JP2017091601A - Lithium air secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium air secondary battery capable of enhancing the charge/discharge cycle performance and energy efficiency thereof while increasing the discharge capacity.SOLUTION: A gas diffusion type air electrode 101 as the cathode is constituted of: a carrier made of a porous body 111; and a carbon co-continuous porous body 112 of a carbon of the three-dimensional network structure which is continuously carried over the entire area of the carrier 111. The carbon co-continuous porous body 112 has an integral structure. The lithium air secondary battery includes a catalyst 113 carried by the air electrode 101. The catalyst 113 is adhered on the surfaces of the carrier 111 and a carbon co-continuous porous body 112.SELECTED DRAWING: Figure 1B

Description

本発明は、正極活性物質として酸素を用いるリチウム空気二次電池およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium-air secondary battery using oxygen as a positive electrode active material and a method for manufacturing the same.

正極活物質として空気中の酸素を用いるリチウム空気二次電池は、電池外部から常に酸素が供給され、電池内に大量の負極活物質である金属リチウムを充填することができる。このため、電池の単位重量当たりの放電容量の値を非常に大きくできることが報告されている。   A lithium-air secondary battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material is always supplied with oxygen from the outside of the battery, and a large amount of metallic lithium, which is a negative electrode active material, can be filled in the battery. For this reason, it has been reported that the value of the discharge capacity per unit weight of the battery can be greatly increased.

これまでに、非特許文献1に報告されているように、正極であるガス拡散型空気極に種々の触媒を添加することにより、放電容量やサイクル特性などの電池性能を改善する試みがなされている。   Up to now, as reported in Non-Patent Document 1, attempts have been made to improve battery performance such as discharge capacity and cycle characteristics by adding various catalysts to the gas diffusion air electrode as the positive electrode. Yes.

非特許文献1では、カーボン粉末を主体として構成した空気極について、触媒を担持していないカーボン単体、およびカーボン単体に9種類の触媒を担持させた系を検討し、空気極に含まれるカーボンの重量当たりで1000〜3000mAh/gの非常に大きな放電容量を得ている。   In Non-Patent Document 1, as for an air electrode composed mainly of carbon powder, a carbon simple substance not supporting a catalyst and a system in which nine types of catalysts are supported on a carbon simple substance are studied, and the carbon contained in the air electrode is examined. A very large discharge capacity of 1000 to 3000 mAh / g is obtained per weight.

しかしながら、空気極に粉末の原料を使用したリチウム空気二次電池では、充放電を繰り返すと、著しい放電容量の低下が起こることが判明した。これは、内部の導電パスが切断される部分が多数発生して空気極の内部抵抗が上昇するためと考えられる。例えば、カーボン粉末単体を主体として空気極を構成した場合、充放電2サイクルで容量維持率が約10%となり、著しい容量の減少が見られる。また、例えば、Co34を触媒としてカーボン単体に担持させて空気極を構成した場合でも、10サイクルで容量維持率が約65%となり、放電容量が減少する。 However, it has been found that in a lithium-air secondary battery using a powder raw material for the air electrode, a significant decrease in discharge capacity occurs when charging and discharging are repeated. This is presumably because the internal resistance of the air electrode increases due to the occurrence of many portions where the internal conductive paths are cut. For example, when the air electrode is composed mainly of a single carbon powder, the capacity retention rate is about 10% in two charge / discharge cycles, and a significant decrease in capacity is observed. For example, even when Co 3 O 4 is supported on a single carbon as a catalyst to form an air electrode, the capacity retention rate becomes about 65% in 10 cycles and the discharge capacity decreases.

上述したように、空気極に粉末の原料を使用したリチウム空気二次電池では、著しい容量の減少が見られ、二次電池としての十分な特性は得られていない。また、非特許文献1の技術おけるリチウム空気二次電池では、多くの場合で平均放電電圧が2.5V程度であり、一方、充電電圧は4.0〜4.5Vであり、最も低いものでも3.9V程度である。このため、非特許文献1のリチウム空気二次電池は、充放電のエネルギー効率は低い。   As described above, in a lithium air secondary battery using a powder raw material for the air electrode, a significant reduction in capacity is observed, and sufficient characteristics as a secondary battery are not obtained. Moreover, in the lithium air secondary battery in the technology of Non-Patent Document 1, in many cases, the average discharge voltage is about 2.5 V, while the charging voltage is 4.0 to 4.5 V, even the lowest one. It is about 3.9V. For this reason, the lithium-air secondary battery of Non-Patent Document 1 has low charge / discharge energy efficiency.

上述した技術に対し、空気極の原料としてカーボンなどの粉末を用いず、金属多孔体を用いて空気極を構成する技術が提案されている(非特許文献2参照)。この技術によるリチウム空気二次電池では、金(Au)による金属多孔体を用いて空気極を構成し、充放電100サイクルで容量維持率が95%以上である非常に優れたサイクル性能を得ている。また、このリチウム空気二次電池の平均放電電圧は2.6V程度であり、充電電圧は3.5V程度である。このように、非特許文献2の技術では、充放電に関しても電圧差が小さく高いエネルギー効率が得られている。   In contrast to the above-described technique, a technique has been proposed in which an air electrode is configured using a porous metal body without using a powder such as carbon as a raw material for the air electrode (see Non-Patent Document 2). In the lithium-air secondary battery according to this technology, an air electrode is formed by using a metal porous body made of gold (Au), and a very excellent cycle performance with a capacity retention rate of 95% or more after 100 cycles of charge and discharge is obtained. Yes. Moreover, the average discharge voltage of this lithium air secondary battery is about 2.6V, and a charging voltage is about 3.5V. As described above, in the technique of Non-Patent Document 2, a high energy efficiency is obtained with a small voltage difference with respect to charging and discharging.

A. Debart et al., "An O2 cathode for rechargeable lithium batteries: The effect of a catalyst", Journal of Power Sources, vol.174, pp.1177-1182, 2007.A. Debart et al., "An O2 cathode for rechargeable lithium batteries: The effect of a catalyst", Journal of Power Sources, vol.174, pp.1177-1182, 2007. Z. Peng et al., "A Reversible and Higher-Rate Li-O2 Battery", Science, vol.337, pp.563-566, 2012.Z. Peng et al., "A Reversible and Higher-Rate Li-O2 Battery", Science, vol.337, pp.563-566, 2012.

しかしながら、非特許文献2の技術では、空気極に金属を使用しているため、空気極の重量密度が高く、放電容量が300mAh/g程度しかない。また、高価なAuを空気極に用いているため、電池コストが高いことも課題となる。このように、従来では、リチウム空気二次電池の充放電サイクル性能およびエネルギー効率を高くすると共に放電容量を高くすることが容易ではないという問題があった。   However, in the technique of Non-Patent Document 2, since a metal is used for the air electrode, the weight density of the air electrode is high and the discharge capacity is only about 300 mAh / g. Further, since expensive Au is used for the air electrode, the battery cost is also a problem. Thus, conventionally, there has been a problem that it is not easy to increase the discharge capacity while increasing the charge / discharge cycle performance and energy efficiency of the lithium-air secondary battery.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、リチウム空気二次電池の充放電サイクル性能およびエネルギー効率を高くすると共に放電容量を高くすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the charge / discharge cycle performance and energy efficiency of a lithium-air secondary battery and to increase the discharge capacity.

本発明に係るリチウム空気二次電池は、多孔体からなる担体および担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボンから構成されたカーボン共連続多孔体からなる空気極と、リチウムを含んで構成された負極と、空気極と負極とに挾まれて配置された電解質とを備える。   A lithium-air secondary battery according to the present invention includes a carrier composed of a porous body, an air electrode composed of a carbon co-continuous porous body composed of carbon having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the support, and lithium. And an electrolyte disposed between the air electrode and the negative electrode.

上記リチウム空気二次電池において、空気極に担持された触媒を備えるようにしてもよい。触媒は、チタン酸化物、バナジウム酸化物、クロム酸化物、マンガン酸化物、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、銅酸化物、亜鉛酸化物、モリブデン酸化物、銀酸化物、カドミウム酸化物、パラジウム酸化物、鉛酸化物、ルテニウム酸化物、ロジウム酸化物、プラセオジム酸化物、セリウム酸化物、ニオブ酸化物、イットリウム酸化物、タンタル酸化物、および錫酸化物の少なくとも1つの金属酸化物から構成されていればよい。また、金属酸化物は、水分子を含む水和物であってもよい。   The lithium air secondary battery may include a catalyst carried on the air electrode. Catalyst is titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, zinc oxide, molybdenum oxide, silver oxide, cadmium oxide Made of at least one metal oxide of palladium oxide, lead oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, praseodymium oxide, cerium oxide, niobium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide, and tin oxide It only has to be done. Further, the metal oxide may be a hydrate containing water molecules.

上記リチウム空気二次電池において、空気極に担持された触媒を備えるようにしてもよい。触媒は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つの金属から構成されていればよい。   The lithium air secondary battery may include a catalyst carried on the air electrode. The catalyst is at least one of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. It may be composed of two metals.

また、本発明に係るリチウム空気二次電池の製造方法は、ポリアクリロニトリルをポリアクリロニトリルに対する良溶媒に溶解して高分子量体溶液を得る第1工程と、多孔体からなる担体に高分子量体溶液を塗布する第2工程と、高分子量体溶液を塗布した担体をポリアクリロニトリルに対する貧溶剤に晒すことで、担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造の高分子共連続多孔体を析出させる第3工程と、担体に担持された高分子共連続多孔体を熱処理して三次元網目構造のカーボン共連続多孔体とすることで、担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボン共連続多孔体からなる空気極を作製する第4工程と、空気極と、リチウムを含んで構成された負極と、空気極と負極とに挾まれて配置された電解質とから構成されたリチウム空気二次電池を作製する第5工程とを備える。   The method for producing a lithium-air secondary battery according to the present invention includes a first step of obtaining a high molecular weight solution by dissolving polyacrylonitrile in a good solvent for polyacrylonitrile, and a high molecular weight solution on a porous carrier. A second step of coating, and a carrier coated with a high molecular weight solution is exposed to a poor solvent for polyacrylonitrile, thereby precipitating a polymer co-continuous porous body having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire region of the carrier. 3 steps and heat treatment of the polymer co-continuous porous material supported on the carrier to form a carbon co-continuous porous material having a three-dimensional network structure, so that the three-dimensional network carbon co-supported continuously supported over the entire area of the carrier. 4th process which produces the air electrode which consists of a continuous porous body, the air electrode, the negative electrode comprised including lithium, and the electrolyte arrange | positioned between the air electrode and the negative electrode And a fifth step of making a by lithium air secondary battery composed.

上記リチウム空気二次電池の製造方法において、第4工程は、カーボン共連続多孔体が担持された担体を界面活性剤の水溶液に浸漬してカーボン共連続多孔体および担体の表面に界面活性剤を付着させる第6工程と、金属塩の水溶液を用いて界面活性剤が付着したカーボン共連続多孔体および担体の表面に界面活性剤により金属塩を付着させる第7工程と、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体および担体に対する熱処理により、金属塩を構成する金属または金属の酸化物からなる触媒をカーボン共連続多孔体および担体に担持させる第8工程とを備えるようにしてもよい。   In the method for producing a lithium-air secondary battery, the fourth step is to immerse the support on which the carbon co-continuous porous body is supported in an aqueous solution of a surfactant to place the surfactant on the surface of the carbon co-continuous porous body and the support. A sixth step of attaching, a seventh step of attaching a metal salt by a surfactant to the surface of the carbon co-continuous porous material and the carrier to which the surfactant is attached using an aqueous solution of the metal salt, and a carbon to which the metal salt is attached You may make it provide the 8th process of carrying | supporting the catalyst which consists of the metal or metal oxide which comprises a metal salt on a carbon co-continuous porous body and a support | carrier by heat processing with respect to a co-continuous porous body and a support | carrier.

上記リチウム空気二次電池の製造方法において、第4工程は、カーボン共連続多孔体および担体を金属塩の水溶液に浸漬してカーボン共連続多孔体および担体の表面に金属塩を付着させる第6工程と、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体および担体に対する熱処理により、金属塩を構成する金属からなる触媒をカーボン共連続多孔体および担体に担持させる第7工程と、触媒が担持されたカーボン共連続多孔体および担体を高温高圧の水に作用させることで触媒を金属酸化物の水和物とする第8工程とを備えるようにしてもよい。   In the method for producing a lithium-air secondary battery, the fourth step is a sixth step in which the metal co-continuous porous body and the carrier are immersed in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body and the carrier. And a seventh step of supporting the catalyst comprising the metal constituting the metal salt on the carbon co-continuous porous material and the carrier by heat treatment on the carbon co-continuous porous material and the carrier on which the metal salt is adhered, and the carbon co-supporting carbon on which the catalyst is supported. You may make it provide the 8th process which makes a catalyst a metal oxide hydrate by making a continuous porous body and a support | carrier act on high temperature / high pressure water.

上記リチウム空気二次電池の製造方法において、第4工程は、カーボン共連続多孔体および担体を金属塩の水溶液に浸漬してカーボン共連続多孔体および担体の表面に金属塩を付着させる第6工程と、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体および担体を高温高圧の水に作用させることで、金属塩を構成する金属による金属酸化物の水和物からなる触媒をカーボン共連続多孔体および担体に担持させる第7工程とを備えるようにしてもよい。   In the method for producing a lithium-air secondary battery, the fourth step is a sixth step in which the metal co-continuous porous body and the carrier are immersed in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body and the carrier. And a catalyst comprising a metal oxide hydrate of a metal constituting the metal salt by allowing the carbon co-continuous porous body and the carrier to which the metal salt is adhered to to act on high-temperature and high-pressure water. You may make it provide the 7th process made to carry.

製造方法のいずれにおいても、金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つとすればよい。   In any of the production methods, the metal is titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, At least one of tantalum and tin may be used.

以上説明したように、本発明によれば、多孔体からなる担体および担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボン共連続多孔体から空気極を構成したので、リチウム空気二次電池の充放電サイクル性能およびエネルギー効率を高くすると共に放電容量を高くすることができるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the air electrode is composed of a porous carrier and a carbon co-continuous porous body having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the carrier. As a result, the charge / discharge cycle performance and energy efficiency can be increased, and the discharge capacity can be increased.

図1Aは、本発明の実施の形態におけるリチウム空気二次電池の構成を示す構成図である。FIG. 1A is a configuration diagram showing a configuration of a lithium-air secondary battery in an embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態におけるリチウム空気二次電池の一部構成を示す構成図である。FIG. 1B is a configuration diagram showing a partial configuration of the lithium-air secondary battery according to the embodiment of the present invention. 図2は、リチウム空気二次電池のより詳細な構成例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration example of the lithium air secondary battery. 図3は、実施例1におけるリチウム空気二次電池の初回の放電(実線)および充電(破線)の状態を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing states of initial discharge (solid line) and charge (broken line) of the lithium-air secondary battery in Example 1. 図4は、実施例1〜5,比較例1,2における放電容量のサイクル依存性を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the cycle dependency of the discharge capacity in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1A,図1Bは、本発明の実施の形態におけるリチウム空気二次電池の構成を示す構成図である。図1Bは、図1Aの空気極101の一部を拡大して示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are configuration diagrams showing a configuration of a lithium air secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B shows an enlarged part of the air electrode 101 of FIG. 1A.

このリチウム空気二次電池は、一般的なよく知られたリチウム空気二次電池と同様に、正極でありガス拡散型の空気極101と、リチウムを含んで構成された負極102と、空気極101と負極102とに挾まれて配置された電解質103とを備える。空気極101の一方の面は大気に曝され、他方の面は電解質103と接する。また、負極102の電解質103の側の面は、電解質103と接する。なお、電解質103は、電解液または固体電解質のいずれであってもよい。電解液とは、電解質が液体形態である場合をいう。また、固体電解質とは、電解質がゲル形態または固体形態である場合をいう。   This lithium-air secondary battery is a positive electrode gas diffusion type air electrode 101, a negative electrode 102 containing lithium, and an air electrode 101, similarly to a general well-known lithium-air secondary battery. And an electrolyte 103 disposed between the anode 102 and the anode 102. One surface of the air electrode 101 is exposed to the atmosphere, and the other surface is in contact with the electrolyte 103. Further, the surface of the negative electrode 102 on the side of the electrolyte 103 is in contact with the electrolyte 103. The electrolyte 103 may be either an electrolytic solution or a solid electrolyte. The electrolytic solution refers to a case where the electrolyte is in a liquid form. Moreover, a solid electrolyte means the case where electrolyte is a gel form or a solid form.

上述した基本構成に加え、本発明の実施の形態では、図1Bに示すように、空気極101が、多孔体からなる担体111および担体111の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボンによるカーボン共連続多孔体112から構成されている。カーボン共連続多孔体112は、一体構造とされている。また、図1Bに示す例では、空気極101に担持された触媒113を備えている。触媒113は、担体111およびカーボン共連続多孔体112の表面に付着している。   In addition to the basic configuration described above, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1B, the air electrode 101 is a porous carrier 111 and a carbon having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire region of the carrier 111. It is comprised from the carbon co-continuous porous body 112 by. The carbon co-continuous porous body 112 has an integral structure. In the example shown in FIG. 1B, a catalyst 113 supported on the air electrode 101 is provided. The catalyst 113 is attached to the surfaces of the carrier 111 and the carbon co-continuous porous body 112.

空気極101においては、電解液/電極(カーボン)/空気(酸素)の三相部分(三相界面サイト)で電極反応が進行する。電池の効率を上げるためには、電極反応を引き起こす三相界面サイトがより多く存在することが望ましい。このような観点から、カーボン共連続多孔体112の比表面積はなるべく大きい方がよいと考えられる。   In the air electrode 101, an electrode reaction proceeds in a three-phase portion (three-phase interface site) of electrolyte / electrode (carbon) / air (oxygen). In order to increase the efficiency of the battery, it is desirable that there are more three-phase interface sites that cause an electrode reaction. From such a viewpoint, it is considered that the specific surface area of the carbon co-continuous porous body 112 should be as large as possible.

カーボン共連続多孔体112は、カーボン粉末の焼結といった公知のプロセスで調製できるが、上述した通り、リチウム空気二次電池では、空気極101の三相界面サイトを多量に電極表面に生成することが重要であり、使用する空気極101を構成するカーボン共連続多孔体112は、高比表面積であることが望ましい。例えば、カーボン共連続多孔体112の比表面積は、30m2/g以上が好ましく、100m2/g以上であることがより好ましい。 The carbon co-continuous porous body 112 can be prepared by a known process such as sintering of carbon powder. However, as described above, the lithium-air secondary battery generates a large amount of the three-phase interface sites of the air electrode 101 on the electrode surface. The carbon co-continuous porous body 112 constituting the air electrode 101 to be used preferably has a high specific surface area. For example, the specific surface area of the carbon co-continuous porous body 112 is preferably 30 m 2 / g or more, and more preferably 100 m 2 / g or more.

カーボン共連続多孔体112を焼結法で調製(作製)する場合、カーボンの焼結温度は1600℃程度と高温であり、この方法ではカーボン粉末同士の粒成長が急速に進むため、高比表面積のカーボン共連続多孔体112の作製は困難である。   When the carbon co-continuous porous body 112 is prepared (manufactured) by the sintering method, the sintering temperature of carbon is as high as about 1600 ° C., and in this method, the grain growth between the carbon powders proceeds rapidly. The carbon co-continuous porous body 112 is difficult to produce.

これに対し、まず高分子共連続多孔体が担持された担体111を予め調製し、これを不活性雰囲気で熱処理することで得られるカーボン共連続多孔体112が担持された担体111は、高比表面積のカーボン共連続多孔体112が得られるようになる。例えば、ポリアクリロニトリルから、後述する製造方法によりカーボン共連続多孔体112を作製することができる。   On the other hand, first, a carrier 111 carrying a polymer co-continuous porous body is prepared in advance, and the carrier 111 carrying a carbon co-continuous porous body 112 obtained by heat treatment in an inert atmosphere has a high ratio. A carbon co-continuous porous body 112 having a surface area can be obtained. For example, the carbon co-continuous porous body 112 can be produced from polyacrylonitrile by the production method described later.

担体111は、例えば、平均孔径が0.1〜3μmであることが好ましく、0.1〜2μmであることが更に好ましい。ここで、平均孔径は、水銀圧入法により求めた値である。   For example, the carrier 111 preferably has an average pore diameter of 0.1 to 3 μm, and more preferably 0.1 to 2 μm. Here, the average pore diameter is a value obtained by a mercury intrusion method.

空気極101には、カーボン粉末を用いた場合のようなバインダーなどの追加の材料を用いる必要がなく、コスト的に有利である。   The air electrode 101 does not need to use an additional material such as a binder as in the case of using carbon powder, and is advantageous in terms of cost.

本発明のリチウム空気二次電池は、空気極101に、酸素還元(放電)および酸素発生(充電)の両反応に対して高活性な遷移金属触媒または遷移金属酸化物触媒を触媒113として加えることで、更に高性能な二次電池として機能させることができる。   In the lithium-air secondary battery of the present invention, a transition metal catalyst or transition metal oxide catalyst having high activity for both oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) reactions is added to the air electrode 101 as the catalyst 113. Thus, it can function as a secondary battery with higher performance.

遷移金属または遷移金属酸化物は、触媒113として用いることができ、カーボン共連続多孔体112に付着させることができるものであれば特に限定されない。   The transition metal or transition metal oxide is not particularly limited as long as it can be used as the catalyst 113 and can be attached to the carbon co-continuous porous body 112.

例えば、触媒113は、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、プラセオジム(Pr)、セリウム(Ce)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、タンタル(Ta)、および、錫(Sn)の少なくとも1つの金属から構成することができる。特に、Ruが好ましい。   For example, the catalyst 113 is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn). , Molybdenum (Mo), silver (Ag), cadmium (Cd), palladium (Pd), lead (Pb), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), praseodymium (Pr), cerium (Ce), niobium (Nb) , Yttrium (Y), tantalum (Ta), and tin (Sn). In particular, Ru is preferable.

また例えば、触媒113は、上述した金属の酸化物から構成してもよい。特に、酸化ルテニウム(RuO2)が好適である。RuO2は、特に優れた触媒性能を示すので好ましい。 For example, the catalyst 113 may be composed of the above-described metal oxide. In particular, ruthenium oxide (RuO 2 ) is suitable. RuO 2 is preferable because it shows particularly excellent catalytic performance.

触媒113とする金属酸化物は、水和物としたアモルファス状のものであることも好ましい。例えば、上述した遷移金属酸化物の水和物であればよい。より具体的には、酸化ルテニウム(IV)水和物[RuO2・nH2O]であればよい。なお、nは、1molのRuO2に対するH2Oのモル数である。 The metal oxide used as the catalyst 113 is also preferably an amorphous hydrate. For example, the transition metal oxide hydrate described above may be used. More specifically, it may be ruthenium (IV) oxide hydrate [RuO 2 · nH 2 O]. Note that n is the number of moles of H 2 O with respect to 1 mol of RuO 2 .

例えば、空気極101のカーボン共連続多孔体112上に、酸化ルテニウム水和物(RuO2・nH2O)をナノサイズの微粒子として高分散で付着させた(添加した)ものを空気極101として使用することで、優れた電池性能を示すことが可能となる。空気極101に含まれる触媒113の含有量は、空気極101の総重量に基づいて、0.1〜70重量%、好ましくは1〜30重量%である。 For example, the air electrode 101 is obtained by attaching (adding) ruthenium oxide hydrate (RuO 2 .nH 2 O) as nano-sized fine particles on the carbon co-continuous porous body 112 of the air electrode 101 with high dispersion. By using it, it becomes possible to show the outstanding battery performance. The content of the catalyst 113 contained in the air electrode 101 is 0.1 to 70% by weight, preferably 1 to 30% by weight, based on the total weight of the air electrode 101.

空気極101に、遷移金属酸化物を触媒113として添加することによって、電池性能は大きく向上する。空気極101中に電解質103の電解液が浸透し、同時に大気中の酸素ガスが供給され、上述したような電解液−電極−ガス(酸素)の三相界面が形成される。この三相界面サイトにおいて、触媒113が高活性であれば、電極表面における酸素還元(放電)および酸素発生(充電)がスムーズに進行し、電池性能は大きく向上することになる。   By adding a transition metal oxide as the catalyst 113 to the air electrode 101, battery performance is greatly improved. The electrolyte solution of the electrolyte 103 penetrates into the air electrode 101, and oxygen gas in the atmosphere is supplied at the same time, and the above-described three-phase interface of electrolyte solution-electrode-gas (oxygen) is formed. If the catalyst 113 is highly active at this three-phase interface site, oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) on the electrode surface proceed smoothly, and battery performance is greatly improved.

空気極101上での電極反応は次のように表すことができる。   The electrode reaction on the air electrode 101 can be expressed as follows.

2Li++(1/2)O2+2e- → Li2O・・・(1)
2Li++O2+2e- → Li22・・・(2)
2Li + + (1/2) O 2 + 2e → Li 2 O (1)
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (2)

上式中のリチウムイオン(Li+)は、負極102から電気化学的酸化により電解質103中に溶解し、この有機電解液中を空気極101表面まで移動してきたものである。また、酸素(O2)は、大気(空気)中から空気極101内部に取り込まれたものである。なお、負極102から溶解する材料(Li+)、空気極101で析出する材料(Li22)、および空気(O2)を図1の構成要素と共に示している。 Lithium ions (Li + ) in the above formula are dissolved in the electrolyte 103 by electrochemical oxidation from the negative electrode 102 and have moved through the organic electrolyte to the surface of the air electrode 101. Oxygen (O 2 ) is taken into the air electrode 101 from the atmosphere (air). Note that the material (Li + ) dissolved from the negative electrode 102, the material (Li 2 O 2 ) deposited at the air electrode 101, and air (O 2 ) are shown together with the components shown in FIG.

空気極101の触媒113として用いることができる金属酸化物は、種々の酸化状態をとることができる。例えば、酸化ルテニウム(RuO2)などは、ルテニウムが、+4、+3などの価数を有するイオンで存在しうる。また、これらの酸化物を合成する際の条件によっては、酸化ルテニウム等の酸化物内に酸素を取り込むことができる空孔(本明細書では酸素空孔とも称する)が存在する場合もある。 The metal oxide that can be used as the catalyst 113 of the air electrode 101 can take various oxidation states. For example, ruthenium oxide (RuO 2 ) or the like can be present in an ion in which ruthenium has a valence of +4, +3, or the like. Further, depending on conditions in the synthesis of these oxides, there may be a vacancy (also referred to as an oxygen vacancy in this specification) that can incorporate oxygen into an oxide such as ruthenium oxide.

このような触媒113は、正極活物質である酸素との相互作用が強いので、多くの酸素種を自身の表面に吸着でき、または酸素空孔内に酸素種を吸蔵することができる。   Since such a catalyst 113 has a strong interaction with oxygen as the positive electrode active material, it can adsorb many oxygen species on its surface or occlude oxygen species in oxygen vacancies.

このように、触媒113を構成する金属酸化物表面上に吸着された、または酸素空孔内に吸蔵された酸素種は、上記式(1)および式(2)の酸素源(活性な中間反応体)として酸素還元反応に使用され、上記反応が容易に進むようになる。また、式(1)および式(2)の逆反応である充電反応に対しても、上記の金属酸化物は活性を有している。従って、電池の充電に対応する空気極101上での酸素発生反応も効率よく進行する。このように、酸化ルテニウムなどの金属酸化物は、触媒113として有効に機能する。このような金属酸化物の他、金属自体を触媒113とすることもでき、金属も上記金属酸化物と同様に機能する。   As described above, the oxygen species adsorbed on the surface of the metal oxide constituting the catalyst 113 or occluded in the oxygen vacancy is an oxygen source (active intermediate reaction) of the above formulas (1) and (2). Used in the oxygen reduction reaction, and the above reaction proceeds easily. Moreover, said metal oxide has activity also with respect to the charging reaction which is a reverse reaction of Formula (1) and Formula (2). Therefore, the oxygen generation reaction on the air electrode 101 corresponding to the charging of the battery also proceeds efficiently. Thus, a metal oxide such as ruthenium oxide functions effectively as the catalyst 113. In addition to such a metal oxide, the metal itself can be used as the catalyst 113, and the metal functions in the same manner as the metal oxide.

リチウム空気二次電池では、上述した通り、電池の効率を上げるために、電極反応を引き起こす反応部位(上記の電解液/電極/空気(酸素)の三相部分)がより多く存在することが望ましい。このような観点から、上述の三相部位が触媒113の表面にも多量に存在することが重要であり、触媒113は比表面積が高い方が好ましい。金属または金属酸化物による触媒113の比表面積は、0.1〜1000m2/g、好ましくは1〜500m2/gであればよい。なお、比表面積は、公知のN2吸着によるBET法により求めた比表面積である。 In the lithium air secondary battery, as described above, in order to increase the efficiency of the battery, it is desirable that there are more reaction sites (the above-described three-phase portion of electrolyte / electrode / air (oxygen)) that cause an electrode reaction. . From such a viewpoint, it is important that the above-mentioned three-phase sites are also present in a large amount on the surface of the catalyst 113, and the catalyst 113 preferably has a high specific surface area. The specific surface area of the catalyst 113 with a metal or metal oxide, 0.1~1000m 2 / g, preferably may be a 1 to 500 2 / g. The specific surface area is the specific surface area determined by the BET method by known N 2 adsorption.

触媒113を添加した空気極101は、後述するリチウム空気二次電池の空気極101の製造方法により製造することができる。   The air electrode 101 to which the catalyst 113 is added can be manufactured by a method for manufacturing the air electrode 101 of the lithium air secondary battery described later.

次に、負極102について説明する。負極102は負極活性物質から構成する。この負極活性物質は、リチウム空気二次電池の負極材料として用いることができる材料であれば特に制限されない。例えば、金属リチウムを挙げることができる。あるいは、リチウムイオンを吸蔵および放出することができる物質である、リチウムと、シリコンまたは錫との合金、あるいはLi2.6Co0.4Nなどのリチウム窒化物を例として挙げることができる。 Next, the negative electrode 102 will be described. The negative electrode 102 is composed of a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can be used as a negative electrode material for a lithium-air secondary battery. For example, metallic lithium can be mentioned. Alternatively, examples include lithium and an alloy of silicon and tin, or lithium nitride such as Li 2.6 Co 0.4 N, which is a substance capable of inserting and extracting lithium ions.

なお、シリコンまたは錫の合金を負極102として用いる場合、負極102を作成する時にリチウムを含まないシリコンまたは錫などを用いることもできる。しかし、この場合には、リチウム空気二次電池の作製に先立って、化学的手法または電気化学的手法(例えば、電気化学セルを組んで、リチウムとシリコンまたは錫との合金化を行う方法)によって、シリコンまたは錫が、リチウムを含む状態にあるように処理しておく必要がある。   Note that in the case where a silicon or tin alloy is used as the negative electrode 102, silicon or tin which does not contain lithium can be used when the negative electrode 102 is formed. However, in this case, prior to the production of the lithium-air secondary battery, a chemical method or an electrochemical method (for example, a method in which an electrochemical cell is assembled and lithium and silicon or tin are alloyed) is used. It is necessary to treat the silicon or tin so that it is in a state containing lithium.

具体的には、作用極にシリコンまたは錫を含み、対極にリチウムを用い、有機電解質中で還元電流を流すことによって合金化を行うなどの電気化学的な処理をしておくことが好ましい。   Specifically, it is preferable to perform electrochemical treatment such as alloying by using silicon or tin as the working electrode, lithium as the counter electrode, and flowing a reducing current in the organic electrolyte.

金属リチウムから構成した負極102における放電時の反応は、以下のように表すことができる。   The reaction at the time of discharge in the negative electrode 102 composed of metallic lithium can be expressed as follows.

Li→Li++e-…(3) Li → Li + + e (3)

一方、充電時の負極102においては、式(3)の逆反応であるリチウムの析出反応が起こる。   On the other hand, in the negative electrode 102 at the time of charging, a lithium precipitation reaction which is the reverse reaction of the formula (3) occurs.

負極102は、公知の方法で形成することができる。例えば、リチウム金属を負極102とする場合には、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形することで、負極102を作製すればよい。   The negative electrode 102 can be formed by a known method. For example, in the case where lithium metal is used as the negative electrode 102, the negative electrode 102 may be manufactured by stacking a plurality of metal lithium foils into a predetermined shape.

次に、電解質103について説明する。電解質103は、空気極101(正極)および負極102間でリチウムイオンの移動が可能な物質であればよい。例えば、リチウムイオンを含む金属塩を溶解した非水溶媒(有機溶媒)を電解質103とすればよい。具体的には、リチウムイオンを含む金属塩としては、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)などのリチウムイオンを含む金属塩を挙げることができる。 Next, the electrolyte 103 will be described. The electrolyte 103 may be any substance that can move lithium ions between the air electrode 101 (positive electrode) and the negative electrode 102. For example, the electrolyte 103 may be a nonaqueous solvent (organic solvent) in which a metal salt containing lithium ions is dissolved. Specifically, examples of the metal salt containing lithium ions include metals containing lithium ions such as lithium bistrifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). Mention may be made of salts.

また、非水溶媒としては、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)などの炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)などのエーテル系溶媒、γ−ブチロタクトン(GBL)などのラクトン系溶媒、またはジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシド系溶媒、あるいはこれらの中から2種類以上を混合した溶媒を挙げることができる。2種類以上を混合した溶媒としては、例えば炭酸エチレン(EC)および炭酸ジメチル(DMC)(体積比1:1)の混合溶媒、ECおよび炭酸ジエチル(DEC)などのような混合溶媒を挙げることができる。   Nonaqueous solvents include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate (MBC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl propyl carbonate. (EPC), ethyl isopropyl carbonate (EIPC), ethyl butyl carbonate (EBC), dipropyl carbonate (DPC), diisopropyl carbonate (DIPC), dibutyl carbonate (DBC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), carbonic acid 1, Carbonate ester solvents such as 2-butylene (1,2-BC), ether solvents such as 1,2-dimethoxyethane (DME) and tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), and lactone systems such as γ-butyrotactone (GBL) Solvent, or dimethylsulfoxy (DMSO) can be mentioned sulfoxide solvents solvent or a mixture of two or more from these, such as. Examples of the solvent in which two or more kinds are mixed include a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1: 1), a mixed solvent such as EC and diethyl carbonate (DEC). it can.

また、電解質103を構成する他の材料として、リチウムイオンを通す固体電解質(例えば、Li2SやP25を含む硫化物系固体電解質など)、リチウムイオンを通すポリマー電解質(例えば、ポリエチレンオキシド系、具体的には、例えば、上記有機電解液とポリエチレンオキシドをコンポジット化した物質など)等を挙げることができる。ただし、電解質103を構成する材料は、これらに限定されず、リチウム空気二次電池で使用される公知のリチウムイオンを通す固体電解質またはリチウムイオンを通すポリマー電解質であれば好適に使用することができる。 Other materials constituting the electrolyte 103 include a solid electrolyte that passes lithium ions (eg, a sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5 ), and a polymer electrolyte that passes lithium ions (eg, polyethylene oxide). System, specifically, for example, a material obtained by compositing the organic electrolyte and polyethylene oxide). However, the material constituting the electrolyte 103 is not limited to these, and can be suitably used as long as it is a known solid electrolyte that passes lithium ions or a polymer electrolyte that passes lithium ions used in lithium-air secondary batteries. .

なお、リチウム空気二次電池は、上記構成に加え、セパレータ、電池ケース、金属メッシュ(例えばチタンメッシュ)などの構造部材、また、リチウム空気二次電池に要求される要素を含むことができる。これらは、従来公知のものを使用することができる。   In addition to the above configuration, the lithium-air secondary battery can include structural members such as a separator, a battery case, and a metal mesh (for example, titanium mesh), and elements required for the lithium-air secondary battery. Conventionally known ones can be used.

次に、製造方法について説明する。本発明のリチウム空気二次電池は、後述する空気極製造方法により得られる空気極と負極と電解質とを、所望のリチウム空気二次電池の構造に基づいた他の必要な要素と共に、ケースなどの適切な容器内に適切に配置することで作製することができる。これらのリチウム空気二次電池の製造手順は、従来知られている方法を適用することができる。   Next, a manufacturing method will be described. The lithium air secondary battery of the present invention includes an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte obtained by an air electrode manufacturing method, which will be described later, together with other necessary elements based on the structure of a desired lithium air secondary battery. It can be produced by appropriately arranging in an appropriate container. A conventionally known method can be applied to the manufacturing procedure of these lithium air secondary batteries.

以下、空気極101の作製について説明する。   Hereinafter, production of the air electrode 101 will be described.

[製造方法1]
はじめに、製造方法1について説明する。
[Production Method 1]
First, the manufacturing method 1 will be described.

まず、ポリアクリロニトリルを、ポリアクリロニトリルに対する良溶媒に溶解して高分子量体溶液を作製する(第1工程)。   First, polyacrylonitrile is dissolved in a good solvent for polyacrylonitrile to prepare a high molecular weight solution (first step).

次に、多孔体からなる担体111に上記高分子量体溶液を塗布する(第2工程)。   Next, the high molecular weight solution is applied to the porous carrier 111 (second step).

次に、高分子量体溶液を塗布した担体111をポリアクリロニトリルに対する貧溶媒に晒すことで、担体111の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造を有する高分子共連続多孔体を析出させる(第3工程)。   Next, by exposing the carrier 111 coated with the high molecular weight solution to a poor solvent for polyacrylonitrile, a polymer co-continuous porous body having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire region of the carrier 111 is deposited (first). 3 steps).

次に、担体111に担持された高分子共連続多孔体を熱処理することで、三次元網目構造のカーボン共連続多孔体112からなる空気極101を得る(第4工程)。   Next, the air electrode 101 composed of the carbon co-continuous porous body 112 having a three-dimensional network structure is obtained by heat-treating the polymer co-continuous porous body supported on the carrier 111 (fourth step).

この後、上述したように作製した空気極101と、リチウムを含んで構成された負極102と、空気極101と負極102とに挾まれて配置された電解質103とから構成されたリチウム空気二次電池を作製する(第5工程)。   Thereafter, the lithium-air secondary composed of the air electrode 101 manufactured as described above, the negative electrode 102 including lithium, and the electrolyte 103 disposed between the air electrode 101 and the negative electrode 102. A battery is manufactured (fifth step).

以下各工程について、より詳細に説明する。   Hereinafter, each step will be described in more detail.

第1工程では、三次元網目構造を有するカーボン共連続多孔体112の原料となる高分子量体の溶液を作製すればよく、この高分子量体は、全てポリアクリロニトリルである必要はない。高分子量体は、ポリアクリロニトリルを85重量%以上、より好ましくは90重量%以上含むポリマーであればよく、高分子量体は、ポリアクリロニトリル以外の例えば、メチルアクリレート、酢酸ビニルなどの成分が含まれていてもよい。このように、ポリアクリロニトリル以外の成分も含まれている高分子量体を用いる場合、第1工程では、高分子量体の良溶媒を用いればよい。ポリアクリロニトリルの分子量は限定されないが、平均分子量が、例えば、1万〜500万が好ましく、2万〜400万がより好ましい。   In the first step, a solution of a high molecular weight material as a raw material of the carbon co-continuous porous body 112 having a three-dimensional network structure may be prepared, and this high molecular weight material need not be all polyacrylonitrile. The high molecular weight material may be a polymer containing 85% by weight or more, more preferably 90% by weight or more of polyacrylonitrile, and the high molecular weight material contains components such as methyl acrylate and vinyl acetate other than polyacrylonitrile. May be. Thus, when using the high molecular weight body which also contains components other than polyacrylonitrile, what is necessary is just to use the good solvent of a high molecular weight body at a 1st process. The molecular weight of polyacrylonitrile is not limited, but the average molecular weight is preferably, for example, 10,000 to 5,000,000, and more preferably 20,000 to 4,000,000.

ここで、良溶媒とは、対象とする高分子量体を溶解する能力を有する(高分子量体の溶解度が大きい)溶媒を示す。具体的には、良溶媒1リットル(L)に対してポリアクリロニトリルが10g以上、より好ましくは15g以上溶解する溶媒を意味する。ポリアクリロニトリルに対する良溶媒は、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、N−メチルピロリドン(NMP)などであり、これらから2種類以上を混合した溶媒であってもよい。   Here, the good solvent indicates a solvent having the ability to dissolve the target high molecular weight substance (the high molecular weight body has high solubility). Specifically, it means a solvent in which 10 g or more, more preferably 15 g or more of polyacrylonitrile is dissolved in 1 liter (L) of a good solvent. Good solvents for polyacrylonitrile are, for example, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), N-methylpyrrolidone (NMP), and the like. Also good.

第1工程では、ポリアクリロニトリルを上記良溶媒に加え、必要に応じて加温しながら、攪拌などの適宜必要な手法を用いて溶媒に溶解する。第1工程で作製する高分子量体溶液は、ポリアクリロニトリルの濃度が、5〜300g/L、好ましくは、10〜160g/Lであればよい。   In the first step, polyacrylonitrile is added to the good solvent and dissolved in the solvent using a necessary method such as stirring while heating as necessary. The high molecular weight solution produced in the first step has a polyacrylonitrile concentration of 5 to 300 g / L, preferably 10 to 160 g / L.

第2工程では、第1工程で作製した高分子量体溶液を担体111に塗布し、三次元網目構造を有する高分子共連続多孔体の前駆体を担体111に担持させる。ここで、担体111は、上記高分子量体溶液を付着する能力を有する材料から構成する。具体的には、1gの担体111に対して上記高分子量体溶液が0.001g以上、より好ましくは0.05g以上付着する材料から担体111を構成する。   In the second step, the high molecular weight solution prepared in the first step is applied to the carrier 111, and a precursor of a polymer co-continuous porous body having a three-dimensional network structure is supported on the carrier 111. Here, the support | carrier 111 is comprised from the material which has the capability to adhere the said high molecular weight solution. Specifically, the carrier 111 is composed of a material to which the high molecular weight solution adheres in an amount of 0.001 g or more, more preferably 0.05 g or more with respect to 1 g of the carrier 111.

担体111は、シート状、フォーム状、網目状、ハニカム状、ファイバー状、不織布状、織布状等で用いることができる。更に、担体111は、電気伝導性を有することが好ましく、具体的には、10S/m以上、より好ましくは102S/m以上の電気伝導性を有するとよい。担体111は、例えば、カーボンシート、ポーラス金属、金属メッシュ、金属シート等を用いることができ、耐腐食性が強く、更に軽量であるカーボンシートが特に好ましい。 The carrier 111 can be used in the form of a sheet, foam, mesh, honeycomb, fiber, nonwoven fabric, woven fabric, or the like. Furthermore, the carrier 111 preferably has electrical conductivity, specifically, 10 S / m or more, more preferably 10 2 S / m or more. As the carrier 111, for example, a carbon sheet, a porous metal, a metal mesh, a metal sheet, or the like can be used, and a carbon sheet that is strong in corrosion resistance and light in weight is particularly preferable.

第3工程では、高分子量体溶液に、ポリアクリロニトリル高分子量体)に対する貧溶媒を噴霧し、担体111に三次元網目構造を有する高分子共連続多孔体を析出させる。ここで、貧溶媒とは、対象とする高分子量体を溶かす能力の小さい(溶解度が小さい)溶媒のことを意味する。   In the third step, a poor solvent for the polyacrylonitrile polymer) is sprayed on the polymer solution to precipitate a polymer co-continuous porous body having a three-dimensional network structure on the carrier 111. Here, the poor solvent means a solvent having a small ability (solubility is low) to dissolve the target high molecular weight substance.

具体的には、溶媒1Lに対して高分子量体が1g以上、より好ましくは0.8g以上が溶けない溶媒が貧溶媒である。ここで用いる貧溶媒は、例えば、水、アセトニトリル、エチレングリコール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、グリセリンなどであり、これらから2種類以上を混合した溶媒であってもよい。   Specifically, a solvent that does not dissolve 1 g or more, more preferably 0.8 g or more, of the high molecular weight body with respect to 1 L of the solvent is a poor solvent. The poor solvent used here is, for example, water, acetonitrile, ethylene glycol, methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol, glycerin, or the like, and may be a solvent in which two or more of these are mixed.

第3工程は、例えば、第2工程で得られた高分子量体溶液が塗布された担体111を、上記貧溶媒に晒すことで実施される。具体的には高分子量体溶液の10倍以上、より好ましくは100倍以上の貧溶媒で洗浄すればよい。洗浄する時間は、高分子共連続多孔体が良溶媒から全て析出され、更に良溶媒が高分子共連続多孔体から貧溶媒中に全て拡散するまで実施すればよい。   The third step is performed, for example, by exposing the carrier 111 coated with the high molecular weight solution obtained in the second step to the poor solvent. Specifically, it may be washed with a poor solvent 10 times or more, more preferably 100 times or more of the high molecular weight solution. The washing may be carried out until the polymer co-continuous porous material is all precipitated from the good solvent and further the good solvent diffuses from the polymer co-continuous porous material into the poor solvent.

良溶媒による高分子量体溶液に貧溶媒を晒す手法は特に制限されないが、貧溶媒に圧力を加えて霧状にして噴射する方法、貧溶媒を注ぎ込む方法、貧溶媒中に浸漬させる方法などがある。良溶媒による高分子量体溶液の中に貧溶媒を拡散させる時間を制御することで、析出させる高分子量体共連続多孔体の孔径、気孔率、比表面積などを自由に制御することが可能である。拡散させる速度が速いほど、高比表面積化が可能となり、良溶媒による高分子量体溶液に対して短時間に多量の貧溶媒を晒すことが好ましい。例えば、流水で洗浄する場合、高分子量体溶液1gに対して毎分1L以上の流水で洗浄すればよい。   The method of exposing the poor solvent to the high molecular weight solution with the good solvent is not particularly limited, but there are a method in which the poor solvent is pressurized and sprayed, a method of pouring the poor solvent, a method of immersing in the poor solvent, etc. . It is possible to freely control the pore size, porosity, specific surface area, etc. of the high molecular weight co-continuous porous material to be precipitated by controlling the time for the poor solvent to diffuse into the high molecular weight solution with the good solvent. . The faster the diffusion speed, the higher the specific surface area becomes possible, and it is preferable to expose a large amount of poor solvent to the high molecular weight solution with a good solvent in a short time. For example, when washing with running water, the washing may be done with running water of 1 L or more per minute for 1 g of the high molecular weight solution.

従来知られている高分子共連続多孔体の作製方法では、まず、貧溶媒と良溶媒の混合溶媒にポリアクリロニトリルのようなポリマーを加え、この溶液を加熱し、ポリマーを溶解させる。次いで、得られた溶液を冷却してポリマーの共連続多孔体を析出させていた。   In a conventionally known method for producing a polymer co-continuous porous body, first, a polymer such as polyacrylonitrile is added to a mixed solvent of a poor solvent and a good solvent, and this solution is heated to dissolve the polymer. The resulting solution was then cooled to precipitate a polymer co-continuous porous body.

このような、従来の製造方法では、ポリマーを溶解するために比較的高温で溶液を加熱する工程が必要であり、溶媒が揮発し、ポリマー溶液の濃度を一定に制御することが容易ではなかった。このため、析出する共連続多孔体の孔径、気孔率、比表面積などを自由に制御できなかった。   In such a conventional manufacturing method, a step of heating the solution at a relatively high temperature is required to dissolve the polymer, and the solvent is volatilized, and it is not easy to control the concentration of the polymer solution to be constant. . For this reason, the pore diameter, porosity, specific surface area, etc. of the co-continuous porous material to be deposited cannot be freely controlled.

これに対し、本発明における製造方法は、高温での加熱の必要性がなく、析出させる高分子共連続多孔体の孔径などの特性を自由に制御できるだけでなく、製造工程も容易である。   On the other hand, the production method of the present invention does not require heating at a high temperature, can not only freely control the characteristics such as the pore diameter of the polymer co-continuous porous material to be deposited, but also facilitates the production process.

ところで、担体111を使用せず、高分子量体共連続多孔体のみを析出させることも可能である。例えば、第1工程で得られた高分子量体の良溶媒溶液を、シャーレ−のような適切な容器にとり、容器内の溶液に貧溶媒を噴霧することで、高分子量体共連続多孔体のみを析出させることができる。しかし、担体111を使用しない場合、平坦な高分子量体共連続多孔体を得るためには、スプレーなどを用いて、均一かつ徐々に高分子量体共連続多孔体を析出させる必要がある。このため、貧溶媒を高分子量体溶液中に拡散させる速度に限界があり、担体111を使用しない場合と比較して、高比表面積化に限界がある。   By the way, it is possible to deposit only the high molecular weight co-continuous porous material without using the carrier 111. For example, by taking the good solvent solution of the high molecular weight substance obtained in the first step in a suitable container such as a petri dish, and spraying the poor solvent on the solution in the container, only the high molecular weight body continuous porous body is obtained. It can be deposited. However, when the carrier 111 is not used, in order to obtain a flat high molecular weight co-continuous porous material, it is necessary to deposit the high molecular weight co-continuous porous material uniformly and gradually using a spray or the like. For this reason, there is a limit to the speed at which the poor solvent is diffused into the high molecular weight solution, and there is a limit to increasing the specific surface area as compared with the case where the carrier 111 is not used.

また、担体111を使用しない場合であっても、第4工程を実施することで、カーボン共連続多孔体112の作製が可能である。しかし、カーボン共連続多孔体112は脆性が高いため、脆いといった問題を有する。このため、カーボン共連続多孔体単体では、圧力を加えると容易に破断する。本発明では、機械強度の高い担体111を用いることで、カーボン共連続多孔体112の脆性に対する問題を解決している。   Even if the carrier 111 is not used, the carbon co-continuous porous body 112 can be produced by performing the fourth step. However, the carbon co-continuous porous body 112 has a problem that it is brittle because it is highly brittle. For this reason, the carbon co-continuous porous body alone breaks easily when pressure is applied. In the present invention, the problem of brittleness of the carbon co-continuous porous body 112 is solved by using the carrier 111 having high mechanical strength.

第4工程では、高分子共連続多孔体が担持された担体111を、不活性または還元性の雰囲気中で800℃〜1500℃、より好ましくは、900℃〜1400℃で焼成し、カーボン化させる。   In the fourth step, the carrier 111 carrying the polymer co-continuous porous body is baked at 800 ° C. to 1500 ° C., more preferably 900 ° C. to 1400 ° C. in an inert or reducing atmosphere, and carbonized. .

ここで、不活性または還元性の雰囲気に用いるガスは、高分子共連続多孔体が燃焼しないガスであれば特に限定されないが、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガスなどを挙げることができる。例えば、カーボン材料に対し賦活効果を有し、カーボン共連続多孔体112の高比表面積化が期待できる二酸化炭素ガスまたは一酸化炭素ガスがより好ましい。   Here, the gas used in the inert or reducing atmosphere is not particularly limited as long as the polymer co-continuous porous body does not burn, but for example, nitrogen gas, argon gas, hydrogen gas, carbon dioxide gas, monoxide Examples thereof include carbon gas. For example, carbon dioxide gas or carbon monoxide gas that has an activation effect on the carbon material and can be expected to increase the specific surface area of the carbon co-continuous porous body 112 is more preferable.

カーボン共連続多孔体112は、カーボン粉末を焼結するといった公知の方法を用いて調製することもできるが、このような方法では、カーボンの焼結温度が1600℃程度と高温である。このため、焼結法では、カーボン粉末同士の粒成長が急速に進み、高い比表面積を有するカーボン共連続多孔体112の作製が困難となる。このため、上述したように、まず高分子共連続多孔体を作製し、この後、高分子共連続多孔体を不活性または還元性の雰囲気で熱処理してカーボン共連続多孔体112を作製することが好ましい。   The carbon co-continuous porous body 112 can also be prepared by using a known method such as sintering carbon powder, but in such a method, the sintering temperature of carbon is as high as about 1600 ° C. For this reason, in the sintering method, the grain growth between the carbon powders proceeds rapidly, and it becomes difficult to produce the carbon co-continuous porous body 112 having a high specific surface area. For this reason, as described above, the polymer co-continuous porous body is first prepared, and then the carbon co-continuous porous body is heat-treated in an inert or reducing atmosphere to prepare the carbon co-continuous porous body 112. Is preferred.

[製造方法2]
次に、製造方法2について説明する。
[Production Method 2]
Next, manufacturing method 2 will be described.

空気極101は、前述したように、遷移金属または遷移金属酸化物による触媒113を更に含むとよい。製造方法2では、製造方法1で説明したように、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を作製した後に、触媒113をカーボン共連続多孔体112が担持された担体111に更に担持させる。   As described above, the air electrode 101 may further include a catalyst 113 made of a transition metal or a transition metal oxide. In manufacturing method 2, as described in manufacturing method 1, after preparing carrier 111 on which carbon co-continuous porous body 112 is supported, catalyst 113 is further supported on carrier 111 on which carbon co-continuous porous body 112 is supported. .

製造方法2では、前述した第4工程において、以下の第6工程,第7工程,第8工程を加える。   In the manufacturing method 2, the following 6th process, 7th process, and 8th process are added in the 4th process mentioned above.

第6工程では、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を界面活性剤の水溶液に浸漬し、カーボン共連続多孔体112および担体111の表面に界面活性剤を付着させる。   In the sixth step, the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported is immersed in an aqueous solution of a surfactant, and the surfactant is attached to the surfaces of the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111.

次に、第7工程では、金属塩の水溶液を用いて界面活性剤が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111の表面に界面活性剤により金属塩を付着させる。   Next, in the seventh step, the metal salt is attached to the surfaces of the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which the surfactant is attached using an aqueous solution of the metal salt.

次に、第8工程では、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111に対する熱処理により、金属塩を構成する金属または金属の酸化物からなる触媒113をカーボン共連続多孔体112および担体111に担持させる。   Next, in the eighth step, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 are made of the metal or metal oxide constituting the metal salt by heat treatment on the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which the metal salt is attached. 111.

なお、上記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つであればよい。特に、ルテニウムが好ましい。   The above metals are titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. It is sufficient if it is at least one of the following. In particular, ruthenium is preferable.

ところで、遷移金属酸化物をカーボン共連続多孔体112に担持するためには、従来知られている方法を用いることができる。例えば、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を、遷移金属塩化物や遷移金属硝酸塩の水溶液に含浸させて蒸発乾固した後、高温高圧化の水(H2O)中で水熱合成する方法がある。また、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111に、遷移金属塩化物や遷移金属硝酸塩の水溶液を含浸させ、ここにアルカリ水溶液を滴下する沈殿法がある。また、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111に遷移金属アルコキシド溶液に含浸させ、これを加水分解するゾルゲル法などがある。これらの液相法による各方法の条件は公知であり、これらの公知の条件を適用できる。本発明では、液相法が望ましい。 By the way, in order to carry the transition metal oxide on the carbon co-continuous porous body 112, a conventionally known method can be used. For example, the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported is impregnated with an aqueous solution of transition metal chloride or transition metal nitrate, evaporated to dryness, and then hydrothermally heated in high-temperature and high-pressure water (H 2 O). There is a way to synthesize. Further, there is a precipitation method in which a carrier 111 on which a carbon co-continuous porous body 112 is supported is impregnated with an aqueous solution of transition metal chloride or transition metal nitrate, and an alkaline aqueous solution is dropped here. Further, there is a sol-gel method in which a transition metal alkoxide solution is impregnated on a carrier 111 on which a carbon co-continuous porous body 112 is supported, and this is hydrolyzed. The conditions of each method by these liquid phase methods are well-known, and these well-known conditions can be applied. In the present invention, the liquid phase method is desirable.

上記の液相法で担持される金属酸化物は、多くの場合、結晶化が進んでいないためアモルファス状態である。アモルファス状態の前駆体を、不活性の雰囲気で、500℃程度の高温で熱処理を行うことで、結晶性の金属酸化物を得ることができる。このような結晶性の金属酸化物は、空気極101の触媒113として用いた場合においても高い性能を示す。   In many cases, the metal oxide supported by the liquid phase method is in an amorphous state because crystallization has not progressed. A crystalline metal oxide can be obtained by heat-treating the precursor in an amorphous state at a high temperature of about 500 ° C. in an inert atmosphere. Such a crystalline metal oxide exhibits high performance even when used as the catalyst 113 of the air electrode 101.

一方、上記のアモルファス状の前駆体を100〜200℃程度の比較的低温で乾燥した場合に得られる前駆体粉末は、アモルファス状態を維持しつつ、水和物の状態となる。金属酸化物の水和物は、形式的に、Mexy・nH2O(ただし、Meは上記金属を意味し、xおよびyはそれぞれ金属酸化物分子中に含まれる金属および酸素の数を表し、nは1モルの金属酸化物に対するH2Oのモル数)と表すことができる。このような低温乾燥により得られた、金属酸化物の水和物を触媒113として用いることができる。 On the other hand, the precursor powder obtained when the above amorphous precursor is dried at a relatively low temperature of about 100 to 200 ° C. is in a hydrated state while maintaining an amorphous state. The metal oxide hydrate is formally Me x O y · nH 2 O (where Me means the above metal, x and y are the number of metals and oxygen contained in the metal oxide molecule, respectively). Where n is the number of moles of H 2 O per mole of metal oxide). A metal oxide hydrate obtained by such low-temperature drying can be used as the catalyst 113.

アモルファス状の金属酸化物(水和物)は、焼結がほとんど進んでいないため、大きな表面積を有し、粒子径も30nm程度と非常に小さい値を示す。これは、触媒113として好適であり、これを用いることで、優れた電池性能を得ることができる。   Since the amorphous metal oxide (hydrate) is hardly sintered, it has a large surface area and a very small particle diameter of about 30 nm. This is suitable as the catalyst 113, and by using this, excellent battery performance can be obtained.

上述の通り、結晶性の金属酸化物は高い活性を示すが、上記のような高温での熱処理で結晶化させた金属酸化物は、表面積が著しく低下することがあり、粒子の凝集により粒子径も100nm程度となることがある。なお、この粒子径(平均粒径)は、走査型電子顕微鏡(SEM)などで拡大観察し、10μm四方(10μm×10μm)あたりの粒子の直径を計測して、平均値を求めた値である。   As described above, crystalline metal oxides show high activity, but metal oxides crystallized by heat treatment at a high temperature as described above may have a significant decrease in surface area. May be about 100 nm. The particle diameter (average particle diameter) is a value obtained by observing with a scanning electron microscope (SEM) or the like, measuring the diameter of particles per 10 μm square (10 μm × 10 μm), and calculating the average value. .

また、特に高温で熱処理を行った金属酸化物による触媒113は、粒子が凝集するため、カーボン共連続多孔体112の表面に高分散で触媒113を添加させることが困難なことがある。十分な触媒効果を得るためには、空気極101中に金属酸化物を大量に添加しなければならない場合があり、高温の熱処理による触媒作製は、コスト的に不利となることがある。   In particular, the metal oxide catalyst 113 that has been heat-treated at a high temperature aggregates particles, and therefore it may be difficult to add the catalyst 113 to the surface of the carbon co-continuous porous body 112 with high dispersion. In order to obtain a sufficient catalytic effect, a large amount of metal oxide may have to be added to the air electrode 101, and catalyst preparation by high-temperature heat treatment may be disadvantageous in cost.

この問題を解消するために、製造方法2では、前述の第6工程〜第8工程に示すように、界面活性剤を用いる。   In order to solve this problem, in the production method 2, as shown in the above-described sixth to eighth steps, a surfactant is used.

製造方法2の第6工程で用いる界面活性剤は、空気極101上に金属または遷移金属酸化物を高分散で担持するためのものである。界面活性剤のように、分子内にカーボン表面に吸着する疎水基と遷移金属イオンが吸着する親水基を有していれば、カーボン共連続多孔体112に遷移金属酸化物前駆体である金属イオンを高い分散度で吸着させることができる。   The surfactant used in the sixth step of the production method 2 is for supporting a metal or a transition metal oxide on the air electrode 101 with high dispersion. As long as it has a hydrophobic group that adsorbs to the carbon surface and a hydrophilic group that adsorbs transition metal ions in the molecule, such as a surfactant, metal ions that are transition metal oxide precursors in the carbon co-continuous porous body 112 Can be adsorbed with a high degree of dispersion.

上述した界面活性剤としては、分子内にカーボン表面に吸着する疎水基とルテニウムイオンが吸着する親水基を有していれば特に限定されないが、非イオン系の界面活性剤が好ましい。例えば、エステル型の界面活性剤として、ラウリン酸グリセリン、モノステアリン酸グリセリン、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステルなどがある。また、エーテル型の界面活性剤として、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコールなどがある。   The surfactant described above is not particularly limited as long as it has a hydrophobic group that adsorbs to the carbon surface and a hydrophilic group that adsorbs ruthenium ions in the molecule, but a nonionic surfactant is preferable. Examples of the ester type surfactant include glyceryl laurate, glyceryl monostearate, sorbitan fatty acid ester, and sucrose fatty acid ester. Examples of ether type surfactants include polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether, and polyoxyethylene polyoxypropylene glycol.

また、エステルエーテル型の界面活性剤として、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンヘキシタン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルポリエチレングリコールなどがある。また、アルカノールアミド型の界面活性剤として、ラウリン酸ジエタノールアミド、オレイン酸ジエタノールアミド、ステアリン酸ジエタノールアミド、コカミドDEAなどがある。また、高級アルコールの界面活性剤として、セタノール、ステアリルアルコール、オレイルアルコールなどがある。また、ポロキサマー型の界面活性剤として、ポロキサマージメタクリレートなどを挙げることができる。   Examples of the ester ether type surfactant include polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene hexitan fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester polyethylene glycol and the like. Examples of the alkanolamide surfactant include lauric acid diethanolamide, oleic acid diethanolamide, stearic acid diethanolamide, and cocamide DEA. Examples of higher alcohol surfactants include cetanol, stearyl alcohol, and oleyl alcohol. Examples of the poloxamer type surfactant include poloxamer methacrylate.

製造方法2の第6工程における界面活性剤の水溶液の濃度は、0.1〜20g/Lであることが好ましい。また、浸漬時間、浸漬温度等の浸漬条件は、例えば、室温〜50℃の溶液に、1〜48時間浸漬することが含まれる。   The concentration of the surfactant aqueous solution in the sixth step of production method 2 is preferably 0.1 to 20 g / L. Moreover, immersion conditions, such as immersion time and immersion temperature, include soaking in a solution at room temperature to 50 ° C. for 1 to 48 hours, for example.

製造方法2の第7工程では、第6工程における界面活性剤を含有する水溶液に、触媒113として機能する金属塩を更に溶解するか、または金属塩の水溶液を加えることを含む。あるいは、上述の界面活性剤を含有する水溶液とは別に、触媒113として機能する金属塩を溶解させた水溶液を調製し、これに、界面活性剤を含浸した(付着させた)カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を浸漬してもよい。   The seventh step of the production method 2 includes further dissolving the metal salt functioning as the catalyst 113 in the aqueous solution containing the surfactant in the sixth step or adding an aqueous solution of the metal salt. Alternatively, in addition to the aqueous solution containing the above-mentioned surfactant, an aqueous solution in which a metal salt that functions as the catalyst 113 is dissolved is prepared, and a carbon co-continuous porous body impregnated (attached) with the surfactant The carrier 111 on which 112 is supported may be immersed.

また、金属塩が溶解した水溶液を、界面活性剤を付着させたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111に含浸させてもよい。必要に応じて、得られた金属塩を含む(付着した)カーボン共連続多孔体112にアルカリ性水溶液を滴下してもよい。これらのことによって、金属または金属酸化物前駆体をカーボン共連続多孔体112に付着させることができる。   Alternatively, an aqueous solution in which a metal salt is dissolved may be impregnated in the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 with a surfactant attached is supported. If necessary, an alkaline aqueous solution may be dropped onto the carbon co-continuous porous body 112 containing (attached) the obtained metal salt. By these things, a metal or a metal oxide precursor can be made to adhere to the carbon co-continuous porous body 112.

製造方法2の第7工程における金属塩の添加量は、0.1〜100mmol/Lとなる量であることが好ましい。また、浸漬時間、浸漬温度などの浸漬条件は、例えば、室温〜50℃の溶液に、1〜48時間浸漬することが含まれる。   It is preferable that the addition amount of the metal salt in the 7th process of the manufacturing method 2 is an amount used as 0.1-100 mmol / L. Moreover, immersion conditions, such as immersion time and immersion temperature, include soaking in a solution at room temperature to 50 ° C. for 1 to 48 hours, for example.

より具体的には、金属としてルテニウムを例にとって説明すれば、例えば、ルテニウム金属塩(例えば、塩化ルテニウムなどのハロゲン化ルテニウムなど)を、界面活性剤を含有し、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111に含浸している水溶液に加える。次いで、得られたルテニウム金属塩を含むカーボン共連続多孔体112が担持された担体111にアルカリ性水溶液を滴下することで、金属または金属酸化物前駆体としての水酸化ルテニウムを、カーボン共連続多孔体112および担体111に担持させることができる。   More specifically, for example, ruthenium is used as the metal. For example, a ruthenium metal salt (for example, ruthenium halide such as ruthenium chloride) contains a surfactant and is supported by the carbon co-continuous porous body 112. Is added to the aqueous solution impregnated into the prepared carrier 111. Next, an alkaline aqueous solution is dropped onto the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 containing the ruthenium metal salt is supported, whereby ruthenium hydroxide as a metal or metal oxide precursor is converted into the carbon co-continuous porous body. 112 and carrier 111 can be carried.

上述した酸化ルテニウムによる触媒113の担持量は、金属塩水溶液中の金属塩(例えば塩化ルテニウム)の濃度により調整できる。   The amount of the catalyst 113 supported by the ruthenium oxide can be adjusted by the concentration of the metal salt (for example, ruthenium chloride) in the metal salt aqueous solution.

また、上述のアルカリ性水溶液に使用するアルカリは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、アンモニア水、アンモニウム水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液等を挙げることができる。これらのアルカリ清水溶液の濃度は、0.1〜10mol/Lであることが好ましい。   Examples of the alkali used in the above alkaline aqueous solution include alkali metal or alkaline earth metal hydroxide, aqueous ammonia, aqueous ammonium solution, and aqueous tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution. The concentration of these alkaline aqueous solutions is preferably 0.1 to 10 mol / L.

製造方法2における第8工程では、カーボン共連続多孔体112の表面に付着させた金属または金属酸化物の前駆体(金属塩)を、熱処理により、金属自体または金属酸化物に転化する。   In the eighth step in the production method 2, a metal or metal oxide precursor (metal salt) attached to the surface of the carbon co-continuous porous body 112 is converted into the metal itself or the metal oxide by heat treatment.

具体的には、前駆体が付着したカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を、室温(25℃程度)〜150℃、より好ましくは50℃〜100℃で1〜24時間乾燥させ、次いで100〜600℃、好ましくは110〜300℃で熱処理すればよい。   Specifically, the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 with the precursor attached is supported is dried at room temperature (about 25 ° C.) to 150 ° C., more preferably at 50 ° C. to 100 ° C. for 1 to 24 hours, Next, heat treatment may be performed at 100 to 600 ° C., preferably 110 to 300 ° C.

製造方法2における第8工程では、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性雰囲気や還元性雰囲気で熱処理することで、金属自体を触媒113として表面に付着させたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を含む空気極101を製造することができる。また、酸素を含むガス中(酸化性雰囲気)で熱処理することで、金属酸化物を触媒113として表面に付着させたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を含む空気極101を製造することができる。   In the eighth step in the production method 2, the carbon co-continuous porous body 112 having the metal itself attached to the surface as the catalyst 113 was supported by heat treatment in an inert atmosphere or reducing atmosphere such as argon, helium, and nitrogen. The air electrode 101 including the carrier 111 can be manufactured. Further, by performing heat treatment in a gas containing oxygen (oxidizing atmosphere), the air electrode 101 including the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 having the metal oxide attached to the surface as the catalyst 113 is supported is manufactured. be able to.

また、上述の還元条件下での熱処理を行い、一度、金属自体を触媒113として付着させたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を作製し、次いで、これを酸化性雰囲気で熱処理することで、金属酸化物を触媒113として付着させたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111による空気極101を製造することもできる。   Further, the heat treatment under the above-described reducing conditions is performed to once produce the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 on which the metal itself is attached as the catalyst 113 is supported, and then this is heat-treated in an oxidizing atmosphere. Thus, it is possible to manufacture the air electrode 101 by the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 having the metal oxide attached as the catalyst 113 is supported.

別法として、金属または金属酸化物の前駆体(金属塩)が付着したカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を、室温〜150℃、より好ましくは50℃〜100℃で乾燥させ、カーボン共連続多孔体112上に金属自体を触媒113として付着させ、金属/カーボン共連続多孔体112/担体111の複合体を作製してもよい。   Alternatively, the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 to which a metal or metal oxide precursor (metal salt) is attached is dried at room temperature to 150 ° C., more preferably 50 ° C. to 100 ° C., A metal / carbon co-continuous porous body 112 / carrier 111 composite may be produced by attaching the metal itself as the catalyst 113 on the carbon co-continuous porous body 112.

製造方法2では、金属または金属酸化物による触媒113の付着量(含有量)は、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111および触媒113の総重量に基づいて、0.1〜70重量%、好ましくは1〜30重量%である。   In the production method 2, the amount (content) of the catalyst 113 attached by the metal or metal oxide is 0.1 to 70 weight based on the total weight of the support 111 and the catalyst 113 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported. %, Preferably 1 to 30% by weight.

製造方法2によれば、カーボン共連続多孔体112および担体111の表面に、金属または金属酸化物による触媒113を高分散させた空気極101を製造することができ、電気特性の優れたリチウム空気二次電池が構成できるようになる。   According to the production method 2, the air electrode 101 in which the catalyst 113 made of metal or metal oxide is highly dispersed on the surfaces of the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 can be produced, and lithium air having excellent electrical characteristics can be produced. A secondary battery can be configured.

[製造方法3]
次に、製造方法3について説明する。製造方法3では、製造方法1で説明したように、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を作製した後に、触媒113をカーボン共連続多孔体112が担持された担体111に更に担持させる。
[Production Method 3]
Next, the manufacturing method 3 will be described. In manufacturing method 3, as described in manufacturing method 1, after preparing carrier 111 on which carbon co-continuous porous body 112 is supported, catalyst 113 is further supported on carrier 111 on which carbon co-continuous porous body 112 is supported. .

製造方法3では、前述した第4工程において、以下の第6工程,第7工程,第8工程を加える。   In the manufacturing method 3, the following 6th process, 7th process, and 8th process are added in the 4th process mentioned above.

第6工程では、カーボン共連続多孔体112および担体111を金属塩の水溶液に浸漬してカーボン共連続多孔体112および担体111の表面に金属塩を付着させる。   In the sixth step, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 are immersed in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111.

次に、第7工程では、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111に対する熱処理により、金属塩を構成する金属からなる触媒113をカーボン共連続多孔体112および担体111に担持させる。   Next, in the seventh step, the carbon co-continuous porous body 112 and the support 111 are supported on the carbon co-continuous porous body 112 and the support 111 by heat treatment of the carbon co-continuous porous body 112 and the support 111 to which the metal salt is attached.

次に、第8工程では、触媒113が担持されたカーボン共連続多孔体112および担体111を高温高圧の水に作用させることで触媒113を金属酸化物の水和物とする。   Next, in the eighth step, the catalyst 113 is made to be a metal oxide hydrate by allowing the carbon co-continuous porous body 112 on which the catalyst 113 is supported and the support 111 to act on high-temperature and high-pressure water.

なお、上記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つであればよい。特に、ルテニウムが好ましい。   The above metals are titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. It is sufficient if it is at least one of the following. In particular, ruthenium is preferable.

製造方法3における第6工程では、最終的に触媒113とする金属または金属酸化物の前駆体となる金属塩の水溶液を、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111の表面に付着(担持)させる。例えば、上記金属塩を溶解した水溶液を別途調製し、この水溶液をカーボン共連続多孔体112および担体111に含浸させればよい。含浸の条件等は、前述したように従来と同じである。   In the sixth step of the production method 3, an aqueous solution of a metal salt that finally becomes a metal or metal oxide precursor used as the catalyst 113 is attached (supported) on the surface of the support 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported. ) For example, an aqueous solution in which the metal salt is dissolved may be separately prepared, and the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 may be impregnated with the aqueous solution. The impregnation conditions and the like are the same as the conventional one as described above.

製造方法3における第7工程は、製造方法2の第8工程と同様であり、不活性雰囲気または還元性雰囲気による加熱処理を実施すればよい。また、製造方法2の第8工程の別法として説明した、前駆体が付着したカーボン共連続多孔体112を低温(室温〜150℃、より好ましくは50℃〜100℃)で加熱処理(乾燥)することで、カーボン共連続多孔体112および担体111に金属を付着させてもよい。   The seventh step in the manufacturing method 3 is the same as the eighth step in the manufacturing method 2, and the heat treatment may be performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. In addition, the carbon co-continuous porous body 112 to which the precursor is attached described as an alternative method of the eighth step of the production method 2 is heat-treated (dried) at a low temperature (room temperature to 150 ° C., more preferably 50 ° C. to 100 ° C.). By doing so, a metal may be attached to the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111.

金属自体を触媒として用いた空気極101は、高活性を示すが、触媒が金属であるため、腐食に弱く、長期安定性に欠ける場合がある。これに対し、金属を以下に詳述する製造方法3の第8工程により、加熱処理して金属酸化物の水和物とすることで、長期安定性を実現することができる。   The air electrode 101 using a metal itself as a catalyst exhibits high activity, but since the catalyst is a metal, it is vulnerable to corrosion and may lack long-term stability. On the other hand, long-term stability can be achieved by heat-treating the metal to a metal oxide hydrate by the eighth step of production method 3 described in detail below.

製造方法3の第8工程では、金属酸化物の水和物が、カーボン共連続多孔体112および担体111に付着した状態とする。具体的には、製造方法3の第7工程で得られた、金属が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111を、高温高圧の水に浸漬させ、付着している金属を、金属酸化物の水和物からなる触媒113に転化する。   In the eighth step of production method 3, the metal oxide hydrate is attached to the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111. Specifically, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 attached with the metal obtained in the seventh step of the production method 3 are immersed in high-temperature and high-pressure water, and the attached metal is converted into a metal oxide. To a catalyst 113 comprising a hydrate of

例えば、金属が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111を、100℃〜250℃、より好ましくは、150℃〜200℃の水に浸漬させ、付着している金属を酸化させて金属酸化物の水和物とすればよい。   For example, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which metal is attached are immersed in water at 100 ° C. to 250 ° C., more preferably 150 ° C. to 200 ° C., and the attached metal is oxidized to form a metal oxide. Hydrate.

大気圧下(0.1MPa)での水の沸点は100℃であるため、大気圧下では通常100℃以上の水に浸漬させることはできないが、所定の密閉容器を用い、この密閉容器内の圧力を、例えば、10〜50MPa、好ましくは25MPa程度まで上昇させることで、密閉容器内では、水の沸点が上昇し、100℃〜250℃の液体状の水を実現することができる。このようにして得た高温の水に、金属が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111を浸漬すれば、金属を金属酸化物の水和物とすることができる。   Since the boiling point of water at atmospheric pressure (0.1 MPa) is 100 ° C., it cannot normally be immersed in water at 100 ° C. or higher under atmospheric pressure. By increasing the pressure to, for example, about 10 to 50 MPa, preferably about 25 MPa, the boiling point of water increases in the sealed container, and liquid water at 100 ° C. to 250 ° C. can be realized. If the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which the metal is attached are immersed in the high-temperature water thus obtained, the metal can be made into a metal oxide hydrate.

[製造方法4]
次に、製造方法4について説明する。製造方法4では、製造方法1で説明したように、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を作製した後に、触媒113をカーボン共連続多孔体112が担持された担体111に更に担持させる。
[Production Method 4]
Next, the manufacturing method 4 is demonstrated. In the production method 4, as described in the production method 1, after preparing the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported, the catalyst 113 is further supported on the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 is supported. .

製造方法4では、前述した第4工程において、以下の第6工程,第7工程を加える。   In the manufacturing method 4, the following 6th process and 7th process are added in the 4th process mentioned above.

第6工程では、カーボン共連続多孔体112および担体111を金属塩の水溶液に浸漬してカーボン共連続多孔体112および担体111の表面に金属塩を付着させる。   In the sixth step, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 are immersed in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111.

次に、第7工程では、金属塩が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111を高温高圧の水に作用させることで、金属塩を構成する金属による金属酸化物の水和物からなる触媒113をカーボン共連続多孔体112および担体111に担持させる。   Next, in the seventh step, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which the metal salt is attached is allowed to act on high-temperature and high-pressure water to thereby form a catalyst comprising a metal oxide hydrate of the metal constituting the metal salt. 113 is supported on the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111.

なお、上記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つであればよい。特に、ルテニウムが好ましい。   The above metals are titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. It is sufficient if it is at least one of the following. In particular, ruthenium is preferable.

製造方法4における第6工程は、製造方法3における第6工程と同様であり、ここでは説明を省略する。   The sixth step in the manufacturing method 4 is the same as the sixth step in the manufacturing method 3, and the description thereof is omitted here.

製造工程4における第7工程は、カーボン共連続多孔体112の表面に付着させた前駆体(金属塩)を、比較的低温の熱処理により、金属酸化物の水和物に転化する。   In the seventh step in the production step 4, the precursor (metal salt) attached to the surface of the carbon co-continuous porous body 112 is converted into a metal oxide hydrate by a relatively low temperature heat treatment.

具体的には、前駆体が付着したカーボン共連続多孔体112および担体111を、100〜200℃程度の比較的低温で乾燥する。これにより、前駆体は、前駆体のアモルファス状態を維持しつつ、粒子中には水分子が存在する水和物となる。このような低温乾燥により得られた、金属酸化物の水和物を触媒113として用いる。   Specifically, the carbon co-continuous porous body 112 and the carrier 111 to which the precursor is attached are dried at a relatively low temperature of about 100 to 200 ° C. Thereby, the precursor becomes a hydrate in which water molecules are present in the particles while maintaining the amorphous state of the precursor. A metal oxide hydrate obtained by such low-temperature drying is used as the catalyst 113.

製造方法4により作製される空気極101では、金属酸化物の水和物が、カーボン共連続多孔体112上にナノサイズの微粒子の状態で、高分散で担持されうる。従って、このようなカーボン共連続多孔体112が担持された担体111を空気極101とした場合、優れた電池性能を示すことが可能となる。   In the air electrode 101 produced by the production method 4, the metal oxide hydrate can be supported on the carbon co-continuous porous body 112 in the form of nano-sized fine particles with high dispersion. Therefore, when the carrier 111 on which such a carbon co-continuous porous body 112 is supported is the air electrode 101, excellent battery performance can be exhibited.

上記の各製造方法で得られたカーボン共連続多孔体112が担持された担体111および、触媒113が付着した(担持した)カーボン共連続多孔体112が担持された担体111は、公知の手順で所定の形状に成形して空気極101とすることができる。   The carrier 111 carrying the carbon co-continuous porous body 112 obtained by each of the above production methods and the carrier 111 carrying the carbon co-continuous porous body 112 to which the catalyst 113 is attached (supported) are carried out by known procedures. The air electrode 101 can be formed into a predetermined shape.

例えば、触媒未担持および触媒担持カーボン共連続多孔体112を板状体またはシートに加工し、得られたカーボン共連続多孔体112を打ち抜き刃、レーザーカッタなどなどにより所望の直径(例えば23mm)の円形に切り抜いて空気極101とすればよい。   For example, the catalyst-unsupported and catalyst-supported carbon co-continuous porous body 112 is processed into a plate-like body or sheet, and the obtained carbon co-continuous porous body 112 has a desired diameter (for example, 23 mm) using a punching blade, a laser cutter, or the like. The air electrode 101 may be cut out into a circular shape.

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。はじめに、実際に用いた電池の構成について図2を用いて説明する。図2は、リチウム空気二次電池のより詳細な構成例を示す断面図である。このリチウム空気二次電池は、空気極201,負極202,電解質203,セパレータ204,空気極支持体205、空気極固定用リング206,負極固定用リング207,負極固定用座金208,負極支持体209,固定ねじ210,Oリング211,空気極端子221,負極端子222を備える。   Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example. First, the configuration of the actually used battery will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration example of the lithium air secondary battery. The lithium-air secondary battery includes an air electrode 201, a negative electrode 202, an electrolyte 203, a separator 204, an air electrode support 205, an air electrode fixing ring 206, a negative electrode fixing ring 207, a negative electrode fixing washer 208, and a negative electrode support 209. , Fixing screw 210, O-ring 211, air electrode terminal 221, and negative electrode terminal 222.

空気極201,負極202,電解質203,セパレータ204は、円筒形状の空気極支持体205に収容されている。空気極支持体205は、円筒内中央部に仕切り251があり、仕切り251により空気極201が配置される第1領域205aと、負極202およびセパレータ204が配置される第2領域205bとに区画されている。また、仕切り251は中央部が開口しており、開口部により第1領域205aと第2領域205bが連通している。   The air electrode 201, the negative electrode 202, the electrolyte 203, and the separator 204 are accommodated in a cylindrical air electrode support 205. The air electrode support 205 has a partition 251 at the center in the cylinder, and is partitioned into a first region 205 a where the air electrode 201 is disposed and a second region 205 b where the negative electrode 202 and the separator 204 are disposed. ing. The partition 251 has an opening at the center, and the first region 205a and the second region 205b communicate with each other through the opening.

液状の電解質203は、仕切り251の開口に配置され、空気極201および塩橋となるセパレータ204に挟まれている。セパレータ204には電解質203が含浸している。なお、セパレータ204の周囲にも電解質203は配置されている。電解質203は、1mol/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド/炭酸プロピレン[(CF3SO22NLi/PC]溶液である。 The liquid electrolyte 203 is disposed in the opening of the partition 251 and is sandwiched between the air electrode 201 and a separator 204 serving as a salt bridge. The separator 204 is impregnated with the electrolyte 203. Note that the electrolyte 203 is also disposed around the separator 204. The electrolyte 203 is a 1 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylimide / propylene carbonate [(CF 3 SO 2 ) 2 NLi / PC] solution.

また、空気極201は、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE)より構成された空気極固定用リング206と仕切り251とに挟まれて、空気極支持体205の円筒内の第1領域205aに固定されている。空気極固定用リング206の開口内において、空気極101と空気との接触する電極の有効面積は、2cm2とされている。一方、セパレータ204は、PTFEより構成された負極固定用リング207と仕切り251とに挟まれて、空気極支持体205の円筒内の第2領域205bに固定されている。このようにして、液状の電解質203が、仕切り251の開口において空気極201とセパレータ204との間に封入されている。 The air electrode 201 is sandwiched between an air electrode fixing ring 206 made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and a partition 251, and is fixed to a first region 205 a in the cylinder of the air electrode support 205. Yes. In the opening of the air electrode fixing ring 206, the effective area of the electrode in contact with the air electrode 101 and air is 2 cm 2 . On the other hand, the separator 204 is sandwiched between a negative electrode fixing ring 207 made of PTFE and a partition 251, and is fixed to a second region 205 b in the cylinder of the air electrode support 205. In this way, the liquid electrolyte 203 is sealed between the air electrode 201 and the separator 204 at the opening of the partition 251.

また、負極202は、負極固定用リング207の内部で、負極固定用座金208が積層され、この上に金属から構成された負極支持体209が被せられている。負極202は、厚さ150μmの4枚の金属リチウム箔が同心円上に重ねられて構成され、負極固定用座金208に圧着されている。負極202は、有効面積が2cm2とされている。負極支持体209は、固定ねじ210により空気極支持体205に固定されている。また、空気極支持体205と負極支持体209との間には、Oリング211が配置されている。 The negative electrode 202 has a negative electrode fixing washer 208 laminated inside a negative electrode fixing ring 207, and a negative electrode support 209 made of a metal covered thereon. The negative electrode 202 is configured by concentrating four metal lithium foils having a thickness of 150 μm on concentric circles, and is pressure-bonded to the negative electrode fixing washer 208. The negative electrode 202 has an effective area of 2 cm 2 . The negative electrode support 209 is fixed to the air electrode support 205 by a fixing screw 210. Further, an O-ring 211 is disposed between the air electrode support 205 and the negative electrode support 209.

固定ねじ210により空気極支持体205の側に押しつけられている負極支持体209により、負極固定用座金208を介し、負極202がセパレータ204の方向に押圧され、セパレータ204に圧接されている。これら構成としたリチウム空気二次電池は、露点が−60℃以下の乾燥空気中で作製した。   The negative electrode 202 is pressed in the direction of the separator 204 through the negative electrode fixing washer 208 by the negative electrode support 209 pressed against the air electrode support 205 by the fixing screw 210, and is pressed against the separator 204. The lithium air secondary batteries having these configurations were produced in dry air having a dew point of −60 ° C. or lower.

なお、空気極支持体205は、金属から構成されているが、図示していないが、PTFEに被覆され、電解質203,セパレータ204などと絶縁分離されている。なお、空気極201と空気極支持体205が接触する部分は、電気的接触をとるためにPTFEによる被覆を施さない。また、金属から構成された固定ねじ210も、図示していないが、PTFEに被覆され、空気極支持体205と負極支持体209とが、電気的に分離された状態としている。   Although the air electrode support 205 is made of metal, although not shown, it is covered with PTFE and insulated and separated from the electrolyte 203, the separator 204, and the like. Note that the portion where the air electrode 201 and the air electrode support 205 are in contact with each other is not covered with PTFE in order to make electrical contact. Further, although not shown, the fixing screw 210 made of metal is covered with PTFE so that the air electrode support 205 and the negative electrode support 209 are electrically separated.

[実施例1]
はじめに、実施例1について説明する。実施例1は、三次元網目構造を有するカーボン共連続多孔体が担持された担体を空気極として使用する例である。空気極の電極として用いる三次元網目構造を有するカーボン共連続多孔体が担持された担体を以下のようにして合成した。
[Example 1]
First, Example 1 will be described. Example 1 is an example in which a carrier on which a carbon co-continuous porous body having a three-dimensional network structure is supported is used as an air electrode. A carrier on which a carbon co-continuous porous body having a three-dimensional network structure used as an electrode of an air electrode was supported was synthesized as follows.

市販されているポリアクリロニトリル(平均分子量15万;Sigma−Aldrich製)を、ポリアクリロニトリルの良溶媒であるジメチルスルホキシド(DMSO)溶媒に85mg/mlの濃度で加え、50℃で攪拌して溶解させた。完全に溶解させた後、適当量の溶液を市販されているカーボンシート(東レ製)上に取り出し、へらを使用してカーボンシート上に均一に塗布した。   Commercially available polyacrylonitrile (average molecular weight 150,000; manufactured by Sigma-Aldrich) was added at a concentration of 85 mg / ml to dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent, which is a good solvent for polyacrylonitrile, and dissolved by stirring at 50 ° C. . After complete dissolution, an appropriate amount of the solution was taken out on a commercially available carbon sheet (manufactured by Toray Industries, Inc.) and applied uniformly onto the carbon sheet using a spatula.

以上のようにしてカーボンシート上に塗布した塗膜を、ポリアクリロニトリルの貧溶媒である水を2L/minの流量で15分間晒した。この処理により、溶解できなくなったポリアクリロニトリルが貧溶媒である水の液滴の周りに析出し、白色のポリアクリロニトリル共連続多孔体(固体)がカーボンシート上に形成された。この後、室温で真空乾燥を一晩行った。以上のことにより、ポリアクリロニトリル共連続多孔体を担持したカーボンシート(担体)を得た。   The coating film applied on the carbon sheet as described above was exposed to water, which is a poor solvent for polyacrylonitrile, at a flow rate of 2 L / min for 15 minutes. As a result of this treatment, polyacrylonitrile that could not be dissolved was deposited around water droplets as a poor solvent, and a white polyacrylonitrile co-continuous porous body (solid) was formed on the carbon sheet. This was followed by vacuum drying overnight at room temperature. The carbon sheet (carrier | carrier) which carry | supported the polyacrylonitrile co-continuous porous body by the above was obtained.

次に、ポリアクリロニトリル共連続多孔体を担持したカーボンシートを、窒素雰囲気中230℃で60分配置する結晶化処理を施した。この後、二酸化炭素雰囲気において、1000℃まで4℃/minの昇温速度で加熱し、カーボンシートに担持されているポリアクリロニトリル共連続多孔体をカーボン化(炭化)した。   Next, a crystallization treatment was performed in which the carbon sheet carrying the polyacrylonitrile co-continuous porous material was placed in a nitrogen atmosphere at 230 ° C. for 60 minutes. Thereafter, the polyacrylonitrile co-continuous porous material supported on the carbon sheet was carbonized (carbonized) by heating to 1000 ° C. at a rate of 4 ° C./min in a carbon dioxide atmosphere.

炭化により得られたカーボン共連続多孔体を担持したカーボンシートを、X線回折(XRD)測定、走査型電子顕微鏡(SEM)観察、BET比表面積測定を行い、評価した。作製したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートは、XRD測定より、カーボン(C,PDFカードNo.01−071−4630)単相であることを確認した。また、SEM観察により、カーボンシートを形成しているカーボン繊維上に、粒子同士が連続に連なり平均孔径が1μmとなっている共連続多孔体が担持されていることが確認された。また、BET法により、カーボン共連続多孔体の比表面積を測定したところ、150m2/gであった。平均孔径は、カーボン共連続多孔体112が担持された担体111を水銀圧入法により求めた。これは、以下の各実施例においても同様である。 The carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material obtained by carbonization was evaluated by performing X-ray diffraction (XRD) measurement, scanning electron microscope (SEM) observation, and BET specific surface area measurement. The produced carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material was confirmed to be a single phase of carbon (C, PDF card No. 01-071-4630) by XRD measurement. Moreover, it was confirmed by SEM observation that a co-continuous porous body in which the particles are continuously connected and the average pore diameter is 1 μm is supported on the carbon fibers forming the carbon sheet. Moreover, it was 150 m < 2 > / g when the specific surface area of the carbon co-continuous porous body was measured by BET method. The average pore diameter was determined by mercury porosimetry for the carrier 111 on which the carbon co-continuous porous body 112 was supported. The same applies to the following embodiments.

このカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを、打ち抜き刃、レーザーカッタなどにより直径23mmの円形に切り抜き、ガス拡散型の空気極を得た。   The carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous body was cut into a circle having a diameter of 23 mm with a punching blade, a laser cutter, or the like to obtain a gas diffusion type air electrode.

得られた実施例1の空気極により構成したリチウム空気二次電池セルの電池性能を測定した。なお、電池性能の測定試験においては、空気極端子221よび負極端子222を用いた。   The battery performance of the lithium air secondary battery cell constituted by the obtained air electrode of Example 1 was measured. In the battery performance measurement test, the air electrode terminal 221 and the negative electrode terminal 222 were used.

電池のサイクル試験は、市販の充放電測定システム(BioLogic社製、VMP−3)を用い、空気極の有効面積当たりの電流密度で0.1mA/cm2を通電し、開回路電圧から電池電圧が、2.0Vに低下するまで測定を行った。また、充電は、同電流密度で、電池電圧が4.2Vに増加するまで行った。充放電容量は、実施例1の空気極の重量当たりの値(mAh/g)で表した。初回の放電および充電曲線を図3に示す。図3において、放電を破線で示し、充電を実線で示した。なお、電池の充放電試験は、通常の生活環境下(常温大気圧下)で行った。 In the battery cycle test, a commercially available charge / discharge measurement system (BioLogic, VMP-3) was used, and a current density of 0.1 mA / cm 2 per effective area of the air electrode was applied. However, it measured until it fell to 2.0V. Charging was performed at the same current density until the battery voltage increased to 4.2V. The charge / discharge capacity was expressed as a value (mAh / g) per weight of the air electrode of Example 1. The initial discharge and charge curves are shown in FIG. In FIG. 3, the discharge is indicated by a broken line and the charge is indicated by a solid line. The battery charge / discharge test was performed under a normal living environment (normal temperature and atmospheric pressure).

図3に示すように、実施例1の空気極によりリチウム空気二次電池セルの平均放電電圧は2.7Vであり、放電容量は950mAh/gであることが分かる。なお、平均放電電圧は、電池の放電容量(本実施例では950mAh/g)の1/2の放電量(本実施例では475mAh/g)の時の電池電圧とする。また、初回の充電容量は、放電容量とほぼ同様の850mAh/gであり、可逆性に優れていることが分かる。また、充電時の電圧については、図3より、およそ3.5Vに平坦部分が見られ、従来の報告より低い値を示すことが分かった。   As shown in FIG. 3, it can be seen from the air electrode of Example 1 that the lithium-air secondary battery cell has an average discharge voltage of 2.7 V and a discharge capacity of 950 mAh / g. The average discharge voltage is the battery voltage when the discharge amount is ½ (475 mAh / g in this embodiment) of the battery discharge capacity (950 mAh / g in this embodiment). In addition, the initial charge capacity is 850 mAh / g, which is almost the same as the discharge capacity, and it can be seen that the reversibility is excellent. Moreover, about the voltage at the time of charge, it turned out that a flat part is seen by about 3.5V from FIG. 3, and shows a value lower than the conventional report.

充放電電圧の推移を以下の表1に示す。表1は、比較例2の説明の後に示している。実施例1では、充放電において若干の過電圧の増加が見られるが、ほぼ安定した電圧を示すことが分かった。このように、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートは、リチウム空気二次電池の空気極として非常に優れた安定性を有していることが分かった。   The transition of charge / discharge voltage is shown in Table 1 below. Table 1 is shown after the description of Comparative Example 2. In Example 1, although a slight increase in overvoltage was observed during charging / discharging, it was found that a substantially stable voltage was exhibited. Thus, it was found that the carbon sheet on which the carbon co-continuous porous material was supported had very excellent stability as the air electrode of the lithium air secondary battery.

放電容量のサイクル依存性を図4および表2に示す。表2に示すように、比較例2の説明の後に示している実施例1のリチウム空気二次電池は、後述する粉末カーボンを用いた空気極によるリチウム空気二次電池について評価した比較例1に比較し、放電容量(mAh/g)の減少の傾きは緩やかになり、充放電サイクルを100回繰り返してもサイクル試験が可能であった。   The cycle dependency of the discharge capacity is shown in FIG. As shown in Table 2, the lithium-air secondary battery of Example 1 shown after the description of Comparative Example 2 is the same as Comparative Example 1 evaluated for a lithium-air secondary battery with an air electrode using powdered carbon described later. In comparison, the slope of the decrease in discharge capacity (mAh / g) became gentle, and a cycle test was possible even after repeating the charge / discharge cycle 100 times.

[実施例2]
次に、実施例2について説明する。実施例2では、触媒として遷移金属酸化物を含むカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを空気極として用いた。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described. In Example 2, a carbon sheet carrying a carbon co-continuous porous material containing a transition metal oxide as a catalyst was used as an air electrode.

カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートに遷移金属酸化物を担持する手法を用いてガス拡散型の空気極を調製した。以下では、代表として、RuO2からなる触媒を担持する製造方法を示すが、Ruを任意の遷移金属に変えることで、遷移金属酸化物を担持することができる。なお、触媒として用いた遷移金属酸化物は、表2,表3に示す通りである。 A gas diffusion type air electrode was prepared using a technique in which a transition metal oxide is supported on a carbon sheet on which a carbon co-continuous porous material is supported. In the following, a production method for supporting a catalyst made of RuO 2 will be shown as a representative, but a transition metal oxide can be supported by changing Ru to an arbitrary transition metal. The transition metal oxides used as catalysts are as shown in Tables 2 and 3.

カーボン共連続多孔が担持されたカーボンシートの評価法、並びに電極と電池の作製法およびこれらの評価法は、実施例1と同様にして行った。カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートは、実施例1に示した最初のプロセスと同様に作製した。   The evaluation method of the carbon sheet on which carbon co-continuous pores were supported, the production method of the electrode and the battery, and these evaluation methods were performed in the same manner as in Example 1. The carbon sheet on which the carbon co-continuous porous material was supported was produced in the same manner as the first process shown in Example 1.

カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを作製した後、市販の塩化ルテニウム(RuCl3;フルヤ金属社製)を蒸留水に溶解し、この水溶液に作製したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを含浸させ、これらに塩化ルテニウムを担持させた。 After producing a carbon sheet carrying a carbon co-continuous porous material, commercially available ruthenium chloride (RuCl 3 ; manufactured by Furuya Metal Co., Ltd.) was dissolved in distilled water, and the produced carbon co-continuous porous material was carried in this aqueous solution. Carbon sheets were impregnated and ruthenium chloride was supported on them.

次いで、塩化ルテニウムを担持したカーボン共連続多孔体およびカーボンシートに、徐々にアンモニア水(28%)をpH7.0になるまで滴下し、水酸化ルテニウムを析出させた。析出物は、塩素が残留しないように、蒸留水による洗浄を5回繰り返した。このようにして得られた水酸化ルテニウムが付着(担持)したカーボン共連続多孔体およびカーボンシートを、アルゴン雰囲気中500℃で6時間熱処理し、RuO2による触媒が付着した、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを作製した。 Next, ammonia water (28%) was gradually added dropwise to the carbon co-continuous porous material and the carbon sheet carrying ruthenium chloride until the pH reached 7.0, thereby precipitating ruthenium hydroxide. The precipitate was repeatedly washed with distilled water five times so that no chlorine remained. The carbon co-continuous porous body and the carbon sheet adhered (supported) with ruthenium hydroxide thus obtained were heat-treated at 500 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere, and the carbon co-continuous porous body to which a RuO 2 catalyst was adhered. Was produced.

作製したRuO2からなる触媒が付着したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを、XRD測定、熱重量・示差熱(TG−DTA)分析、透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行い、評価した。 The carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material to which the catalyst made of RuO 2 is attached is evaluated by XRD measurement, thermogravimetric / differential heat (TG-DTA) analysis, and transmission electron microscope (TEM) observation. did.

XRD測定より。酸化ルテニウム(RuO2,PDFファイルNo.40−1290)のピークが観察され、担持された触媒は、酸化ルテニウム単相であることが確認された。また、TG−DTA測定により、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートおよびRuO2は水和物となっていないことを確認した。TEM観察により、RuO2による触媒は、カーボン共連続多孔体の表面に平均粒径100nmの粒子状で析出しているのが観察された。なお、平均粒径(平均粒子径)は、SEMなどで拡大し、10μm四方(10μm×10μm)あたりの粒子の直径を計測して、平均値を求めた。これは、以下の各実施例においても同様である。 From XRD measurement. A peak of ruthenium oxide (RuO 2 , PDF file No. 40-1290) was observed, and it was confirmed that the supported catalyst was a ruthenium oxide single phase. Moreover, it was confirmed by the TG-DTA measurement that the carbon sheet on which the carbon co-continuous porous material was supported and RuO 2 were not hydrated. By TEM observation, it was observed that the RuO 2 catalyst was precipitated in the form of particles having an average particle diameter of 100 nm on the surface of the carbon co-continuous porous body. In addition, the average particle diameter (average particle diameter) was expanded by SEM and the diameter of particles per 10 μm square (10 μm × 10 μm) was measured to obtain an average value. The same applies to the following embodiments.

上述した実施例2の、RuO2を触媒とした担持したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを空気極に用いたリチウム空気二次電池の、放電容量および充放電電圧のサイクル依存性を図4,表1,表2,表3に示す。 The cycle dependency of the discharge capacity and charge / discharge voltage of the lithium-air secondary battery using the carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material carrying RuO 2 as a catalyst in Example 2 described above as the air electrode. FIG. 4, Table 1, Table 2 and Table 3 show.

図4に示すように,実施例2では、放電容量は、初回で1320mAh/gを示し、実施例1のような触媒を用いていない場合よりも大きい値であった。また、実施例2では、充放電のサイクルを繰り返しても、安定した挙動を示すことが分かった。また、表1に示すように、充放電電圧についても、実施例1よりも過電圧の減少が見られ、充放電のエネルギー効率の改善が達成された。また、充放電電圧について、サイクルを繰り返しても顕著な過電圧の増加は見られず、実施例2のリチウム空気二次電池は、安定に作動することが確認された。   As shown in FIG. 4, in Example 2, the discharge capacity was 1320 mAh / g for the first time, which was larger than that in the case where the catalyst as in Example 1 was not used. Moreover, in Example 2, even if it repeated the cycle of charging / discharging, it turned out that the stable behavior is shown. In addition, as shown in Table 1, the charge / discharge voltage was also reduced more than in Example 1, and an improvement in charge / discharge energy efficiency was achieved. Further, regarding the charge / discharge voltage, no significant increase in overvoltage was observed even when the cycle was repeated, and it was confirmed that the lithium-air secondary battery of Example 2 operated stably.

上述した実施例2における特性の向上は、非常に大きな活性を有したRuO2を電極触媒として用いることにより、酸素還元(放電)および酸素発生(充電)の両反応が、空気極においてスムーズに行われたことによると考えられる。 The improvement of the characteristics in Example 2 described above is that the reaction of oxygen reduction (discharge) and oxygen generation (charge) can be smoothly performed at the air electrode by using RuO 2 having very large activity as an electrode catalyst. This is thought to be due to the fact that

表2,表3に、実施例2における触媒を構成する金属酸化物を、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化銀、酸化カドミウム、酸化パラジウム、酸化鉛、酸化ルテニウム、酸化ロジウム、酸化プラセオジム、酸化セリウム、酸化ニオブ、酸化イットリウム、酸化タンタル、酸化錫とした場合の、放電容量および充放電電圧のサイクル依存性を示す。   In Tables 2 and 3, the metal oxides constituting the catalyst in Example 2 are titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, zinc oxide, molybdenum oxide, Cycle dependence of discharge capacity and charge / discharge voltage when using silver oxide, cadmium oxide, palladium oxide, lead oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, praseodymium oxide, cerium oxide, niobium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide, tin oxide Indicates.

実施例2の代表例としたRuO2の場合と同様に、いずれの金属酸化物を用いた場合であっても、放電容量は、初回で1000mAh/g程度を示し、実施例1のような触媒用いていない場合よりも大きい値であった。これらの金属酸化物の例の場合も、RuO2の場合と同様に、触媒として効率的に機能したことにより電池特性が改善されたものと考えられる。 As in the case of RuO 2 as a representative example of Example 2, the discharge capacity shows about 1000 mAh / g for the first time regardless of which metal oxide is used. The value was larger than when not used. In the case of these metal oxides, as in the case of RuO 2 , it is considered that the battery characteristics were improved by functioning efficiently as a catalyst.

[実施例3]
次に、実施例3について説明する。実施例3は、金属酸化物の水和物を触媒として用いたカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートにより空気極を構成している。触媒としては、酸化ルテニウムの水和物(RuO2・nH2O)を用いた。RuO2・nH2Oは、実施例2に示したプロセスで、最後の500℃で6時間の熱処理を行わないことで合成した。カーボン共連続多孔の評価法や、電極や電池の作製法および評価法は、実施例1と同様にして行った。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described. In Example 3, an air electrode is constituted by a carbon sheet on which a carbon co-continuous porous body using a metal oxide hydrate as a catalyst is supported. As the catalyst, ruthenium oxide hydrate (RuO 2 .nH 2 O) was used. RuO 2 .nH 2 O was synthesized by the process shown in Example 2 without performing the final heat treatment at 500 ° C. for 6 hours. The carbon co-continuous porosity evaluation method and the electrode and battery production method and evaluation method were performed in the same manner as in Example 1.

XRD測定より、得られたRuO2・nH2Oは、アモルファスであることが確認された。RuO2・nH2Oの水分子の量は、TG−DTA測定よりn=0.5であることが分かった。TEM観察により、RuO2・nH2Oによる触媒は、カーボン共連続多孔体の表面に平均粒径50nmの粒子状で析出しているのが観察された。 From the XRD measurement, it was confirmed that the obtained RuO 2 · nH 2 O was amorphous. The amount of water molecules of RuO 2 · nH 2 O was found to be n = 0.5 from TG-DTA measurement. By TEM observation, it was observed that the catalyst based on RuO 2 · nH 2 O was precipitated in the form of particles having an average particle diameter of 50 nm on the surface of the carbon co-continuous porous body.

RuO2・0.5H2Oを空気極の電極触媒として用いた実施例3のリチウム空気二次電池の放電容量および充放電電圧のサイクル依存性を図4,表1,表3に示す。 FIG. 4, Table 1 and Table 3 show the cycle dependency of the discharge capacity and charge / discharge voltage of the lithium-air secondary battery of Example 3 using RuO 2 .0.5H 2 O as the electrode catalyst for the air electrode.

図4に示すように実施例3における放電容量は、初回で1460mAh/gを示し、実施例2のような水和物となっていないRuO2を触媒とした場合よりも大きい値であった。また、サイクルを繰り返しても、安定した挙動を示すことが分かった。 As shown in FIG. 4, the discharge capacity in Example 3 was 1460 mAh / g for the first time, which was a larger value than that in the case of using RuO 2 that was not hydrated as in Example 2 as a catalyst. It was also found that even when the cycle was repeated, stable behavior was exhibited.

上記のような実施例3における特性向上は、RuO2・0.5H2Oよりなる電極触媒が非常に大きな表面積を有しているため、放電時の酸化リチウムの析出サイトが増加したことが考えられる。また、酸素の吸着能が向上し、効率的に触媒として機能したためであると考えられる。 The improvement in characteristics in Example 3 as described above is considered because the deposition site of lithium oxide during discharge increased because the electrode catalyst made of RuO 2 .0.5H 2 O had a very large surface area. It is done. Further, it is considered that the oxygen adsorption ability was improved and the oxygen functioned efficiently.

[実施例4]
次に、実施例4について説明する。実施例4は、ルテニウム金属を触媒として含むカーボン共連続多孔体、または、酸化ルテニウムを触媒として含むカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを空気極に用いたリチウム空気二次電池の例である。
[Example 4]
Next, Example 4 will be described. Example 4 is an example of a lithium-air secondary battery using, as an air electrode, a carbon co-continuous porous body containing ruthenium metal as a catalyst or a carbon sheet carrying a carbon co-continuous porous body containing ruthenium oxide as a catalyst. is there.

空気極の製造方法として、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートに金属RuまたはRuO2を付着させる手法に以下の方法を用いた。 As a manufacturing method of the air electrode, the following method was used as a method of attaching metal Ru or RuO 2 to a carbon sheet on which a carbon co-continuous porous body was supported.

カーボン共連続多孔の評価法、電極、電池の作製法、およびこれらの評価法は、実施例1と同様にして行った。カーボン共連続多孔体は、実施例1に示した最初のプロセスと同様に作製した。   The carbon co-continuous porosity evaluation method, the electrode and battery production methods, and these evaluation methods were carried out in the same manner as in Example 1. The carbon co-continuous porous material was produced in the same manner as in the first process shown in Example 1.

次に、界面活性剤であるポロキサマーのブロック共重合体のポロキサマージメタクリレート(Pluronic−F127、Aldrich製)を5mg/mlの濃度で蒸留水に溶解させ、この溶液にカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを浸漬させ、振とう器で24時間攪拌し、多孔体の細孔内に界面活性剤を分散させた。   Next, poloxamer methacrylate (Pluronic-F127, manufactured by Aldrich), a block copolymer of poloxamer, which is a surfactant, is dissolved in distilled water at a concentration of 5 mg / ml, and the carbon co-continuous porous material is supported on this solution. The carbon sheet was immersed and stirred with a shaker for 24 hours to disperse the surfactant in the pores of the porous body.

次に、上記溶液に、0.1mol/Lの塩化ルテニウム(RuCl3;フルヤ金属社製)水溶液を加えて振とう器で24時間攪拌し、多孔体内部に塩化ルテニウム塩を含浸させた。この後、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを50℃で蒸発乾固し、窒素雰囲気中300℃で熱処理して界面活性剤を除去し、金属Ruが付着したカーボン共連続多孔体を得た。 Next, 0.1 mol / L aqueous solution of ruthenium chloride (RuCl 3 ; manufactured by Furuya Metal Co., Ltd.) was added to the above solution and stirred for 24 hours with a shaker to impregnate the porous body with ruthenium chloride salt. Thereafter, the carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous body is evaporated to dryness at 50 ° C., heat treated at 300 ° C. in a nitrogen atmosphere to remove the surfactant, and the carbon co-continuous porous body to which the metal Ru is adhered is obtained. Obtained.

XRD測定により、得られた金属Ruは、ルテニウム金属単相(Ru,PDFカードNo.01−070−0274)であることを確認した。TEM観察により、カーボン共連続多孔体の孔内まで、Ruからなる触媒が、平均粒径2nmで均一に析出していることが確認された。   By XRD measurement, it was confirmed that the obtained metal Ru was a ruthenium metal single phase (Ru, PDF card No. 01-070-0274). By TEM observation, it was confirmed that the catalyst composed of Ru was uniformly deposited with an average particle diameter of 2 nm up to the pores of the carbon co-continuous porous body.

次に、上記のようにして得られた金属Ruを、空気中において300℃で12時間加熱した。XRD測定より、得られたRuO2は、アモルファスであることを確認した。また、TEM観察により、Ruによる触媒が付着したカーボン共連続多孔体と同様に、孔内までRuO2からなる触媒が、平均粒径5nmで均一に析出していることが確認された。 Next, the metal Ru obtained as described above was heated in air at 300 ° C. for 12 hours. From XRD measurement, it was confirmed that the obtained RuO 2 was amorphous. Further, TEM observation confirmed that the catalyst composed of RuO 2 was uniformly deposited with an average particle diameter of 5 nm in the pores as in the case of the carbon co-continuous porous body to which the Ru catalyst was attached.

上述した製造法で作製した金属RuおよびRuO2を、空気極の電極触媒として用いたリチウム空気二次電池の、放電容量および充放電電圧のサイクル依存性を図4,表1,表3に示す。 FIG. 4, Table 1, and Table 3 show the cycle dependency of the discharge capacity and the charge / discharge voltage of the lithium-air secondary battery using the metal Ru and RuO 2 produced by the above-described manufacturing method as an electrode catalyst for the air electrode. .

図4に示すように実施例4の放電容量は、金属Ruに関しては、初回で2640mAh/gを示し、RuO2に関しては、初回で2170mAh/gを示した。これは、金属RuおよびRuO2共に、実施例3のような本発明の製造方法を用いていないRuO2を触媒とした場合よりも大きい値であった。また、金属RuおよびRuO2共に、100回のサイクル試験後も高い放電容量を示した。 As shown in FIG. 4, the discharge capacity of Example 4 was 2640 mAh / g for the first time for metal Ru, and 2170 mAh / g for the first time for RuO 2 . This was a larger value for both the metal Ru and RuO 2 than when RuO 2 not using the production method of the present invention as in Example 3 was used as a catalyst. Further, both metal Ru and RuO 2 showed high discharge capacity even after 100 cycle tests.

なお、金属Ruを含むカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートは、触媒が金属であるため、金属ルテニウムが電解液にルテニウムイオンの形で溶出しやすく、腐食に弱い。このため、RuO2と比較すると、長期安定性が低下した。ただし、図4から明らかなように、従来法で得られるルテニウム触媒を含むカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートよりも放電容量は優れている。 In the carbon sheet on which the carbon co-continuous porous body containing metal Ru is supported, the catalyst is a metal, so that the metal ruthenium is easily eluted in the form of ruthenium ions in the electrolytic solution, and is vulnerable to corrosion. Therefore, compared to RuO 2, long-term stability is lowered. However, as is apparent from FIG. 4, the discharge capacity is superior to the carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material containing the ruthenium catalyst obtained by the conventional method.

また、表1に示すように、充放電電圧についても、実施例3よりも過電圧の減少が見られ、充放電のエネルギー効率が改善されていることが分かる。また、充放電電圧についても、サイクルを繰り返しても顕著な過電圧増加は見られず、安定に作動することを確認した。   Moreover, as shown in Table 1, also about charge / discharge voltage, the reduction of overvoltage was seen rather than Example 3, and it turns out that the energy efficiency of charge / discharge is improved. In addition, regarding the charge / discharge voltage, it was confirmed that no significant overvoltage increase was observed even when the cycle was repeated, and the operation was stable.

上述した本発明の製造方法により、電極触媒である金属RuおよびRuO2が、比表面積の大きなカーボン共連続多孔体上に高分散で担持されるようになり、また低温加熱処理により酸化ルテニウムの比表面積が増加する。このような大きな比表面積に伴い、放電時の酸化リチウムの析出サイト増加、および酸素の吸着能の向上が実現される。上記のような特性の向上は、このような本発明の製造方法に基づく各種の改善が理由と考えられる。 By the production method of the present invention described above, the metal Ru and RuO 2 as the electrode catalyst are supported in a highly dispersed state on the carbon co-continuous porous material having a large specific surface area, and the ratio of ruthenium oxide is reduced by low-temperature heat treatment. Increases surface area. With such a large specific surface area, an increase in lithium oxide deposition sites during discharge and an improvement in oxygen adsorption capacity are realized. The improvement in the characteristics as described above is considered to be caused by various improvements based on the production method of the present invention.

[実施例5]
次に、実施例5について説明する。実施例5は、高温高圧の水中から調製した酸化ルテニウム水和物を触媒として含むカーボン共連続多孔体を空気極に用いたリチウム空気二次電池の例である。
[Example 5]
Next, Example 5 will be described. Example 5 is an example of a lithium-air secondary battery in which a carbon co-continuous porous material containing ruthenium oxide hydrate prepared from high-temperature and high-pressure water as a catalyst is used as an air electrode.

実施例5における空気極の製造方法として、カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートに、RuO2・nH2Oからなる触媒を更に担持する手法に以下の方法を用いた。 As a manufacturing method of the air electrode in Example 5, the following method was used as a method of further supporting a catalyst made of RuO 2 · nH 2 O on a carbon sheet on which a carbon co-continuous porous material was supported.

カーボン共連続多孔が担持されたカーボンシートの評価法、電極,電池の作製法、およびこれらの評価法は、実施例1と同様にして行った。カーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートは、実施例1に示した最初のプロセスと同様に作製した。   The evaluation method of the carbon sheet carrying the carbon co-continuous pores, the electrode and battery manufacturing methods, and these evaluation methods were performed in the same manner as in Example 1. The carbon sheet on which the carbon co-continuous porous material was supported was produced in the same manner as the first process shown in Example 1.

次に、Ruからなる触媒を高分散担持したカーボン共連続多孔体を、実施例4と同様に作製した。   Next, a carbon co-continuous porous body carrying a highly dispersed catalyst made of Ru was produced in the same manner as in Example 4.

次に、水熱合成用の密閉容器に、実施例4と同様に作製して得られた金属Ruを担持したカーボン共連続多孔体および蒸留水を収容し、自生圧下(12〜20MPa程度)、180℃で24時間加熱した。   Next, in a closed vessel for hydrothermal synthesis, a carbon co-continuous porous material carrying a metal Ru obtained by producing in the same manner as in Example 4 and distilled water are housed, and under an autogenous pressure (about 12 to 20 MPa). Heated at 180 ° C. for 24 hours.

上述の処理の後で密閉容器より取り出したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを、室温で真空乾燥した。XRD測定より、得られた酸化ルテニウムは、水和物(RuO2・nH2O)のアモルファスであることが確認された。RuO2・nH2Oの水分子の量は、TG−DTA測定よりn=0.7であることが分かった。 The carbon sheet carrying the carbon co-continuous porous material taken out from the sealed container after the above treatment was vacuum-dried at room temperature. From the XRD measurement, it was confirmed that the obtained ruthenium oxide was an amorphous hydrate (RuO 2 .nH 2 O). The amount of water molecules of RuO 2 · nH 2 O was found to be n = 0.7 from TG-DTA measurement.

TEM観察を行ったところ、Ruからなる触媒を含むカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートと同様、孔内までRuO2・nH2Oからなる触媒が平均粒径4nmで均一に析出していることが確認された。 As a result of TEM observation, a catalyst composed of RuO 2 · nH 2 O was uniformly deposited with an average particle diameter of 4 nm into the pores, as in the case of a carbon sheet carrying a carbon co-continuous porous material containing a catalyst composed of Ru. It was confirmed that

上述した製造法で作製した実施例4におけるRuO2・0.7H2Oを空気極の電極触媒として用いたリチウム空気二次電池の、放電容量および充放電電圧のサイクル依存性を図4,表1,表3に示す。 The cycle dependency of the discharge capacity and the charge / discharge voltage of the lithium-air secondary battery using RuO 2 .0.7H 2 O as an electrode catalyst for the air electrode in Example 4 produced by the manufacturing method described above is shown in FIG. 1, shown in Table 3.

図4に示すように実施例5におけるリチウム空気二次電池セルの放電容量は、初回で2420mAh/gを示した。これは、実施例4のような高温高圧水を用いず、空気中で酸化させて作製したRuO2を触媒とした場合よりも大きい値であった。また、充放電のサイクルに関しても、安定した作動をすることを確認した。 As shown in FIG. 4, the discharge capacity of the lithium-air secondary battery cell in Example 5 was 2420 mAh / g for the first time. This was a larger value than when RuO 2 produced by oxidizing in air without using high-temperature and high-pressure water as in Example 4 was used as a catalyst. Moreover, it confirmed that it act | operated stably also regarding the cycle of charging / discharging.

また、表1に示すように、充放電電圧についても、実施例3よりも過電圧の減少が見られ、充放電のエネルギー効率が改善されていることが分かる。また、充放電電圧についても、サイクルを繰り返しても顕著な過電圧増加は見られず、安定に作動することを確認した。   Moreover, as shown in Table 1, also about charge / discharge voltage, the reduction of overvoltage was seen rather than Example 3, and it turns out that the energy efficiency of charge / discharge is improved. In addition, regarding the charge / discharge voltage, it was confirmed that no significant overvoltage increase was observed even when the cycle was repeated, and the operation was stable.

なお、実施例4のような空気中での熱処理による酸化ではなく、高温高圧水を使用したことにより、酸化温度の低温化および水和物とすることが可能となった。このため、これらにより触媒(触媒粒子)の比表面積の増加、および触媒活性が向上し、実施例4のような高温高圧水を用いず、空気中で酸化させて作製したRuO2を触媒とした場合よりも大放電容量が実現したと考えられる。 In addition, by using high-temperature and high-pressure water instead of oxidation by heat treatment in air as in Example 4, it became possible to lower the oxidation temperature and to obtain a hydrate. Therefore, these increase the specific surface area of the catalyst (catalyst particles) and improve the catalytic activity, and RuO 2 produced by oxidizing in air without using high-temperature and high-pressure water as in Example 4 was used as the catalyst. It is considered that a larger discharge capacity was realized than in the case.

[比較例1]
次に、比較例1について説明する。比較例1は、カーボン(ケッチェンブラックEC600JD)およびRuO2を用いたリチウム空気二次電池セルを製造して評価した。
[Comparative Example 1]
Next, Comparative Example 1 will be described. In Comparative Example 1, a lithium-air secondary battery cell using carbon (Ketjen Black EC600JD) and RuO 2 was manufactured and evaluated.

空気極用の電極として公知であるカーボン(ケッチェンブラックEC600JD)とRuO2を用い、リチウム空気二次電池セルを以下のようにして作製した。 Lithium-air secondary battery cells were produced as follows using carbon (Ketjen Black EC600JD) and RuO 2 which are known as electrodes for the air electrode.

RuO2粉末、ケッチェンブラック粉末(ライオン製)およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(ダイキン製)を50:30:20の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕および混合し、混合物をロール成形してシート状電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径23mmの円形に切り抜き、チタンメッシュ上にプレスしてガス拡散型の空気極を得た。また、RuO2は、市販試薬(高純度化学研究所製)を用いた。また、作製したリチウム空気二次電池セルのサイクル試験の条件は、実施例1と同様である。 RuO 2 powder, Ketjen black powder (manufactured by Lion) and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (manufactured by Daikin) in a weight ratio of 50:30:20 are thoroughly pulverized and mixed using a milling machine. Was formed into a sheet electrode (thickness: 0.5 mm). The sheet electrode was cut into a circle having a diameter of 23 mm and pressed onto a titanium mesh to obtain a gas diffusion type air electrode. As RuO 2 , a commercially available reagent (manufactured by High Purity Chemical Laboratory) was used. Moreover, the conditions of the cycle test of the produced lithium air secondary battery cell are the same as in Example 1.

比較例2に係るリチウム空気二次電池の放電容量に関するサイクル性能を、実施例1〜4の結果とともに、図4,表1,表3に示す。   The cycle performance related to the discharge capacity of the lithium air secondary battery according to Comparative Example 2 is shown in FIGS.

図4に示すように,比較例1の初回放電容量は,910mAh/gであり、実施例1よりも小さな値を示した。また、充放電サイクルを繰り返すと、実施例1〜4とは異なり、放電容量の極端な減少が見られ、20サイクル後の容量維持率は、初期の約20%であった。   As shown in FIG. 4, the initial discharge capacity of Comparative Example 1 was 910 mAh / g, which was smaller than that of Example 1. Moreover, when the charge / discharge cycle was repeated, unlike Examples 1 to 4, an extreme decrease in the discharge capacity was observed, and the capacity retention rate after 20 cycles was about 20% of the initial value.

また、充放電電圧のサイクル依存性を実施例1〜4の結果とともに、表1に示した。表1に示されているように、比較例1による充放電過電圧は、実施例1〜4よりも高い値であるとともに、サイクルを繰り返すと明らかに過電圧が増加し、20回目で充放電が困難となった。なお、測定後に空気極を観察したところ、空気極の一部が崩れて電解液中に分散しており、空気極の電極構造が破壊されている様子が見られた。   The cycle dependency of the charge / discharge voltage is shown in Table 1 together with the results of Examples 1 to 4. As shown in Table 1, the charge / discharge overvoltage according to Comparative Example 1 is higher than those of Examples 1 to 4, and when the cycle is repeated, the overvoltage clearly increases and the charge / discharge is difficult at the 20th time. It became. In addition, when the air electrode was observed after the measurement, a part of the air electrode collapsed and dispersed in the electrolytic solution, and it was seen that the electrode structure of the air electrode was destroyed.

以上の比較例1の結果より、本発明のようにRuO2を含有したカーボン共連続多孔体が担持されたカーボンシートを含む空気極は、公知の材料よりも、容量および電圧に関してサイクル特性に優れており、リチウム空気二次電池用空気極として有効であることが確認された。 From the results of Comparative Example 1 described above, the air electrode including the carbon sheet on which the carbon co-continuous porous material containing RuO 2 is supported as in the present invention is superior in cycle characteristics with respect to capacity and voltage than known materials. It was confirmed that it is effective as an air electrode for a lithium-air secondary battery.

[比較例2]
比較例2は、RuO2を含むカーボン共連続多孔体を空気極として用いたリチウム空気二次電池を例示する。比較例2では、担体を用いず、カーボン共連続多孔体を単体で用いた。
[Comparative Example 2]
Comparative Example 2 exemplifies a lithium-air secondary battery using a carbon co-continuous porous material containing RuO 2 as an air electrode. In Comparative Example 2, a carbon co-continuous porous material was used alone without using a carrier.

RuO2を含むカーボン共連続多孔の評価法、電極と電池の作製法、およびこれらの評価法は、実施例2と同様にして行った。RuO2を含むカーボン共連続多孔体は、実施例2に示したプロセスで、ポリアクリロニトリルを溶解させたジメチルスルホキシド溶液をカーボンシートに塗布し、流水で晒す工程の代わりに、ポリアクリロニトリルを溶解させたジメチルスルホキシド溶液を適当量シャーレ等の容器に取り出し、これに霧吹きを使用して、貧溶媒である水を噴霧する工程を行うことで作製した。 The carbon co-continuous porosity evaluation method containing RuO 2 , the electrode and battery fabrication methods, and these evaluation methods were performed in the same manner as in Example 2. The carbon co-continuous porous material containing RuO 2 was prepared by dissolving polyacrylonitrile in the process shown in Example 2 instead of applying a dimethyl sulfoxide solution in which polyacrylonitrile was dissolved to a carbon sheet and exposing it to running water. An appropriate amount of the dimethyl sulfoxide solution was taken out into a container such as a petri dish, and sprayed with water, which is a poor solvent, using a spray bottle.

比較例2に係るリチウム空気二次電池の放電容量に関するサイクル性能を、実施例1〜4および比較例1の結果とともに図4,表3に示す。   The cycle performance regarding the discharge capacity of the lithium air secondary battery according to Comparative Example 2 is shown in FIG. 4 and Table 3 together with the results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

図4に示すように比較例2の初回放電容量は910mAh/gであり、実施例1よりも小さな値を示した。充放電サイクルを繰り返すと、放電容量の20サイクル後の容量維持率は初期の約50%であった。   As shown in FIG. 4, the initial discharge capacity of Comparative Example 2 was 910 mAh / g, which was smaller than that of Example 1. When the charge / discharge cycle was repeated, the capacity retention rate after 20 cycles of the discharge capacity was about 50% of the initial value.

また、比較例2における充放電電圧のサイクル依存性を、実施例1〜4および比較例1の結果とともに、表1に示した。   The cycle dependency of the charge / discharge voltage in Comparative Example 2 is shown in Table 1 together with the results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

表1からも分かるように、比較例2による充放電過電圧は、実施例1〜4よりも高い値であるとともに、サイクルを繰り返すと明らかに過電圧が増加し、75回目で充放電が困難となった。なお、測定後に空気極を観察したところ、空気極が割れていた。測定時に評価用セルから圧力が印加されたことにより破断したものと考えられる。この破断により、カーボン粒子同士の導電パスが切断され、サイクル特性が実施例1〜4より低くなっていると考えられる。   As can be seen from Table 1, the charge / discharge overvoltage according to Comparative Example 2 is higher than those in Examples 1 to 4, and the overvoltage clearly increases when the cycle is repeated, and charging / discharging becomes difficult at the 75th time. It was. In addition, when the air electrode was observed after the measurement, the air electrode was cracked. It is considered that the fracture occurred due to the application of pressure from the evaluation cell during measurement. It is considered that the conductive path between the carbon particles is cut by this breakage, and the cycle characteristics are lower than those of Examples 1 to 4.

以上の結果より、本発明のようにカーボン共連続多孔体が担持された担体により構成した空気極によるリチウム空気二次電池は、公知の材料を用いた場合よりも、容量および電圧に関してサイクル特性に優れており、リチウム空気二次電池用空気極として有効であることが確認された。   From the above results, the lithium-air secondary battery using the air electrode constituted by the carrier on which the carbon co-continuous porous material is supported as in the present invention has cycle characteristics with respect to capacity and voltage, compared to the case of using known materials. It was confirmed that it was excellent and effective as an air electrode for a lithium air secondary battery.

以上に説明したように、本発明によれば、多孔体からなる担体および担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボン共連続多孔体から空気極を構成したので、リチウム空気二次電池の充放電サイクル性能およびエネルギー効率を高くすると共に放電容量を高くすることができる。本発明によれば、充放電サイクル性能に優れたリチウム空気二次電池を作製することができ、作製したリチウム空気二次電池は、様々な電子機器の駆動源として有効利用することができる。   As described above, according to the present invention, since the air electrode is composed of the porous support and the carbon co-continuous porous body having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the support, the lithium air secondary The charge / discharge cycle performance and energy efficiency of the battery can be increased and the discharge capacity can be increased. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium air secondary battery excellent in charging / discharging cycling performance can be produced, and the produced lithium air secondary battery can be utilized effectively as a drive source of various electronic devices.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…空気極、102…負極、103…電解質、111…担体、112…カーボン共連続多孔体、113…触媒。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Air electrode, 102 ... Negative electrode, 103 ... Electrolyte, 111 ... Support | carrier, 112 ... Carbon co-continuous porous body, 113 ... Catalyst.

Claims (8)

多孔体からなる担体および前記担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボンから構成されたカーボン共連続多孔体からなる空気極と、
リチウムを含んで構成された負極と、
前記空気極と前記負極とに挾まれて配置された電解質と
を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池。
An air electrode composed of a porous carbon body and a carbon co-continuous porous body composed of carbon having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the carrier;
A negative electrode comprising lithium;
An lithium-air secondary battery, comprising: an electrolyte disposed between the air electrode and the negative electrode.
請求項1記載のリチウム空気二次電池において、
前記空気極に担持された触媒を備え、
前記触媒は、チタン酸化物、バナジウム酸化物、クロム酸化物、マンガン酸化物、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、銅酸化物、亜鉛酸化物、モリブデン酸化物、銀酸化物、カドミウム酸化物、パラジウム酸化物、鉛酸化物、ルテニウム酸化物、ロジウム酸化物、プラセオジム酸化物、セリウム酸化物、ニオブ酸化物、イットリウム酸化物、タンタル酸化物、および錫酸化物の少なくとも1つの金属酸化物から構成されている
ことを特徴とするリチウム空気二次電池。
The lithium air secondary battery according to claim 1,
Comprising a catalyst carried on the air electrode,
The catalyst is titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, zinc oxide, molybdenum oxide, silver oxide, cadmium oxidation At least one metal oxide of oxide, palladium oxide, lead oxide, ruthenium oxide, rhodium oxide, praseodymium oxide, cerium oxide, niobium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide, and tin oxide A lithium-air secondary battery characterized by being configured.
請求項2記載のリチウム空気二次電池において、
前記金属酸化物は、水分子を含む水和物であることを特徴とするリチウム空気二次電池。
The lithium air secondary battery according to claim 2,
The lithium-air secondary battery, wherein the metal oxide is a hydrate containing water molecules.
請求項1記載のリチウム空気二次電池において、
前記空気極に担持された触媒を備え、
前記触媒は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つの金属から構成されている
ことを特徴とするリチウム空気二次電池。
The lithium air secondary battery according to claim 1,
Comprising a catalyst carried on the air electrode,
The catalyst includes at least titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. A lithium-air secondary battery comprising a single metal.
ポリアクリロニトリルをポリアクリロニトリルに対する良溶媒に溶解して高分子量体溶液を得る第1工程と、
多孔体からなる担体に前記高分子量体溶液を塗布する第2工程と、
前記高分子量体溶液を塗布した前記担体をポリアクリロニトリルに対する貧溶剤に晒すことで、前記担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造の高分子共連続多孔体を析出させる第3工程と、
前記担体に担持された前記高分子共連続多孔体を熱処理して三次元網目構造のカーボン共連続多孔体とすることで、前記担体の全域にわたって連続に担持された三次元網目構造のカーボン共連続多孔体からなる空気極を作製する第4工程と、
前記空気極と、リチウムを含んで構成された負極と、前記空気極と前記負極とに挾まれて配置された電解質とから構成されたリチウム空気二次電池を作製する第5工程と
を備えることを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
A first step of dissolving polyacrylonitrile in a good solvent for polyacrylonitrile to obtain a high molecular weight solution;
A second step of applying the high molecular weight solution to a porous carrier;
A third step of depositing a polymer co-continuous porous body having a three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the carrier by exposing the carrier coated with the polymer solution to a poor solvent for polyacrylonitrile;
By heat-treating the polymer co-continuous porous material supported on the carrier to form a carbon co-continuous porous material having a three-dimensional network structure, the carbon co-continuous material of the three-dimensional network structure continuously supported over the entire area of the carrier A fourth step of producing an air electrode made of a porous body;
And a fifth step of producing a lithium-air secondary battery comprising the air electrode, a negative electrode including lithium, and an electrolyte disposed between the air electrode and the negative electrode. A method for producing a lithium air secondary battery.
請求項5記載のリチウム空気二次電池の製造方法において、
前記第4工程は、
前記カーボン共連続多孔体が担持された前記担体を界面活性剤の水溶液に浸漬して前記カーボン共連続多孔体および前記担体の表面に前記界面活性剤を付着させる第6工程と、
金属塩の水溶液を用いて前記界面活性剤が付着した前記カーボン共連続多孔体および前記担体の表面に前記界面活性剤により前記金属塩を付着させる第7工程と、
前記金属塩が付着した前記カーボン共連続多孔体および前記担体に対する熱処理により、前記金属塩を構成する金属または前記金属の酸化物からなる触媒を前記カーボン共連続多孔体および前記担体に担持させる第8工程と
を備え、
前記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つとする
ことを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
In the manufacturing method of the lithium air secondary battery according to claim 5,
The fourth step includes
A sixth step of immersing the carrier carrying the carbon co-continuous porous body in an aqueous solution of a surfactant to attach the surfactant to the surface of the carbon co-continuous porous body and the carrier;
A seventh step of attaching the metal salt to the surface of the carbon co-continuous porous body to which the surfactant is attached using an aqueous solution of the metal salt and the carrier with the surfactant;
A catalyst comprising the metal constituting the metal salt or the oxide of the metal is supported on the carbon co-continuous porous body and the support by heat treatment on the carbon co-continuous porous body and the support to which the metal salt is attached. Process and
The metal is at least titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. A method for producing a lithium-air secondary battery, characterized in that one is provided.
請求項5記載のリチウム空気二次電池の製造方法において、
前記第4工程は、
前記カーボン共連続多孔体および前記担体を金属塩の水溶液に浸漬して前記カーボン共連続多孔体および前記担体の表面に前記金属塩を付着させる第6工程と、
前記金属塩が付着した前記カーボン共連続多孔体および前記担体に対する熱処理により、前記金属塩を構成する金属からなる触媒を前記カーボン共連続多孔体および前記担体に担持させる第7工程と、
前記触媒が担持された前記カーボン共連続多孔体および前記担体を高温高圧の水に作用させることで前記触媒を金属酸化物の水和物とする第8工程と
を備え、
前記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つとする
ことを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
In the manufacturing method of the lithium air secondary battery according to claim 5,
The fourth step includes
A sixth step of immersing the carbon co-continuous porous body and the carrier in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body and the carrier;
A seventh step in which a catalyst comprising a metal constituting the metal salt is supported on the carbon co-continuous porous body and the support by heat treatment on the carbon co-continuous porous body and the support to which the metal salt is attached;
And an eighth step of making the catalyst a metal oxide hydrate by allowing the carbon co-continuous porous material on which the catalyst is supported and the support to act on high-temperature and high-pressure water,
The metal is at least titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. A method for producing a lithium-air secondary battery, characterized in that one is provided.
請求項5記載のリチウム空気二次電池の製造方法において、
前記第4工程は、
前記カーボン共連続多孔体および前記担体を金属塩の水溶液に浸漬して前記カーボン共連続多孔体および前記担体の表面に前記金属塩を付着させる第6工程と、
前記金属塩が付着した前記カーボン共連続多孔体および前記担体を高温高圧の水に作用させることで、前記金属塩を構成する金属による金属酸化物の水和物からなる触媒を前記カーボン共連続多孔体および前記担体に担持させる第7工程と
を備え、
前記金属は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、カドミウム、パラジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、プラセオジム、セリウム、ニオブ、イットリウム、タンタル、および錫の少なくとも1つとする
ことを特徴とするリチウム空気二次電池の製造方法。
In the manufacturing method of the lithium air secondary battery according to claim 5,
The fourth step includes
A sixth step of immersing the carbon co-continuous porous body and the carrier in an aqueous solution of a metal salt to attach the metal salt to the surfaces of the carbon co-continuous porous body and the carrier;
The carbon co-continuous porous body to which the metal salt is attached and the support are allowed to act on high-temperature and high-pressure water, whereby a catalyst comprising a metal oxide hydrate of the metal constituting the metal salt is converted into the carbon co-continuous porous And a seventh step of supporting the body and the carrier,
The metal is at least titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, molybdenum, silver, cadmium, palladium, lead, ruthenium, rhodium, praseodymium, cerium, niobium, yttrium, tantalum, and tin. A method for producing a lithium-air secondary battery, characterized in that one is provided.
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