JP2018037369A - Air battery and method of manufacturing the same - Google Patents

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裕志 橋本
邦彦 小山
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邦彦 小山
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Mitsutoshi Watanabe
光俊 渡辺
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air battery excellent in load characteristics and liquid leakage resistance, and a method of manufacturing the same.SOLUTION: In an air battery of the present invention, an air diffusion membrane, a water-repellent membrane, a positive electrode body and a separator are accommodated, in order, from a bottom side of a positive electrode case, in a battery case comprising the positive electrode case having an air hole, a negative electrode case, and a resin gasket. A negative electrode is accommodated between the separator and the negative electrode case. The positive electrode body has a bending strength of 3.15 N/cm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、耐漏液性に優れ負荷特性が改善された空気電池と、その製造方法に関するものである。   The present invention relates to an air battery having excellent leakage resistance and improved load characteristics, and a manufacturing method thereof.

二酸化マンガンなどを触媒とする空気極からなる正極と、亜鉛粒子や亜鉛合金粒子といった亜鉛系粒子などの金属粒子を活物質とする負極とを有する空気電池は、空気中の酸素を正極活物質として使用するために、外装体(電池ケース)に空気を取り込むための空気孔が設けられているが、電池内部の構成や電池の使用状況により、この空気孔から電解液が漏出する懸念がある。   An air battery having a positive electrode made of an air electrode using manganese dioxide or the like as a catalyst and a negative electrode using metal particles such as zinc particles such as zinc particles or zinc alloy particles as an active material is oxygen in the air as a positive electrode active material. In order to use, an air hole for taking in air is provided in the exterior body (battery case), but there is a concern that the electrolyte solution leaks out from the air hole depending on the internal configuration of the battery and the usage state of the battery.

すなわち、以下に示す負極の亜鉛の放電反応により、負極の体積が膨張してしまうため、放電が進行するにつれ、膨張した負極によって電解液が押し出され、空気孔から漏液するという問題を生じやすくなる。
Zn+2OH → ZnO+HO+2e
That is, since the volume of the negative electrode expands due to the discharge reaction of zinc of the negative electrode shown below, as the discharge proceeds, the electrolyte is pushed out by the expanded negative electrode and easily leaks from the air holes. Become.
Zn + 2OH → ZnO + H 2 O + 2e

前記の問題を防ぐため、負極を収容する封口板(負極ケース)の底面側には負極材料を充填せず、その空き空間を負極材料の膨張に対するバッファーとして機能させるのが一般的な電池構成となっており、そのため、負極側の内容積に対する負極材料の充填率は一定以下とされている(特許文献1および2)。   In order to prevent the above problem, it is a general battery configuration that the bottom surface side of the sealing plate (negative electrode case) containing the negative electrode is not filled with the negative electrode material, and the empty space functions as a buffer against the expansion of the negative electrode material. Therefore, the filling rate of the negative electrode material with respect to the internal volume on the negative electrode side is set to a certain value or less (Patent Documents 1 and 2).

一方、外装缶の周縁部をカシメて電池を封口する際に、その圧力により正極の中央部が湾曲して負極側に反ってしまうことがあり、正極とセパレータまたは撥水膜との間の密着性が低下した場合には、負荷特性が低下したり、封口形状が均一にならずに耐漏液性が低下したりするなどの問題を生じやすくなる。   On the other hand, when the battery is sealed by crimping the periphery of the outer can, the center of the positive electrode may bend and warp to the negative electrode side due to the pressure, and the adhesion between the positive electrode and the separator or the water repellent film When the performance deteriorates, problems such as a decrease in load characteristics and a decrease in leakage resistance due to a non-uniform sealing shape are likely to occur.

前記の問題に対しては、外装缶内の空気拡散室の高さを、セパレータ、空気極、撥水膜の三者のトータル厚みの50%以上とすることや、集電体用の芯材として、引張強度580N/mm以上1000N/mm以下の線状芯材を編んだ網またはエキスパンドメタルを用いて正極を構成することにより、封口時に生じる正極の湾曲を防ぐことが提案されている(特許文献3および4)。 For the above problem, the height of the air diffusion chamber in the outer can is set to 50% or more of the total thickness of the separator, the air electrode, and the water repellent film, or the core material for the current collector as, by configuring the positive electrode with a tensile strength of 580N / mm 2 or more 1000 N / mm 2 knitting following linear core network or expanded metal, it has been proposed to prevent the curvature of the positive electrode that occurs during sealing (Patent Documents 3 and 4).

特開平2−262281号公報JP-A-2-262281 特開平11−73949号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-73949 特開平11−54160号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-54160 特開2009−146846号公報JP 2009-146846 A

ところが、特許文献1および2に記載されているように、負極ケースの底面側に負極材料を充填せず一定以上の空き空間を設ける方法では、負極材料と負極ケースとの電気伝導が不充分となり、負極材料の利用率が低下して電池の容量が減少しやすくなる。   However, as described in Patent Documents 1 and 2, the method of providing a space more than a certain amount without filling the negative electrode material on the bottom surface side of the negative electrode case results in insufficient electrical conduction between the negative electrode material and the negative electrode case. As a result, the utilization factor of the negative electrode material decreases, and the capacity of the battery tends to decrease.

また、特許文献3および4に記載されているように、封口時の正極の湾曲を防ぐことができたとしても、膨張する負極からの押圧に応じて正極が柔軟に変形できない場合には、負極の放電反応の進行が妨げられ、やはり、負荷特性や耐漏液性の低下などの問題を生じやすくなる。   Further, as described in Patent Documents 3 and 4, even if the positive electrode can be prevented from being bent at the time of sealing, if the positive electrode cannot be flexibly deformed in response to the pressure from the expanding negative electrode, The progress of the discharge reaction is hindered, and again, problems such as deterioration of load characteristics and leakage resistance are likely to occur.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷特性および耐漏液性に優れた空気電池と、その製造方法とを提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to provide the air battery excellent in load characteristics and liquid leakage resistance, and its manufacturing method.

前記目的を達成し得た本発明の空気電池は、空気孔を有する正極ケースと、負極ケースと、樹脂製ガスケットとからなる電池ケース内に、空気拡散膜、撥水膜、正極体およびセパレータが前記正極ケースの底部側から順に収容されており、前記セパレータと前記負極ケースとの間に負極が収容されてなるものであって、前記正極体は、折り曲げ強度が3.15N/cm以下であることを特徴とするものである。   The air battery of the present invention that has achieved the above object has an air diffusion film, a water repellent film, a positive electrode body and a separator in a battery case comprising a positive electrode case having air holes, a negative electrode case, and a resin gasket. The positive electrode case is accommodated in order from the bottom side, the negative electrode is accommodated between the separator and the negative electrode case, and the positive electrode body has a bending strength of 3.15 N / cm or less. It is characterized by this.

また、本発明の空気電池の製造方法は、前記本発明の空気電池を製造する方法であって、前記正極体を、触媒層と、折り曲げ強度が3.2N/cm以下の集電体とを用いて構成することを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the air battery of the present invention is a method of manufacturing the air battery of the present invention, wherein the positive electrode body includes a catalyst layer and a current collector having a bending strength of 3.2 N / cm or less. It is characterized by using.

本発明によれば、負荷特性および耐漏液性に優れた空気電池と、その製造方法とを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an air battery excellent in load characteristics and liquid leakage resistance, and a manufacturing method thereof.

本発明の空気電池の一例を模式的に表す縦断面図である。It is a longitudinal section showing an example of an air battery of the present invention typically. 空気電池に係る正極体の折り曲げ強度の測定方法の説明図である。It is explanatory drawing of the measuring method of the bending strength of the positive electrode body which concerns on an air battery.

本発明の空気電池の一例を模式的に表す縦断面図を、図1に示している。図1に示す空気電池1は、正極体(空気極)4およびセパレータ6を内填した正極ケース2の開口部に、負極5を内填した負極ケース3が、断面L字状で環状の樹脂製ガスケット10を介して嵌合しており、正極ケース2の開口端部が内方に締め付けられ、これにより樹脂製ガスケット10が負極ケース3に当接することで、正極ケース2の開口部が封口されている。すなわち、図1に示す空気電池では、正極ケース2、負極ケース3および樹脂製ガスケット10からなる電池ケース内の空間に、正極体4、負極5およびセパレータ6を含む発電要素が装填されており、更に電解液が注入され、セパレータに保持されている。そして、正極ケース2は正極端子を兼ね、負極ケース3は負極端子および負極集電体を兼ねている。   A longitudinal sectional view schematically showing an example of the air battery of the present invention is shown in FIG. An air battery 1 shown in FIG. 1 includes a negative electrode case 3 in which a negative electrode 5 is embedded in an opening of a positive electrode case 2 in which a positive electrode body (air electrode) 4 and a separator 6 are embedded. The open end portion of the positive electrode case 2 is tightened inwardly, and the resin gasket 10 contacts the negative electrode case 3 so that the open portion of the positive electrode case 2 is sealed. Has been. That is, in the air battery shown in FIG. 1, a power generation element including the positive electrode body 4, the negative electrode 5, and the separator 6 is loaded in a space in the battery case including the positive electrode case 2, the negative electrode case 3, and the resin gasket 10. Further, an electrolytic solution is injected and held in the separator. The positive electrode case 2 also serves as a positive electrode terminal, and the negative electrode case 3 also serves as a negative electrode terminal and a negative electrode current collector.

正極ケース2には、電池ケース内に空気を取り込むための空気孔9が設けられている。また、正極ケース2は、底部(図中下側)に段差が設けられており、その底部段差の下段部分に、空気孔9から電池ケース内に取り込んだ空気を拡散させるための空気拡散膜7が配置されている。そして、正極ケース2の底部段差の上段部分には、空気拡散膜7で拡散された空気(酸素)を正極体4へ供給し、かつ電池内の電解液の空気孔9からの漏出を防止するための撥水膜8が配置されていて、その撥水膜8の上部に正極体4およびセパレータ6が重ねられている。   The positive electrode case 2 is provided with an air hole 9 for taking air into the battery case. Further, the positive electrode case 2 is provided with a step at the bottom (lower side in the figure), and an air diffusion film 7 for diffusing the air taken into the battery case from the air holes 9 into the lower part of the bottom step. Is arranged. The upper part of the bottom step of the positive electrode case 2 supplies air (oxygen) diffused by the air diffusion film 7 to the positive electrode body 4 and prevents leakage of the electrolyte in the battery from the air holes 9. A water repellent film 8 is disposed, and a positive electrode body 4 and a separator 6 are overlaid on the water repellent film 8.

なお、図1では、封口時の圧力により、正極体4が電池の中心付近を頂点とする側面視で山型の形状をしており、それに添うようにセパレータ6および撥水膜8も正極体4と同様の形態となっているが、正極体4は、例えば特許文献3に示されるように平板状であって、撥水膜8と正極ケース2の底部内面との間に空隙が形成される形態であってもよい。ただし、正極体が図1で示すような側面視で山型の形状をしている場合には、例えば平板状のときよりも表面積が増大し、より空気と接触しやすくなるため、電池の負荷特性がより向上することから好ましい。   In FIG. 1, the positive electrode body 4 has a mountain shape in side view with the apex around the center of the battery due to the pressure at the time of sealing, and the separator 6 and the water repellent film 8 also follow the positive electrode body. 4, the positive electrode body 4 has a flat plate shape as shown in Patent Document 3, for example, and a gap is formed between the water repellent film 8 and the bottom inner surface of the positive electrode case 2. It may be a form. However, when the positive electrode body has a mountain shape as viewed from the side as shown in FIG. 1, the surface area increases compared to, for example, a flat plate shape, and it is easier to come into contact with air. It is preferable because the characteristics are further improved.

本発明の空気電池においては、折り曲げ強度が小さい正極体を使用する。電池の放電に伴って負極中の金属粒子が膨張すると、正極体のセパレータ側の面に、正極ケース底部側に向かう応力がかかるが、本発明の電池では、正極体の折り曲げ強度が小さいため、負極の膨張に応じて正極体が柔軟に変形することができる。これにより、放電反応が進んでも、正極体の割れなどが生じ難く、負極やセパレータとの密着性や、ガスケットとの密着性が維持されやすく、漏液(電解液の漏出)を抑制することができるとともに、優れた負荷特性を維持することができる。   In the air battery of the present invention, a positive electrode body having a low bending strength is used. When the metal particles in the negative electrode expand with the discharge of the battery, the surface on the separator side of the positive electrode body is subjected to stress toward the bottom side of the positive electrode case, but in the battery of the present invention, the bending strength of the positive electrode body is small, The positive electrode body can be flexibly deformed according to the expansion of the negative electrode. As a result, even if the discharge reaction proceeds, the positive electrode body is not easily cracked, and the adhesion to the negative electrode and the separator and the adhesion to the gasket are easily maintained, thereby preventing leakage (leakage of electrolyte). In addition, excellent load characteristics can be maintained.

本発明の空気電池に係る正極体は、折り曲げ強度が、3.15N/cm以下、好ましくは2.5N/cm以下である。   The positive electrode body according to the air battery of the present invention has a bending strength of 3.15 N / cm or less, preferably 2.5 N / cm or less.

ただし、正極体の折り曲げ強度が小さすぎると、正極体の取扱い性が低下する虞などがあることから、正極体の折り曲げ強度は、0.5N/cm以上であることが好ましい。   However, if the bending strength of the positive electrode body is too small, the handleability of the positive electrode body may be lowered. Therefore, the bending strength of the positive electrode body is preferably 0.5 N / cm or more.

本明細書でいう正極体の折り曲げ強度は、以下の方法によって求めることができる。   The bending strength of the positive electrode body referred to in this specification can be determined by the following method.

<正極体の折り曲げ強度の測定>
本発明において、折り曲げ強度を測定する際の正極体の形状は円形とし、それ以外の形状の場合は、円形に打ち抜いてから以下の手順により測定を行う。
<Measurement of bending strength of positive electrode body>
In the present invention, the shape of the positive electrode body when measuring the bending strength is circular, and in the case of other shapes, the measurement is performed by the following procedure after punching out into a circular shape.

図2(a)に示すように、直径が4mmの金属棒(ステンレス製)11、11を2本用意して、これらの金属棒11、11の間隔(支点間距離:Lv)が、正極体の直径:W(mm)に対し、下記一般式(1)を満たすように金属棒11、11を平行に配置する。   As shown in FIG. 2A, two metal rods (made of stainless steel) 11 and 11 having a diameter of 4 mm are prepared, and the distance between these metal rods 11 and 11 (distance between fulcrums: Lv) is positive electrode body. The metal rods 11 and 11 are arranged in parallel so as to satisfy the following general formula (1) with respect to the diameter: W (mm).

Lv = 8 × W / 11 (1)   Lv = 8 × W / 11 (1)

次いで、正極体4の中心が前記2本の金属棒11、11の中央に位置し、かつ負極に面する側が上になるようにして、正極体4を前記2本の金属棒11、11の上に静置する。更に、加圧用治具13として、図2(c)に示す形状の先端部(正極体4と接触させる側の先端部)の曲率半径が0.5mmの金属体(ステンレス製)を前記2本の金属棒11、11の中央に配置させ、図2(b)に示すように、正極体4の中心を0.5mm/分の速度で垂直方向に押し下げる。このとき、加圧用治具13が正極体4を押し下げる荷重(N)を測定し、押し込み量がLv/4(mm)に達するまでに測定される荷重の最大値:P(N)を求め、以下の式(2)によりその正極体の折り曲げ強度:T(N/cm)を算出する。   Next, the positive electrode body 4 is positioned at the center of the two metal rods 11 and 11 and the side facing the negative electrode is on the upper side, so that the positive electrode body 4 is placed on the two metal rods 11 and 11. Leave on top. Further, as the pressurizing jig 13, the two metal bodies (made of stainless steel) having a radius of curvature of 0.5 mm at the tip portion (tip portion on the side in contact with the positive electrode body 4) having the shape shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the center of the positive electrode body 4 is pushed down at a speed of 0.5 mm / min in the vertical direction. At this time, the load (N) by which the pressing jig 13 pushes down the positive electrode body 4 is measured, and the maximum value of the load measured until the pushing amount reaches Lv / 4 (mm): P (N) is obtained. The bending strength: T (N / cm) of the positive electrode body is calculated by the following formula (2).

T = P × 10 / W (2)     T = P × 10 / W (2)

なお、標準的な条件としては、正極体の直径:Wを11mm程度とすればよい。   As standard conditions, the diameter of the positive electrode body: W may be about 11 mm.

正極体の折り曲げ強度を前記の値に調節するには、正極体に使用する材料やそれら組成を調整すればよく、例えば、正極体を、触媒層と集電体とを用いて構成する場合には、その集電体の強度を適切な範囲に調整すればよい。具体的には、折り曲げ強度が0.3N/cm以上で、3.2N/cm以下の集電体を用いることが好ましい。折り曲げ強度が前記値を満たす集電体としては、チタン製、ニッケル製、ステンレス製などの金属製あるいは炭素製の網、箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル、発泡基材などを用いることができる。網やエキスパンドメタル、発泡基材を用いる場合には、その線径や開口径、線材の引張強度などを調整することにより前記折り曲げ強度とすることができ、箔やパンチングメタルを用いる場合には、厚みや開口率などを調整したり、カレンダ加工や熱処理したりすることにより前記折り曲げ強度とすることができる。特に、正極体に係る集電体に、金属製の網を使用する場合は、正極体の折り曲げ強度を前記範囲に調整しやすくなるので好ましい。   In order to adjust the bending strength of the positive electrode body to the above-mentioned value, the material used for the positive electrode body and the composition thereof may be adjusted. For example, when the positive electrode body is configured using a catalyst layer and a current collector. May adjust the intensity of the current collector to an appropriate range. Specifically, it is preferable to use a current collector having a bending strength of 0.3 N / cm or more and 3.2 N / cm or less. As the current collector satisfying the above-mentioned value for the bending strength, a metal or carbon net such as titanium, nickel, stainless steel, foil, expanded metal, punching metal, foamed base material, or the like can be used. When using a net, expanded metal, or foamed base material, the bending strength can be adjusted by adjusting the wire diameter, opening diameter, tensile strength of the wire, etc.When using foil or punching metal, The bending strength can be obtained by adjusting the thickness, the aperture ratio, or the like, or by calendering or heat treatment. In particular, when a metal net is used for the current collector of the positive electrode body, it is preferable because the bending strength of the positive electrode body can be easily adjusted to the above range.

なお、本明細書でいう集電体の折り曲げ強度についても、前述した正極体の折り曲げ強度の測定と同様の方法によって、円形の集電体に対して求めることができる。   In addition, the bending strength of the current collector referred to in this specification can also be obtained for the circular current collector by the same method as the measurement of the bending strength of the positive electrode body described above.

また、前記理由から、本発明の空気電池においては、正極ケースの底部内面から、正極体の負極ケース側の表面までの最大高さをa(mm)とし、正極ケースの底部内面から、負極ケースの底部内面までの高さをb(mm)としたとき、その比a/bを0.25以上とすることが好ましい。   For the above reason, in the air battery of the present invention, the maximum height from the bottom inner surface of the positive electrode case to the surface on the negative electrode case side of the positive electrode body is a (mm), and from the bottom inner surface of the positive electrode case to the negative electrode case When the height to the inner surface of the bottom part is b (mm), the ratio a / b is preferably 0.25 or more.

なお、前記の高さaおよび高さbは、図1に示すaおよびbの長さを意味しており、高さa、高さbのいずれも、正極ケースを下側にして電池を置いたときの正極ケースの底面に垂直な方向の距離のうちの最大値である。例えば、図1のように、正極ケースの底部に段差が設けられている場合は、その底部段差の下段部分からの距離となる。   The height a and the height b mean the lengths a and b shown in FIG. 1. Both the height a and the height b have the positive electrode case on the lower side and the battery is placed. It is the maximum value of the distances in the direction perpendicular to the bottom surface of the positive electrode case. For example, as shown in FIG. 1, when a step is provided at the bottom of the positive electrode case, the distance is from the lower part of the bottom step.

前記比a/bを、0.25以上、好ましくは0.3以上とすることで、正極体と正極ケースの内面との間の領域、すなわち、空気を保持できる領域(空き空間)を大きくして、正極(正極体)の反応性を高めることができる。   By setting the ratio a / b to be 0.25 or more, preferably 0.3 or more, an area between the positive electrode body and the inner surface of the positive electrode case, that is, an area capable of holding air (empty space) is increased. Thus, the reactivity of the positive electrode (positive electrode body) can be increased.

また、一般に空気電池では、負極に使用される亜鉛系粒子などの金属粒子が電池反応の進行に伴って膨張するため、前記の通り、負極ケースに比較的大きな空き空間を設けて放電に伴う電解液の漏出(漏液)を抑制している。しかし、これにより、負極集電体を兼ねる負極ケース内面と負極との間の接触面積が小さくなるため、電気伝導が損なわれ、充分な負荷特性が得られなくなる傾向にある。   In general, in an air battery, metal particles such as zinc-based particles used for the negative electrode expand with the progress of the battery reaction. Therefore, as described above, a relatively large empty space is provided in the negative electrode case to perform electrolysis accompanying discharge. Liquid leakage (leakage) is suppressed. However, this reduces the contact area between the inner surface of the negative electrode case that also serves as the negative electrode current collector and the negative electrode, so that electric conduction is impaired and sufficient load characteristics tend not to be obtained.

一方、本発明の空気電池では、折り曲げ強度が小さい正極体を用いることにより、電池組み立て時に、比a/bの値を前記の好適範囲に調整しやすくなり、優れた負荷特性を確保しやすくなる。   On the other hand, in the air battery of the present invention, by using a positive electrode body with low bending strength, the value of ratio a / b can be easily adjusted to the above preferred range during battery assembly, and excellent load characteristics can be easily secured. .

また、比a/bの値が大きくなると、負極を収容することのできる空間、すなわち、セパレータと負極ケースとの間に形成された空間の体積が減少し、前記体積に対する負極の体積の割合、すなわち負極の充填率が大きくなるため、負極ケース内面と負極との間の接触面積が増大し、負極の反応性が向上しやすくなる。   Further, when the value of the ratio a / b increases, the volume of the space in which the negative electrode can be accommodated, that is, the space formed between the separator and the negative electrode case decreases, and the ratio of the negative electrode volume to the volume, That is, since the filling rate of the negative electrode is increased, the contact area between the inner surface of the negative electrode case and the negative electrode is increased, and the reactivity of the negative electrode is easily improved.

一方、負極側の空間の体積減少分は、正極側の空間、すなわち、正極体と正極ケースの内面との間の空き空間の増大につながり、電池反応の進行に伴う負極の膨張を吸収することのできる空間の体積は、実質的に変化しないため、電池の耐漏液性は維持される。   On the other hand, the volume decrease of the space on the negative electrode side leads to an increase in the space on the positive electrode side, that is, the empty space between the positive electrode body and the inner surface of the positive electrode case, and absorbs the expansion of the negative electrode as the battery reaction proceeds. Since the volume of the space that can be produced does not substantially change, the leakage resistance of the battery is maintained.

なお、負極ケース内面と負極との間の電気伝導を良好にすることによる負極の反応性向上効果をより高める観点からは、負極の充填率は、60%以上であることが好ましく、65%以上であることがより好ましく、70%以上であることが特に好ましく、80%以上であることが最も好ましい。なお、負極の充填率は、100%としてもよい。   In addition, from the viewpoint of further enhancing the effect of improving the reactivity of the negative electrode by improving the electric conduction between the inner surface of the negative electrode case and the negative electrode, the filling factor of the negative electrode is preferably 60% or more, and 65% or more. More preferably, it is 70% or more, and most preferably 80% or more. The filling rate of the negative electrode may be 100%.

本明細書でいう負極の充填率は、負極を構成する組成物の体積と、セパレータと負極ケースとの間に形成された空間の体積を基に算出される。具体的には、活物質となる金属粒子の他、電解液など、負極を構成する組成物全体の体積から前記組成物の体積を算出することができる。また、セパレータと負極ケースとの間に形成された空間の体積は、電池が組み立てられた後に形成されている、負極を構成する組成物を収容することのできる空間の体積であり、前記負極を構成する組成物全体の体積と、セパレータと負極ケースとの間に形成されている空き空間(負極が充填されていない空間)の体積との和に相当するものである。   The filling rate of the negative electrode as used herein is calculated based on the volume of the composition constituting the negative electrode and the volume of the space formed between the separator and the negative electrode case. Specifically, the volume of the composition can be calculated from the volume of the entire composition constituting the negative electrode, such as an electrolytic solution, in addition to the metal particles serving as the active material. The volume of the space formed between the separator and the negative electrode case is a volume of a space that is formed after the battery is assembled and can contain the composition constituting the negative electrode. This corresponds to the sum of the volume of the entire composition to be formed and the volume of the empty space (space in which the negative electrode is not filled) formed between the separator and the negative electrode case.

セパレータと負極ケースとの間に形成された空間の体積は、例えば、電池を中央部において厚み方向に切断し、これをダイナスコープを用いて断面を座標化した後、3DCADなどを用いて中心線から断面を一回転させることにより、体積を見積もることができる(後記の実施例で示す負極の充填率は、この方法で3DCADを用いて見積もった前記空間の体積と、負極を構成する組成物の体積とから求めた値である)。あるいは、X線CTの画像から、非破壊で負極側の空間の体積を見積もることも可能である。 The volume of the space formed between the separator and the negative electrode case is determined by, for example, cutting the battery in the thickness direction at the center, and using a dynascope to coordinate the cross section, and then using 3D CAD or the like as the center line The volume can be estimated by rotating the cross-section once from (the filling rate of the negative electrode shown in the examples described later is determined based on the volume of the space estimated using 3D CAD by this method and the composition of the composition constituting the negative electrode. It is a value obtained from the volume). Alternatively, it is possible to estimate the volume of the space on the negative electrode side nondestructively from the X-ray CT image.

なお、比a/bが大きすぎると、例えば負極を収容する領域が小さくなりすぎて、電池の容量が損なわれる虞があることから、比a/bは、0.5以下であることが好ましく、0.45以下であることがより好ましい。   If the ratio a / b is too large, for example, the area for accommodating the negative electrode becomes too small and the capacity of the battery may be impaired. Therefore, the ratio a / b is preferably 0.5 or less. More preferably, it is 0.45 or less.

本明細書でいう高さaおよび高さbは、例えば、電池を中央部において厚み方向に切断し、これをダイナスコープを用いて断面を座標化した後、CADなどを用いて高さを見積もることができる(後記の実施例で示す高さaおよび高さbは、この方法でCADを用いて見積もった値である)。あるいは、X線CTの画像から、前記の値を見積もることも可能である。   The height a and the height b referred to in the present specification are, for example, obtained by cutting the battery in the thickness direction at the center, and using a dynascope to coordinate the cross section, and then estimating the height using CAD or the like. (The height a and the height b shown in the examples described later are values estimated using CAD in this method). Alternatively, it is possible to estimate the value from an X-ray CT image.

空気電池の正極体には、前記の通り、例えば触媒層と集電体とを積層した構造のものを使用することができる。   As described above, for example, a positive electrode body of an air battery having a structure in which a catalyst layer and a current collector are laminated can be used.

触媒層には、触媒の他、例えばバインダーを含有させることができる。   In addition to the catalyst, the catalyst layer may contain a binder, for example.

触媒層に係る触媒には、例えば、銀、白金族金属またはその合金、遷移金属、Pt/IrOなどの白金/金属酸化物、La1−xCaCoOなどのペロブスカイト酸化物、フタロシアニン鉄などの錯体触媒、WCなどの炭化物、MnNなどの窒化物、二酸化マンガンなどのマンガン酸化物などが用いられる。これらの中でも、二酸化マンガンなどのマンガン酸化物がより好ましい。また、後記の各種カーボン(触媒層に使用し得るカーボン)を、触媒として使用することもできる。触媒層における触媒の含有量は、0.5〜70質量%であることが好ましい。 The catalyst according to the catalyst layer, for example, silver, platinum group metals or alloys thereof, transition metals, platinum / metal oxide, such as Pt / IrO 2, perovskite oxides such as La 1-x Ca x CoO 3 , phthalocyanine iron Complex catalysts such as WC, carbides such as WC, nitrides such as Mn 4 N, manganese oxides such as manganese dioxide, and the like are used. Among these, manganese oxides such as manganese dioxide are more preferable. Various carbons described later (carbons that can be used in the catalyst layer) can also be used as a catalyst. The catalyst content in the catalyst layer is preferably 0.5 to 70% by mass.

触媒層の形成材料としてカーボンをカーボン以外の触媒とともに使用することで、このカーボンが、触媒層の形成時に前記触媒の担体として機能する。また、触媒層の形成に、カーボン以外の触媒とカーボンとを、それぞれ個別に使用するのではなく、カーボン以外の触媒を予めカーボンに担持させた状態で触媒層の形成に使用してもよい。   By using carbon as a material for forming the catalyst layer together with a catalyst other than carbon, the carbon functions as a carrier for the catalyst when the catalyst layer is formed. Further, in forming the catalyst layer, a catalyst other than carbon and carbon may not be used individually, but may be used for forming the catalyst layer in a state where a catalyst other than carbon is supported on carbon in advance.

触媒層に使用するカーボンとしては、黒鉛、グラフェン、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなど)、VGCF(気相法炭素繊維)、カーボンナノチューブ、木炭、活性炭などが挙げられる。カーボン以外の触媒とカーボンとをともに用いる場合には、触媒層におけるカーボンの含有量は、20〜90質量%であることが好ましい。   Carbon used in the catalyst layer includes graphite, graphene, carbon black (acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, etc.), VGCF (vapor phase carbon fiber), carbon nanotube, charcoal And activated carbon. When a catalyst other than carbon and carbon are used together, the carbon content in the catalyst layer is preferably 20 to 90% by mass.

触媒層に係るバインダーとしては、フッ化ビニリデンの重合体〔ポリフッ化ビニリデン(PVDF)〕、テトラフルオロエチレンの重合体〔ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)〕、フッ化ビニリデンの共重合体やテトラフルオロエチレンの共重合体〔フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(PVDF−CTFE)、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体(PVDF−TFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体(PVDF−HFP−TFE)など〕などのフッ素樹脂バインダーが挙げられる。これらの中でも、テトラフルオロエチレンの重合体または共重合体が好ましく、PTFEがより好ましい。触媒層におけるバインダーの含有量は、3〜50質量%であることが好ましい。   Examples of the binder for the catalyst layer include a vinylidene fluoride polymer [polyvinylidene fluoride (PVDF)], a tetrafluoroethylene polymer [polytetrafluoroethylene (PTFE)], a vinylidene fluoride copolymer, and tetrafluoroethylene. Copolymers [vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer (PVDF-CTFE), vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer (PVDF -TFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer (PVDF-HFP-TFE), etc.]. Among these, a tetrafluoroethylene polymer or copolymer is preferable, and PTFE is more preferable. The binder content in the catalyst layer is preferably 3 to 50% by mass.

正極体における触媒層の厚みは、100〜500μmであることが好ましい。また、正極体に係る集電体の厚みは、50〜300μmであることが好ましい。   The thickness of the catalyst layer in the positive electrode body is preferably 100 to 500 μm. Moreover, it is preferable that the thickness of the collector which concerns on a positive electrode body is 50-300 micrometers.

よって、正極体の厚みは、例えば触媒層の前記好適厚みと集電体の前記好適厚みとの合計値とすることができるが、300μm以下であることがより好ましい。   Therefore, the thickness of the positive electrode body can be, for example, the total value of the preferable thickness of the catalyst layer and the preferable thickness of the current collector, but is more preferably 300 μm or less.

触媒層は、例えば、前記触媒や必要に応じて使用するカーボン、バインダーなどを水と混合してロールで圧延し、集電体と密着させることにより製造することができる。また前記の触媒や必要に応じて使用するバインダーなどを、水や有機溶媒に分散させて調製した触媒層形成用組成物(スラリー、ペーストなど)を、集電体の表面に塗布し乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理などのプレス処理を施す工程を経て製造することもできる。   The catalyst layer can be produced, for example, by mixing the catalyst, carbon used as necessary, binder, etc. with water, rolling with a roll, and closely adhering to the current collector. In addition, after the catalyst layer forming composition (slurry, paste, etc.) prepared by dispersing the above-mentioned catalyst or a binder used as necessary in water or an organic solvent is applied to the surface of the current collector and dried. If necessary, it can also be manufactured through a step of performing a pressing process such as a calendar process.

空気電池の負極には、亜鉛系粒子やマグネシウム系粒子などを含有するものが使用される。このような負極では、前記粒子中の亜鉛やマグネシウムが活物質として作用する。亜鉛合金粒子の合金成分としては、例えば、インジウム(例えば含有量が質量基準で50〜500ppm)、ビスマス(例えば含有量が質量基準で50〜500ppm)、アルミニウム(例えば含有量が質量基準で10〜1500ppm)などが挙げられる(残部は亜鉛および不可避不純物である)。   As the negative electrode of the air battery, one containing zinc-based particles or magnesium-based particles is used. In such a negative electrode, zinc and magnesium in the particles act as an active material. Examples of the alloy component of the zinc alloy particles include indium (for example, the content is 50 to 500 ppm on a mass basis), bismuth (for example, the content is 50 to 500 ppm on a mass basis), and aluminum (for example, the content is 10 to 10 on a mass basis). 1500 ppm) (the balance is zinc and inevitable impurities).

また、マグネシウム合金粒子の合金成分としては、例えば、カルシウム(例えば含有量が質量基準で1〜3%)、マンガン(例えば含有量が質量基準で0.1〜0.5%)、亜鉛(例えば含有量が質量基準で0.4〜1%)、アルミニウム(例えば含有量が質量基準で8〜10%)などが挙げられる(残部はマグネシウムおよび不可避不純物である)。   Moreover, as an alloy component of magnesium alloy particles, for example, calcium (for example, the content is 1 to 3% on a mass basis), manganese (for example, the content is 0.1 to 0.5% on a mass basis), zinc (for example, The content is 0.4 to 1% on the basis of mass), aluminum (for example, the content is 8 to 10% on the basis of mass), etc. (the balance is magnesium and inevitable impurities).

負極の有する金属粒子は、1種単独でもよく、2種以上であってもよい。   The metal particles possessed by the negative electrode may be one type alone or two or more types.

ただし、金属粒子には、環境負荷軽減の観点から、合金成分として水銀を含有しないものを使用することが好ましい。また、水銀の場合と同じ理由から、金属粒子には、合金成分として鉛を含有しないものを使用することが好ましい。   However, it is preferable to use metal particles that do not contain mercury as an alloy component from the viewpoint of reducing environmental burden. For the same reason as in the case of mercury, it is preferable to use metal particles that do not contain lead as an alloy component.

亜鉛系粒子の粒度としては、例えば、全粒子中、粒径が75μm以下の粒子の割合が50質量%以下のものが好ましく、30質量%以下のものがより好ましく、また、粒径が100〜200μmの粒子の割合が、50質量%以上、より好ましくは90質量%以上であるものが挙げられる。   The particle size of the zinc-based particles is, for example, preferably 50% by mass or less, more preferably 30% by mass or less of all particles having a particle size of 75 μm or less, and a particle size of 100 to 100%. The thing whose ratio of the particle | grains of 200 micrometers is 50 mass% or more, More preferably, it is 90 mass% or more is mentioned.

また、マグネシウム系粒子の粒度としては、例えば、全粒子中、粒径が30μm以下の粒子の割合が50質量%以下のものが好ましく、30質量%以下のものがより好ましく、また、粒径が50〜200μmの粒子の割合が、50質量%以上、より好ましくは90質量%以上であるものが挙げられる。   As the particle size of the magnesium-based particles, for example, the proportion of particles having a particle size of 30 μm or less in all particles is preferably 50% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, and the particle size is The thing whose ratio of the particle | grains of 50-200 micrometers is 50 mass% or more, More preferably is 90 mass% or more.

本明細書でいう金属粒子における粒度は、レーザー散乱粒度分布計(例えば、堀場製作所製「LA−920」)を用い、粒子を溶解しない媒体に、これらの粒子を分散させて測定した、体積基準での累積頻度50%における粒径(D50)である。 The particle size in the metal particles referred to in the present specification was measured by using a laser scattering particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by HORIBA, Ltd.) and measuring these particles by dispersing them in a medium that does not dissolve the particles. The particle size (D 50 ) at a cumulative frequency of 50%.

負極には、例えば、前記の金属粒子の他に、必要に応じて添加されるゲル化剤(ポリアクリル酸ソーダ、カルボキシメチルセルロースなど)を含んでもよく、これに電解液を加えることで構成される負極剤(ゲル状負極)を使用してもよい。負極中のゲル化剤の量は、例えば、0.5〜1.5質量%とすることが好ましい。   The negative electrode may contain, for example, a gelling agent (polyacrylic acid soda, carboxymethyl cellulose, etc.) added as necessary in addition to the metal particles, and is configured by adding an electrolyte to this. A negative electrode agent (gelled negative electrode) may be used. The amount of the gelling agent in the negative electrode is preferably 0.5 to 1.5% by mass, for example.

また、負極は、前記のようなゲル化剤を実質的に含有しない非ゲル状の負極とすることもできる(なお、非ゲル状負極の場合、金属粒子近傍に存在する電解液が増粘しなければゲル化剤を含有しても構わないので、「ゲル化剤を実質的に含有しない」とは、電解液の粘度への影響がない程度に含有していてもよい、という意味である)。ゲル状負極の場合には、金属粒子の近傍に、ゲル化剤と共に電解液が存在しているが、ゲル化剤の作用によってこの電解液が増粘しており、電解液の移動、ひいては電解液中のイオンの移動が抑制されている。このため、負極での反応速度が抑えられ、これが電池の負荷特性(特に重負荷特性)の向上を阻害しているものと考えられる。これに対し、負極を非ゲル状として、金属粒子近傍に存在する電解液の粘度を増大させずに電解液中のイオンの移動速度を高く保つことで、負極での反応速度を高めて、負荷特性(特に重負荷特性)をより高めることができる。   The negative electrode can also be a non-gelled negative electrode that does not substantially contain the gelling agent as described above (in the case of a non-gelled negative electrode, the electrolyte present in the vicinity of the metal particles is thickened). Otherwise, it may contain a gelling agent, so “substantially does not contain a gelling agent” means that it may be contained to the extent that it does not affect the viscosity of the electrolyte. ). In the case of a gelled negative electrode, an electrolytic solution is present together with a gelling agent in the vicinity of the metal particles, but this electrolytic solution is thickened by the action of the gelling agent. The movement of ions in the liquid is suppressed. For this reason, the reaction rate at the negative electrode is suppressed, which is considered to hinder the improvement of the load characteristics (particularly heavy load characteristics) of the battery. On the other hand, the negative electrode is made non-gelled, and the reaction rate at the negative electrode is increased by keeping the ion moving speed in the electrolytic solution high without increasing the viscosity of the electrolytic solution existing in the vicinity of the metal particles. Characteristics (particularly heavy load characteristics) can be further enhanced.

負極に含有させる電解液には、電池に注入するものと同じものを使用することができる。   As the electrolytic solution to be contained in the negative electrode, the same electrolyte as that injected into the battery can be used.

負極における金属粒子の含有量は、例えば、60質量%以上であることが好ましく、65質量%以上であることがより好ましく、また、75質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることがより好ましい。   The metal particle content in the negative electrode is, for example, preferably 60% by mass or more, more preferably 65% by mass or more, and preferably 75% by mass or less, and 70% by mass or less. It is more preferable.

負極は、インジウム化合物を含有していることが好ましい。負極がインジウム化合物を含有することによって、金属粒子と電解液との腐食反応による水素ガス発生をより効果的に防ぐことができる。   The negative electrode preferably contains an indium compound. When the negative electrode contains an indium compound, generation of hydrogen gas due to a corrosion reaction between the metal particles and the electrolytic solution can be more effectively prevented.

前記のインジウム化合物としては、例えば、酸化インジウム、水酸化インジウムなどが挙げられる。   Examples of the indium compound include indium oxide and indium hydroxide.

負極に使用するインジウム化合物の量は、質量比で、金属粒子:100に対し、0.003〜1であることが好ましい。   The amount of the indium compound used for the negative electrode is preferably 0.003 to 1 with respect to 100 metal particles in terms of mass ratio.

空気電池に係る電解液(電池内に注入する電解液および負極に含有させる電解液を含む)としては、例えば、負極の有する金属粒子が亜鉛系粒子の場合には、アルカリ金属の水酸化物(水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなど)の1種または複数種の水溶液などのアルカリ電解液が好適に用いられ、水酸化カリウムの水溶液が特に好ましい。電解液の濃度は、例えば、水酸化カリウムの水溶液の場合、水酸化カリウムが、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上であって、好ましくは40質量%以下、より好ましくは38質量%以下である。水酸化カリウムの水溶液の濃度をこのような値に調整することで、導電性に優れた電解液とすることができる。   Examples of the electrolyte solution for an air battery (including an electrolyte solution injected into the battery and an electrolyte solution contained in the negative electrode) include alkali metal hydroxides (if the metal particles of the negative electrode are zinc-based particles) An alkaline electrolyte such as one or more aqueous solutions of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide and the like is preferably used, and an aqueous solution of potassium hydroxide is particularly preferred. The concentration of the electrolytic solution is, for example, in the case of an aqueous solution of potassium hydroxide, potassium hydroxide is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, and preferably 40% by mass or less, more preferably 38%. It is below mass%. By adjusting the concentration of the aqueous solution of potassium hydroxide to such a value, an electrolytic solution having excellent conductivity can be obtained.

また、負極の有する金属粒子がマグネシウム系粒子の場合には、酸性水溶液、中性水溶液および弱アルカリ性の水溶液などの、pHが10以下の水溶液が好適に用いられる。電解液として使用する水溶液に溶解させる塩などの電解質としては、塩化ナトリウムなどの塩化物、水酸化ナトリウムなどの水酸化物、炭酸水素ナトリウムなどの炭酸水素塩、過炭酸ナトリウムなどの過炭酸塩、フッ化物などのハロゲンを含む化合物、多価カルボン酸などが挙げられ、電解液は、これらの電解質のうちの1種または2種以上を含有していればよい。このような電解液の中でも、塩化ナトリウム水溶液などの塩化物の水溶液がより好ましい。   In addition, when the metal particles of the negative electrode are magnesium-based particles, aqueous solutions having a pH of 10 or less, such as acidic aqueous solutions, neutral aqueous solutions, and weak alkaline aqueous solutions, are preferably used. Examples of electrolytes such as salts dissolved in an aqueous solution used as an electrolyte include chlorides such as sodium chloride, hydroxides such as sodium hydroxide, bicarbonates such as sodium bicarbonate, percarbonates such as sodium percarbonate, Examples include compounds containing halogen such as fluoride, polyvalent carboxylic acids, and the like, and the electrolytic solution only needs to contain one or more of these electrolytes. Among such electrolytic solutions, a chloride aqueous solution such as a sodium chloride aqueous solution is more preferable.

例えば、塩化ナトリウム水溶液の場合、その塩化ナトリウムの濃度は、1〜20質量%であることが好ましい。   For example, in the case of a sodium chloride aqueous solution, the concentration of the sodium chloride is preferably 1 to 20% by mass.

前記いずれの場合にも、電解液には、インジウム化合物が溶解していることが好ましい。電解液中にインジウム化合物が溶解している場合には、電池内での水素ガスの発生をより良好に抑制することができる。   In any case, it is preferable that an indium compound is dissolved in the electrolytic solution. When the indium compound is dissolved in the electrolytic solution, generation of hydrogen gas in the battery can be suppressed more favorably.

電解液に溶解させるインジウム化合物としては、水酸化インジウム、酸化インジウム、硫酸インジウム、硫化インジウム、硝酸インジウム、臭化インジウム、塩化インジウムなどが挙げられる。   Examples of the indium compound dissolved in the electrolyte include indium hydroxide, indium oxide, indium sulfate, indium sulfide, indium nitrate, indium bromide, and indium chloride.

インジウム化合物の電解液中の濃度は、質量基準で、50ppm以上であることが好ましく、100ppm以上であることがより好ましく、500ppm以上であることが特に好ましく、また、10000ppm以下であることが好ましく、5000ppm以下であることがより好ましく、1000ppm以下であることが特に好ましい。   The concentration of the indium compound in the electrolyte solution is preferably 50 ppm or more, more preferably 100 ppm or more, particularly preferably 500 ppm or more, and preferably 10,000 ppm or less, based on mass. It is more preferably 5000 ppm or less, and particularly preferably 1000 ppm or less.

電解液には、前記の各成分の他に、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて公知の各種添加剤を添加してもよい。例えば、負極に用いる金属粒子の腐食(酸化)を防止するために、酸化亜鉛を添加するなどしてもよい。なお、酸化亜鉛は、負極に添加することもできる。   In addition to the above-described components, various known additives may be added to the electrolytic solution as necessary within a range not impairing the effects of the present invention. For example, zinc oxide may be added in order to prevent corrosion (oxidation) of metal particles used for the negative electrode. Zinc oxide can also be added to the negative electrode.

空気電池において、正極と負極との間に介在させるセパレータには、ビニロンとレーヨンを主体とする不織布、ビニロン・レーヨン不織布(ビニロン・レーヨン混抄紙)、ポリアミド不織布、ポリオレフィン・レーヨン不織布、ビニロン紙、ビニロン・リンターパルプ紙、ビニロン・マーセル化パルプ紙などを用いることができる。また、親水処理された微孔性ポリオレフィンフィルム(微孔性ポリエチレンフィルムや微孔性ポリプロピレンフィルムなど)とセロファンフィルムとビニロン・レーヨン混抄紙のような吸液層(電解液保持層)とを積み重ねたものをセパレータとしてもよい。セパレータの厚みは、20〜500μmであることが好ましい。   In the air battery, the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is a nonwoven fabric mainly composed of vinylon and rayon, a vinylon / rayon nonwoven fabric (vinylon / rayon mixed paper), a polyamide nonwoven fabric, a polyolefin / rayon nonwoven fabric, a vinylon paper, a vinylon. -Linter pulp paper, vinylon mercerized pulp paper, etc. can be used. A hydrophilic microporous polyolefin film (microporous polyethylene film, microporous polypropylene film, etc.), cellophane film, and liquid absorbing layer (electrolyte holding layer) such as vinylon / rayon mixed paper were stacked. It is good also as a separator. The thickness of the separator is preferably 20 to 500 μm.

空気電池に係る空気拡散膜には、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ナイロンなどの樹脂で構成された不織布を用いることができる。空気拡散膜の厚みは、100〜250μmであることが好ましい。   For the air diffusion film according to the air battery, a non-woven fabric made of a resin such as cellulose, polyvinyl alcohol, polypropylene, or nylon can be used. The thickness of the air diffusion film is preferably 100 to 250 μm.

空気電池に係る撥水膜には、撥水性がある一方で空気を透過できる膜が使用され、具体的には、例えば、PTFEなどのフッ素樹脂;ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン;などの樹脂で構成された膜を用いることができる。撥水膜の厚みは、50μm以上であることが好ましく、また、250μm以下であることが好ましく、150μm以下であることがより好ましい。   As the water-repellent film for the air battery, a film that has water repellency while allowing air to permeate is used. Specifically, for example, a fluorine resin such as PTFE; a polyolefin such as polypropylene or polyethylene; Film can be used. The thickness of the water repellent film is preferably 50 μm or more, preferably 250 μm or less, and more preferably 150 μm or less.

本発明の空気電池の形態は、例えば、図1に示すような正極ケースと負極ケースとをガスケットを介してカシメ封口する電池ケースを有していたり、正極ケースと負極ケースとを溶接して封口する電池ケースを有していたりする扁平形(コイン形、ボタン形を含む)である。   The air battery according to the present invention has, for example, a battery case in which a positive electrode case and a negative electrode case are caulked and sealed via a gasket as shown in FIG. It has a flat shape (including coin shape and button shape).

なお、電池ケースにおいてカシメ封口を行う場合、正極ケースと負極ケースとの間に介在させるガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。また、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。   In addition, when caulking the battery case, polypropylene, nylon, etc. can be used as the gasket material interposed between the positive electrode case and the negative electrode case, and heat resistance is required in relation to the use of the battery. In some cases, fluororesin such as tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide It is also possible to use a heat-resistant resin having a melting point exceeding 240 ° C. such as (PPS) or polyether ether ketone (PEEK). Further, when the battery is applied to an application requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.

また、充電時に正極ケースを構成する鉄などの元素が溶出するのを防ぐため、正極ケースの内面には、スズ、亜鉛、インジウムなどの耐食性の金属をメッキしておくことが望ましい。   In order to prevent elements such as iron constituting the positive electrode case from eluting at the time of charging, it is desirable to plate the inner surface of the positive electrode case with a corrosion-resistant metal such as tin, zinc, or indium.

本発明の空気電池は、例えば、従来から知られている空気電池が採用されている用途と同じ用途に適用することができる。   The air battery of the present invention can be applied to, for example, the same use as a use of a conventionally known air battery.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

(実施例1)
<正極体>
酸化マンガン(III)(Mn)(触媒):40質量部と、ケッチェンブラック(カーボン):50質量部と、PTFE:10質量部と、水とを混合し、ロール圧延して厚みが350μmの触媒層用の正極シートを形成し、直径11mmの円形に打ち抜くことにより、正極体(空気極)を作製した。なお、この正極体の触媒層の重量は35mgであった。
Example 1
<Positive electrode body>
Manganese (III) oxide (Mn 2 O 3 ) (catalyst): 40 parts by mass, ketjen black (carbon): 50 parts by mass, PTFE: 10 parts by mass, water, and roll-rolled to obtain a thickness A positive electrode sheet (air electrode) was prepared by forming a positive electrode sheet for a catalyst layer having a thickness of 350 μm and punching it into a circle having a diameter of 11 mm. In addition, the weight of the catalyst layer of this positive electrode body was 35 mg.

次に、前述した手順に従い、金属棒11、11の間隔:Lvを8mmに設定して、前記正極体の折り曲げ強度を測定した。図2(c)に示す先端形状を有する加圧用治具により、記正極体の中心を0.5mm/分の速度で垂直方向に押し下げながら荷重(N)を測定したところ、押し込み量が2mmに達するまでに測定された荷重の最大値は、0.7(N)と求まり、式(2)より、前記正極体の折り曲げ強度は、0.64(N/cm)と算出された。   Next, according to the procedure described above, the bending strength of the positive electrode body was measured by setting the distance Lv between the metal rods 11 and 11 to 8 mm. When the load (N) was measured while pressing the center of the positive electrode body in the vertical direction at a speed of 0.5 mm / min with a pressurizing jig having the tip shape shown in FIG. 2 (c), the indentation amount was 2 mm. The maximum value of the load measured until it reached was found to be 0.7 (N), and the bending strength of the positive electrode body was calculated to be 0.64 (N / cm) from Equation (2).

<負極>
負極活物質には、添加元素としてIn:500ppm、Bi:400ppmおよびAl:10ppmを含有する亜鉛合金粒子:850mgを用いた。前記亜鉛合金粒子の粒度は、平均粒子径(D50)が120μmであり、粒径が75μm以下の粒子の割合が25質量%以下であった。負極には、この亜鉛合金粒子:100に対して質量比で0.3となる量の水酸化インジウムを混合した組成物を使用した。
<Negative electrode>
As the negative electrode active material, zinc alloy particles: 850 mg containing In: 500 ppm, Bi: 400 ppm and Al: 10 ppm as additive elements were used. The zinc alloy particles had an average particle size (D 50 ) of 120 μm and a proportion of particles having a particle size of 75 μm or less was 25% by mass or less. For the negative electrode, a composition in which an amount of indium hydroxide in an amount of 0.3 with respect to the zinc alloy particles: 100 was mixed was used.

<電解液>
電解液には、質量基準で200ppmとなる量の水酸化インジウムを溶解した35質量%濃度の水酸化カリウム水溶液を用いた。
<Electrolyte>
As the electrolytic solution, a 35% by mass potassium hydroxide aqueous solution in which 200 ppm of indium hydroxide was dissolved on a mass basis was used.

<セパレータ>
セパレータには、ポリエチレン主鎖にアクリル酸をグラフト共重合させた構造を有するグラフト共重合体で構成された2枚のグラフトフィルム(厚み:30μm)を、セロハンフィルム(厚み:20μm)の両側に配置し、更にビニロン−レーヨン混抄紙(厚み:100μm)を積層したものを打ち抜いて用いた。
<Separator>
In the separator, two graft films (thickness: 30 μm) composed of a graft copolymer having a structure in which acrylic acid is graft-copolymerized to a polyethylene main chain are arranged on both sides of a cellophane film (thickness: 20 μm). Further, a laminate of vinylon-rayon mixed paper (thickness: 100 μm) was punched and used.

<空気拡散膜および撥水膜>
空気拡散膜には、厚みが100μmのセルロース製不織布(紙)を、直径7mmに打ち抜いて用いた。また、撥水膜には、厚みが100μmのPTFE製シートを、直径11mmに打ち抜いて用いた。
<Air diffusion film and water repellent film>
For the air diffusion membrane, a cellulose nonwoven fabric (paper) having a thickness of 100 μm was used by punching to a diameter of 7 mm. As the water repellent film, a PTFE sheet having a thickness of 100 μm was used by punching to a diameter of 11 mm.

<電池の組み立て>
前記の空気拡散膜、撥水膜、空気極、セパレータ、負極組成物および電解液を、内面にスズメッキを施した鋼板よりなり、径が11mmの底面に空気孔を5個有する外装缶と、銅−ステンレス鋼(SUS304)−ニッケルクラッド板よりなる封口板と、ナイロン66製の環状ガスケットとから構成された電池ケース内に収容し、図1に示す構造を有し、直径11mm、厚さ5.4mmの空気電池を作製した。得られた電池では、正極ケースの底部内面から正極体の負極ケース側の表面までの最大高さ:aは、1.7mmであり、正極ケースの底部内面から負極ケースの底部内面までの高さ:bは、5.2mmであり、その比a/bは、0.33であった。また、負極の充填率は73.1%であり、負極の理論電気量は692mAhであった。
<Battery assembly>
An outer can having the above-mentioned air diffusion film, water-repellent film, air electrode, separator, negative electrode composition, and electrolyte solution, made of a steel plate tin-plated on its inner surface and having five air holes on the bottom surface with a diameter of 11 mm; -Stainless steel (SUS304)-Housed in a battery case composed of a sealing plate made of nickel clad plate and an annular gasket made of nylon 66, having the structure shown in Fig. 1, having a diameter of 11 mm and a thickness of 5. A 4 mm air battery was produced. In the obtained battery, the maximum height from the bottom inner surface of the positive electrode case to the surface on the negative electrode case side of the positive electrode body: a is 1.7 mm, and the height from the bottom inner surface of the positive electrode case to the bottom inner surface of the negative electrode case : B was 5.2 mm, and the ratio a / b was 0.33. In addition, the filling factor of the negative electrode was 73.1%, and the theoretical electric quantity of the negative electrode was 692 mAh.

(実施例2)
正極の集電体として、線径:100μmで、縦1.0mm×横1.0mmの網目を有するステンレス網を用い、実施例1で作製した正極シートを前記ステンレス網に圧着させ、乾燥させた後、直径:11mmの円形に打ち抜くことにより、折り曲げ強度が2.04(N/cm)の正極体を作製した。
(Example 2)
As the positive electrode current collector, a stainless steel mesh having a wire diameter of 100 μm and a length of 1.0 mm × width of 1.0 mm was used, and the positive electrode sheet produced in Example 1 was pressure-bonded to the stainless steel mesh and dried. Thereafter, a positive electrode body having a bending strength of 2.04 (N / cm) was produced by punching into a circle having a diameter of 11 mm.

この正極体を用いた以外は実施例1と同様にして、比a/bが0.33となる空気電池を作製した。なお、直径11mmの円形に打ち抜かれた前記集電体の折り曲げ強度を求めたところ、1.3(N/cm)と算出された。   An air battery having a ratio a / b of 0.33 was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode body was used. When the bending strength of the current collector punched into a circle having a diameter of 11 mm was determined, it was calculated to be 1.3 (N / cm).

(実施例3)
正極の集電体として、線径:120μmで、縦1.0mm×横1.0mmの網目を有するステンレス網〔折り曲げ強度:1.9(N/cm)〕を用いた以外は実施例2と同様にして、比a/bが0.33となる空気電池を作製した。なお、前記正極体の折り曲げ強度は、2.75(N/cm)であった。
(Example 3)
As the positive electrode current collector, Example 2 was used except that a stainless steel mesh (bending strength: 1.9 (N / cm)) having a wire diameter of 120 μm and a length of 1.0 mm × width of 1.0 mm was used. Similarly, an air battery having a ratio a / b of 0.33 was produced. The bending strength of the positive electrode body was 2.75 (N / cm).

(比較例1)
正極体の集電体として、線径:120μmで、縦0.7mm×横0.7mmの網目を有するステンレス網〔折り曲げ強度:2.7(N/cm)〕を用いた以外は実施例2と同様にして、折り曲げ強度が3.44(N/cm)の正極体を作製した。
(Comparative Example 1)
Example 2 except that a stainless steel mesh (bending strength: 2.7 (N / cm)) having a wire diameter of 120 μm and a mesh length of 0.7 mm × width of 0.7 mm was used as the positive electrode current collector. In the same manner as above, a positive electrode body having a bending strength of 3.44 (N / cm) was produced.

この正極体を用いて電池を組み立てた以外は実施例1と同様にして、比a/bが0.25となる空気電池を作製した。   An air battery having a ratio a / b of 0.25 was produced in the same manner as in Example 1 except that the battery was assembled using this positive electrode body.

(比較例2)
正極体の集電体として、線径:150μmで、縦0.55mm×横0.55mmの網目を有するステンレス網〔折り曲げ強度:7.0(N/cm)〕を用いた以外は実施例2と同様にして、折り曲げ強度が7.87(N/cm)の正極体を作製した。
(Comparative Example 2)
Example 2 except that a stainless steel net [bending strength: 7.0 (N / cm)] having a wire diameter of 150 μm and a mesh length of 0.55 mm × width of 0.55 mm was used as the current collector of the positive electrode body. In the same manner as above, a positive electrode body having a bending strength of 7.87 (N / cm) was produced.

この正極体を用いて電池を組み立てた以外は実施例1と同様にして、比a/bが0.21となる空気電池を作製した。   An air battery having a ratio a / b of 0.21 was produced in the same manner as in Example 1 except that the battery was assembled using this positive electrode body.

実施例および比較例の空気電池について、下記の方法で負荷特性および耐漏液性を評価した。   About the air battery of an Example and a comparative example, the load characteristic and the leak-proof property were evaluated by the following method.

<負荷特性>
実施例および比較例の各空気電池に対し、室温で60Ωの負荷抵抗を接続して放電させ、電池電圧が0.9Vに低下するまでの放電容量と、放電深度が50%に達した時点での放電電圧(閉路電圧)を測定し、負荷特性を評価した。
<Load characteristics>
For each air battery of the example and the comparative example, when a load resistance of 60Ω is connected and discharged at room temperature, the discharge capacity until the battery voltage decreases to 0.9V and the depth of discharge reaches 50%. The discharge voltage (closed circuit voltage) was measured and the load characteristics were evaluated.

<耐漏液性>
負荷特性評価時の放電が終了した電池について、空気孔からの漏液の有無を調べ、耐漏液性を評価した。
<Leakage resistance>
The batteries that were discharged during the evaluation of the load characteristics were examined for leakage from the air holes and evaluated for leakage resistance.

実施例および比較例の各空気電池に係る正極の構成および比a/bを表1に示し、負極の構成を表2に示し、前記の各評価結果を表3に示す。   Table 1 shows the configuration and ratio a / b of the positive electrode according to each air battery of Examples and Comparative Examples, Table 2 shows the configuration of the negative electrode, and Table 3 shows the evaluation results.

Figure 2018037369
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表1〜表3に示す通り、適正な折り曲げ強度を有する正極体を備えた実施例1〜4の空気電池は、負荷特性評価時の放電容量が大きく、かつ放電電圧が高く、優れた負荷特性を有しており、また、その際の漏液が認められず、耐漏液性も良好であった。また、実施例1〜4の電池同士を比較すると、正極体の折り曲げ強度が小さくなるほど、負荷特性が向上する傾向が認められた。   As shown in Tables 1 to 3, the air batteries of Examples 1 to 4 provided with a positive electrode body having an appropriate bending strength have a large discharge capacity at the time of load characteristic evaluation, a high discharge voltage, and excellent load characteristics. In addition, no liquid leakage was observed, and the liquid leakage resistance was good. Moreover, when the batteries of Examples 1 to 4 were compared, a tendency was found that the load characteristics improved as the bending strength of the positive electrode body decreased.

これに対し、折り曲げ強度が大きすぎる正極体を有する比較例1、2の電池は、負荷特性評価時の放電容量が小さく、かつ放電電圧が低く、実施例の電池よりも負荷特性が劣っていた。また、比較例2の電池は、負荷特性評価時に漏液が生じていた。   In contrast, the batteries of Comparative Examples 1 and 2 having a positive electrode body with too high bending strength had a low discharge capacity and a low discharge voltage when evaluating the load characteristics, and the load characteristics were inferior to the batteries of the examples. . Further, the battery of Comparative Example 2 was leaked during the load characteristic evaluation.

1 空気電池
2 外装缶
3 封口板
4 正極体(空気極)
5 負極
6 セパレータ
7 空気拡散膜
8 撥水膜
9 空気孔
10 樹脂製ガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air battery 2 Exterior can 3 Sealing plate 4 Positive electrode body (air electrode)
5 Negative electrode 6 Separator 7 Air diffusion film 8 Water repellent film 9 Air hole 10 Resin gasket

Claims (8)

空気孔を有する正極ケースと、負極ケースと、樹脂製ガスケットとからなる電池ケース内に、空気拡散膜、撥水膜、正極体およびセパレータが前記正極ケースの底部側から順に収容されており、前記セパレータと前記負極ケースとの間に負極が収容されている空気電池であって、
前記正極体は、折り曲げ強度が3.15N/cm以下であることを特徴とする空気電池。
In a battery case composed of a positive electrode case having air holes, a negative electrode case, and a resin gasket, an air diffusion film, a water repellent film, a positive electrode body and a separator are accommodated in order from the bottom side of the positive electrode case, An air battery in which a negative electrode is accommodated between a separator and the negative electrode case,
The air battery according to claim 1, wherein the positive electrode body has a bending strength of 3.15 N / cm or less.
前記正極ケースの底部内面から、前記正極体の負極ケース側の表面までの最大高さをa(mm)とし、前記正極ケースの底部内面から、前記負極ケースの底部内面までの高さをb(mm)としたとき、その比:a/bが0.25以上である請求項1に記載の空気電池。   The maximum height from the bottom inner surface of the positive electrode case to the surface on the negative electrode case side of the positive electrode body is a (mm), and the height from the bottom inner surface of the positive electrode case to the bottom inner surface of the negative electrode case is b ( The air battery according to claim 1, wherein the ratio: a / b is 0.25 or more. 前記正極体は、触媒およびフッ素樹脂バインダーを含有する触媒層と、金属製の網からなる集電体とを有している請求項1または2に記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the positive electrode body has a catalyst layer containing a catalyst and a fluororesin binder, and a current collector made of a metal net. 前記正極体の厚みが300μm以上である請求項1〜3のいずれかに記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the positive electrode body has a thickness of 300 μm or more. 前記撥水膜の厚みが150μm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the water repellent film has a thickness of 150 μm or less. 前記セパレータと前記負極ケースとの間に形成された空間の体積に対する前記負極の充填率が60%以上である請求項1〜4のいずれかに記載の空気電池。   The air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein a filling rate of the negative electrode with respect to a volume of a space formed between the separator and the negative electrode case is 60% or more. 請求項1〜6のいずれかに記載の空気電池を製造する方法であって、
前記正極体を、触媒層と、折り曲げ強度が3.2N/cm以下の集電体とを用いて構成することを特徴とする空気電池の製造方法。
A method for producing the air battery according to claim 1,
A method for producing an air battery, wherein the positive electrode body is configured using a catalyst layer and a current collector having a bending strength of 3.2 N / cm or less.
触媒およびフッ素樹脂バインダーを含有する触媒層と、金属製の網からなる集電体とを有する前記正極体を使用した請求項7に記載の空気電池の製造方法。   The method for producing an air battery according to claim 7, wherein the positive electrode body having a catalyst layer containing a catalyst and a fluororesin binder and a current collector made of a metal net is used.
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