示すことが判る。特に、実施例7と実施例8ないし11との対比から明らかなとおり、第2反応層に触媒を含有させると放電容量が一層高くなることが判る。とりわけ、第2反応層に用いられる触媒として白金を用いると、放電容量が極めて高くなることが判る。   As is clear from the comparison between the results shown in Table 4 and the results shown in Table 1 above, carbon black was used instead of Ketjen Black (registered trademark) in the lithium conductive layer and the first reaction layer. However, it can be seen that the lithium-air secondary battery exhibits a high discharge capacity. In particular, as is clear from the comparison between Example 7 and Examples 8 to 11, it can be seen that the discharge capacity is further increased when a catalyst is contained in the second reaction layer. In particular, it can be seen that when platinum is used as the catalyst used in the second reaction layer, the discharge capacity becomes extremely high.

Claims (7)

正極及び負極を有するリチウム空気二次電池であって、
前記正極が、リチウム伝導層、反応層及び酸素拡散層を有し、
前記リチウム伝導層が、前記負極と前記酸素拡散層の間に位置するとともに、該リチウム伝導層の質量に基づき導電材を3質量%以上40質量%以下含むリチウム空気二次電池。
A lithium-air secondary battery having a positive electrode and a negative electrode,
The positive electrode has a lithium conductive layer, a reaction layer and an oxygen diffusion layer;
The lithium air secondary battery in which the lithium conductive layer is located between the negative electrode and the oxygen diffusion layer, and contains 3% by mass to 40% by mass of a conductive material based on the mass of the lithium conductive layer.
前記リチウム伝導層が、リチウムのインターカレーションが可能な化合物を含む請求項1に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the lithium conductive layer contains a compound capable of intercalating lithium. 前記導電材が、炭素質物質を含む請求項1又は2に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to claim 1, wherein the conductive material includes a carbonaceous material. 前記反応層が、前記リチウム伝導層と前記酸素拡散層との間に位置するとともに、炭素質物質又は金属酸化物を含む請求項1ないし3のいずれか一項に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction layer is located between the lithium conductive layer and the oxygen diffusion layer and includes a carbonaceous material or a metal oxide. 前記反応層が、酸素還元反応及び/又は酸素発生反応を促進する触媒を含む請求項1ないし4のいずれか一項に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the reaction layer includes a catalyst that promotes an oxygen reduction reaction and / or an oxygen generation reaction. 前記正極と前記負極との間にセパレータを有し、該セパレータはイオン液体が塗布されたものである請求項1ないし5のいずれか一項に記載のリチウム空気二次電池。   The lithium air secondary battery according to any one of claims 1 to 5, further comprising a separator between the positive electrode and the negative electrode, wherein the separator is coated with an ionic liquid. リチウム伝導層、反応層及び酸素拡散層を有するリチウム空気二次電池用の正極であって、
前記正極が電池に組み込まれたときに、前記リチウム伝導層が、負極と前記酸素拡散層の間に位置するように配されており、
前記リチウム伝導層は、該リチウム伝導層の質量に基づき導電材を3質量%以上40質量%以下含むリチウム空気二次電池用の正極。
A positive electrode for a lithium air secondary battery having a lithium conductive layer, a reaction layer, and an oxygen diffusion layer,
When the positive electrode is incorporated in a battery, the lithium conductive layer is disposed so as to be located between the negative electrode and the oxygen diffusion layer,
The lithium conductive layer is a positive electrode for a lithium air secondary battery containing 3% by mass to 40% by mass of a conductive material based on the mass of the lithium conductive layer.
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