JP2019032970A - Aqueous lithium - air secondary battery - Google Patents

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真行 近藤
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Abstract

To provide an aqueous lithium - an air secondary battery, having a charge capacity.SOLUTION: An aqueous lithium - an air secondary battery 100 comprises: a metal lithium layer 1; a solid electrolyte layer 5; a reaction prevention layer 4 arranged between the metal lithium layer 1 and the solid electrolyte layer 5; a first organic liquid electrolyte layer 31 arranged between the metal lithium layer 1 and the reaction prevention layer 4; and a conductive porous layer 2 arranged between the metal lithium layer 1 and the first organic electrolyte layer 31. The conductive porous layer 2 comprises: a porous base 28 formed by an insulation body; and a conductive layer 29 coating an inner surface of the porous base 28.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水系リチウム−空気二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous lithium-air secondary battery.

正極活物質として空気中の酸素を利用する金属−空気二次電池は、エネルギー密度が高いことで知られている。特に、負極活物質として金属リチウム(Li)を用いるリチウム−空気二次電池は、最大級の理論重量エネルギー密度(単位重量あたりの充電容量)を有するため注目されている。   Metal-air secondary batteries that use oxygen in the air as the positive electrode active material are known for their high energy density. In particular, a lithium-air secondary battery using metallic lithium (Li) as a negative electrode active material has been attracting attention because it has the largest theoretical weight energy density (charge capacity per unit weight).

リチウム−空気二次電池の電解液としては、非水系の溶媒を電解液として用いる場合と、水系の電解液を用いる場合とがある。
水系の電解液を使用すると、非水系電解液を用いる場合に比べて、放電時における正極側(空気極側)で酸素の還元反応が速く進み、また、充電時には水の酸化反応が可能であり、高出力化に有利である。しかし、金属リチウムは、水と高い反応性を有するため問題がある。一方、有機電解液を用いると、充電に伴い金属リチウムが樹状に析出して成長する、いわゆるリチウムデンドライトの成長が問題となる。
As an electrolytic solution of the lithium-air secondary battery, there are a case where a non-aqueous solvent is used as an electrolytic solution and a case where an aqueous electrolytic solution is used.
When aqueous electrolyte is used, oxygen reduction reaction proceeds faster on the positive electrode side (air electrode side) during discharge than when non-aqueous electrolyte solution is used, and water oxidation reaction is possible during charging. It is advantageous for high output. However, metallic lithium has a problem because it has high reactivity with water. On the other hand, when an organic electrolytic solution is used, the growth of so-called lithium dendrite, in which metallic lithium precipitates and grows with charging, becomes a problem.

そこで、負極としての金属リチウムの層(金属リチウム層)の表面を、水不透過性(非透水性)のリチウムイオン導電体で被覆して、金属リチウムに水系の電解液を接触させない工夫がされている。水不透過性のリチウムイオン導電体としては例えば、チタン(Ti)を含むガラスセラミック(リチウムイオン導電性ガラスセラミック、以下、LATPと称する)が用いられている。しかし、LATPは、金属リチウムと接触すると、LATPのチタン成分が還元されて、リチウムイオン導電性が低下する問題がある。   Therefore, the surface of the metal lithium layer (metal lithium layer) as a negative electrode is covered with a water-impermeable (non-water-permeable) lithium ion conductor so that an aqueous electrolyte does not contact the metal lithium. ing. As the water-impermeable lithium ion conductor, for example, a glass ceramic (lithium ion conductive glass ceramic, hereinafter referred to as LATP) containing titanium (Ti) is used. However, when LATP comes into contact with metallic lithium, there is a problem that the titanium component of LATP is reduced and the lithium ion conductivity is lowered.

そこで、金属リチウム層とLATP層との間にリチウムイオン導電性を有する無機系固体電解質を反応防止層として挿入する工夫がされている。しかし、反応防止層を挿入すると、金属リチウム層と反応防止層との界面や、反応防止層とLATPとの界面における抵抗(界面抵抗)が増加する問題がある。また放電反応時には、金属リチウム層からリチウムイオンが正極方向へ移動して、金属リチウム層が収縮するため、金属リチウム層と反応防止層との界面に空隙が生じ、リチウムイオン導電性が低下して、放電反応が低下する問題がある(以上、特許文献1)。   Therefore, a device has been devised in which an inorganic solid electrolyte having lithium ion conductivity is inserted as a reaction preventing layer between the metallic lithium layer and the LATP layer. However, when a reaction prevention layer is inserted, there is a problem that resistance (interface resistance) at the interface between the metal lithium layer and the reaction prevention layer or at the interface between the reaction prevention layer and LATP increases. Also, during the discharge reaction, lithium ions move from the metal lithium layer toward the positive electrode, and the metal lithium layer contracts, creating voids at the interface between the metal lithium layer and the reaction preventing layer, reducing lithium ion conductivity. There is a problem that the discharge reaction is lowered (Patent Document 1).

そこで、反応防止層として、流動性を有する電解質層を用い、界面抵抗を低減しつつ、充放電に伴う金属リチウム層の体積変化に追従させる工夫がされている。流動性を有する電解質層として、たとえば、有機溶媒にリチウム塩を溶解した有機電解液を用いたり(特許文献2)、さらに有機電解液の流動性調整(流動性の低下)を目的として、有機電解液にポリマーを溶解させたゲル電解質を用いたりする場合がある(特許文献3)。しかし、有機電解液を用いると、リチウムデンドライトの成長が問題となる。   Therefore, a contrivance has been made to use a fluid electrolyte layer as the reaction preventing layer and to follow the volume change of the metal lithium layer accompanying charge / discharge while reducing the interface resistance. As the electrolyte layer having fluidity, for example, an organic electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used (Patent Document 2), and for the purpose of adjusting the fluidity of the organic electrolytic solution (decreasing fluidity), organic electrolysis In some cases, a gel electrolyte obtained by dissolving a polymer in a liquid is used (Patent Document 3). However, when an organic electrolyte is used, the growth of lithium dendrite becomes a problem.

そこで、反応防止層として、リチウム塩をポリエチレンオキサイド(PEO)などのポリマーに分散させた真性ポリマー電解質の検討もされており、ポリマーが有する結晶性によりリチウムデンドライトの成長を抑制できることが知られている。しかし、真性ポリマー電解質は、室温で固体であるため、そのままでは充放電に伴う金属リチウム層の体積変化に追従できない。そのため、リチウム−空気二次電池を加熱して、真性ポリマー電解質を軟化させて、金属リチウムの体積変化の追従させる必要があるため問題である(特許文献3)。   Therefore, an intrinsic polymer electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a polymer such as polyethylene oxide (PEO) has been studied as a reaction prevention layer, and it is known that the growth of lithium dendrite can be suppressed by the crystallinity of the polymer. . However, since the intrinsic polymer electrolyte is solid at room temperature, it cannot follow the volume change of the metallic lithium layer accompanying charging / discharging as it is. Therefore, it is a problem because it is necessary to heat the lithium-air secondary battery to soften the intrinsic polymer electrolyte and to follow the volume change of metallic lithium (Patent Document 3).

そこで、反応防止層として真性ポリマー電解質層を用いる場合の界面抵抗を低減しつつ、金属リチウム層の体積変化に対する追従性を向上させるため、真性ポリマー電解質層と金属リチウム層との間に、ポリマーを溶解しない有機電解液層をさらに配置する工夫もされている(特許文献4)。しかし、有機電解液層の有機溶媒が真性ポリマー電解質層のポリマーに浸潤し、真性ポリマー電解質層中の結晶状態にムラが出て、リチウムデンドライド耐性の低下が生じ、局所的にリチウムデンドライドが発生して成長する問題が知られている。また、局所的なリチウムデンドライドの成長により生じた応力でLATPを破損する問題も生じ得る。   Therefore, in order to improve the followability to the volume change of the metallic lithium layer while reducing the interface resistance when using the intrinsic polymer electrolyte layer as the reaction preventing layer, a polymer is interposed between the intrinsic polymer electrolyte layer and the metallic lithium layer. A device has also been devised in which an organic electrolyte layer that does not dissolve is further arranged (Patent Document 4). However, the organic solvent in the organic electrolyte layer infiltrates into the polymer in the intrinsic polymer electrolyte layer, causing unevenness in the crystalline state in the intrinsic polymer electrolyte layer, resulting in a decrease in lithium dendride resistance, and lithium dendride locally Problems that occur and grow are known. In addition, there may be a problem that LATP is damaged by stress generated by local growth of lithium dendride.

そこで、金属リチウム層と有機電解液層との間に導電性弾性材で形成された導電性弾性層を設けることで、導電性弾性部材を電子伝導の補助材として機能させ、リチウムデンドライトの発生を抑制しつつ、導電性弾性部材の弾性力を利用して、リチウムデンドライトの成長に伴う応力を緩和して、固体電解質としてのLATPへの応力集中を緩和する工夫が提案されている。導電性弾性材としては、例えば、チタン製のエキスパンドメタルが利用されている(特許文献5)。   Therefore, by providing a conductive elastic layer formed of a conductive elastic material between the metal lithium layer and the organic electrolyte layer, the conductive elastic member functions as an electronic conduction auxiliary material, and lithium dendrite is generated. There has been proposed a technique for reducing the stress concentration on LATP as a solid electrolyte by using the elastic force of the conductive elastic member while suppressing the stress accompanying the growth of lithium dendrite. As the conductive elastic material, for example, an expanded metal made of titanium is used (Patent Document 5).

特表2007−513464号公報JP-T-2007-513464 特許第5354580号公報Japanese Patent No. 5354580 特許第5382573号公報Japanese Patent No. 5382573 特開2016−091856号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2006-091856 特開2017−091745号公報JP 2017-091745 A

しかし、導電性弾性層を設けると、充電時におけるリチウムの析出は導電性弾性層における正極側(反応防止層の側)で起こりやすく、一方、放電時におけるリチウムの溶解(イオン化にともなう溶出)は、負極側(金属リチウム層の側)で起こりやすくなる場合があった。つまり、充電時に析出させた金属リチウムを、放電時にリチウムイオンとして溶出させることができず、放電可能な充電容量(放電容量)を大きくできなかった。   However, when a conductive elastic layer is provided, lithium deposition during charging tends to occur on the positive electrode side (anti-reaction layer side) of the conductive elastic layer, while lithium dissolution (elution due to ionization) during discharge occurs. In some cases, it tends to occur on the negative electrode side (metal lithium layer side). That is, the metal lithium deposited at the time of charging cannot be eluted as lithium ions at the time of discharging, and the chargeable capacity (discharge capacity) cannot be increased.

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、充電容量の大きい水系リチウム−空気二次電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide an aqueous lithium-air secondary battery having a large charge capacity.

上記目的を達成するための本発明に係る水系リチウム−空気二次電池の特徴構成は、
金属リチウム層と、
固体電解質層と、
前記金属リチウム層と前記固体電解質層との間に配置された反応防止層と、
前記金属リチウム層と前記反応防止層との間に配置された有機電解液層と、
前記金属リチウム層と前記有機電解液層との間に配置された導電性多孔質層とを備え、
前記導電性多孔質層は、絶縁体で形成された多孔質基材と、前記多孔質基材の内表面を覆う導電体層を備える点にある。
In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the aqueous lithium-air secondary battery according to the present invention is as follows:
A metallic lithium layer;
A solid electrolyte layer;
A reaction preventing layer disposed between the metal lithium layer and the solid electrolyte layer;
An organic electrolyte layer disposed between the metal lithium layer and the reaction preventing layer;
A conductive porous layer disposed between the metal lithium layer and the organic electrolyte layer;
The said electroconductive porous layer exists in the point provided with the electroconductive layer which covers the porous base material formed with the insulator, and the inner surface of the said porous base material.

上記構成によれば、反応防止層を、金属リチウム層と固体電解質層との間に配置して、金属リチウムと固体電解質層との直接的な接触を回避できる。そして、固体電解質層のリチウムイオン導電性を低下させずに維持できる。(※固体電解質層にチタンを含む限定をしていないため、接触回避とチタンの還元防止の関係はあえて記載していません)
また、有機電解液層を、金属リチウム層と反応防止層との間に配置することで、有機電解液の流動により充放電に伴う金属リチウム層の体積変化に対する追従性を向上させることができる。そして、金属リチウム層と反応防止層との間のリチウムイオン導電性を向上させることができる。
また、導電性多孔質層を、金属リチウム層と有機電解液層との間に配置することで、導電性多孔質層を電子伝導の補助材として機能させ、リチウムデンドライトの発生を抑制することができる。その結果、固体電解質への応力集中を緩和し、またリチウムデンドライトと固体電解質との直接的な接触を回避できる。そして、固体電解質層のリチウムイオン導電性を低下させずに維持できる。
According to the said structure, a reaction prevention layer can be arrange | positioned between a metal lithium layer and a solid electrolyte layer, and a direct contact with metal lithium and a solid electrolyte layer can be avoided. And it can maintain, without reducing the lithium ion conductivity of a solid electrolyte layer. (* Since the solid electrolyte layer is not limited to include titanium, the relationship between avoidance of contact and prevention of titanium reduction is not shown)
Moreover, the followability with respect to the volume change of the metal lithium layer accompanying charging / discharging can be improved by the flow of organic electrolyte solution by arrange | positioning an organic electrolyte solution layer between a metal lithium layer and a reaction prevention layer. And the lithium ion electroconductivity between a metallic lithium layer and a reaction prevention layer can be improved.
In addition, by disposing the conductive porous layer between the metal lithium layer and the organic electrolyte layer, the conductive porous layer can function as an auxiliary material for electronic conduction and suppress the generation of lithium dendrite. it can. As a result, stress concentration on the solid electrolyte can be alleviated and direct contact between the lithium dendrite and the solid electrolyte can be avoided. And it can maintain, without reducing the lithium ion conductivity of a solid electrolyte layer.

さらに、導電性多孔質層が多孔質基材であることで、有機電解質をその内部に保持し、また、有機電解質が導電性多孔質層を通流可能となって、充電時におけるリチウムの析出を、導電性多孔質層の負極側(金属リチウム層の側)において促進することができる。そのため、充電容量の低下を回避することができる。
また、多孔質基材が絶縁体であるから、多孔質基材の内表面を覆う導電体層の厚みを変更ないし調整することのみで、導電性多孔質層の電子伝導性、すなわち電気抵抗(電気抵抗率)を変更し、また、調整することができる。その結果、導電性多孔質層の電気抵抗率を容易に調整して、リチウムデンドライトの成長を抑制することができる。そして、固体電解質層のリチウムイオン導電性を低下させずに維持できる。
したがって、上記構成によれば、充電容量の低下を回避し、また、電解質層のリチウムイオン導電性を低下させずに維持することで、充電容量の大きい水系リチウム−空気二次電池を提供することができる。
Furthermore, since the conductive porous layer is a porous base material, the organic electrolyte is held inside, and the organic electrolyte can flow through the conductive porous layer, so that lithium is deposited during charging. Can be promoted on the negative electrode side (metal lithium layer side) of the conductive porous layer. As a result, a reduction in charge capacity can be avoided.
In addition, since the porous substrate is an insulator, only by changing or adjusting the thickness of the conductor layer covering the inner surface of the porous substrate, the electronic conductivity of the conductive porous layer, that is, the electric resistance ( The electrical resistivity) can be changed and adjusted. As a result, the electrical resistivity of the conductive porous layer can be easily adjusted to suppress the growth of lithium dendrite. And it can maintain, without reducing the lithium ion conductivity of a solid electrolyte layer.
Therefore, according to the above configuration, it is possible to provide an aqueous lithium-air secondary battery having a large charge capacity by avoiding a decrease in charge capacity and maintaining the lithium ion conductivity of the electrolyte layer without decreasing. Can do.

ここで、絶縁体とは、その電気抵抗率が10の8乗Ωm以上の材料(物質)をいう。
また、多孔質基材が絶縁体である、とは、当該多孔質基材が、絶縁体の材料でおよそ一体に形成されていることを意味するのであって、絶縁体の材料に導電性を付与した材料を一体に形成したものを含まない。
多孔質基材の内表面とは、多孔質基材の細孔の表面の事をいい、多孔質基材と有機電解質とが接触可能な表面のことを言う。
多孔質基材の内表面を覆う導電体層、とは、必ずしも多孔質基材の内表面全体を連続して覆うひとつの層である必要は無い。導電体層の態様としては、たとえば、多孔質基材の内表面の一部を層としての膜の状態で覆う、不連続な層である場合を含み、これらの膜が島状に点在する場合を含む。すなわち、導電体層における、層としての膜の連続性は限定されない。
Here, the insulator means a material (substance) having an electrical resistivity of 10 8 Ωm or more.
Further, that the porous base material is an insulator means that the porous base material is substantially integrally formed of an insulator material, and the insulator material is made conductive. It does not include those formed integrally with the applied material.
The inner surface of the porous substrate refers to the surface of the pores of the porous substrate, and refers to the surface on which the porous substrate and the organic electrolyte can come into contact.
The conductor layer covering the inner surface of the porous substrate does not necessarily need to be one layer that continuously covers the entire inner surface of the porous substrate. Examples of the conductive layer include a case where the conductive layer is a discontinuous layer that covers a part of the inner surface of the porous base material in the form of a film as a layer, and these films are dotted in an island shape. Including cases. That is, the continuity of the film as a layer in the conductor layer is not limited.

本発明に係る水系リチウム−空気二次電池の更なる特徴構成は、
前記多孔質基材は、絶縁体としてのポリアミド樹脂を基材とした不織布であり、
前記導電体層は、金属メッキ層である点にある。
Further features of the aqueous lithium-air secondary battery according to the present invention are as follows:
The porous substrate is a nonwoven fabric based on a polyamide resin as an insulator,
The conductor layer is a metal plating layer.

上記構成によれば、ポリアミド樹脂を基材とした不織布は弾性を備えており、リチウムデンドライトの成長に伴う応力で容易に変形し、その変形により当該応力を受け流すことができる。その結果、固体電解質への応力集中を緩和することができる。なお、ポリアミド樹脂とは、アミド結合を主体としたポリマーであり、ナイロン樹脂やアラミド樹脂が含まれる。
また、導電体層として金属メッキ層を用いることで、導電体層の厚みや、導電体層としての膜の連続性を、メッキ条件の変更により容易に調整できるようになる。つまり、導電性多孔質層の電気抵抗率を容易に調整できるようになる。そのため、導電性多孔質層の電気抵抗率を適切に調整して、充電容量の大きい水系リチウム−空気二次電池を提供することができる。
According to the said structure, the nonwoven fabric which made the polyamide resin a base material is equipped with elasticity, and can deform | transform easily with the stress accompanying the growth of lithium dendrite, and can receive the said stress by the deformation | transformation. As a result, stress concentration on the solid electrolyte can be relaxed. Polyamide resin is a polymer mainly composed of amide bonds, and includes nylon resin and aramid resin.
Moreover, by using a metal plating layer as the conductor layer, the thickness of the conductor layer and the continuity of the film as the conductor layer can be easily adjusted by changing the plating conditions. That is, the electrical resistivity of the conductive porous layer can be easily adjusted. Therefore, it is possible to provide an aqueous lithium-air secondary battery having a large charge capacity by appropriately adjusting the electrical resistivity of the conductive porous layer.

本発明に係る水系リチウム−空気二次電池の更なる特徴構成は、
前記導電性多孔質層の電気抵抗率は、3Ωm以上70Ωm未満である点にある。
Further features of the aqueous lithium-air secondary battery according to the present invention are as follows:
The electrically conductive porous layer has an electrical resistivity of 3 Ωm or more and less than 70 Ωm.

上記構成によれば、リチウムデンドライトの成長を特に良く抑制することができる。
また、充電時におけるリチウムの析出を、導電性多孔質層の負極側(金属リチウム層の側)において特に促進することができる。
その結果、放電可能な充電容量の低下を回避して、放電可能な充電容量の大きい水系リチウム−空気二次電池を提供することができる。
According to the said structure, the growth of lithium dendrite can be suppressed especially well.
In addition, lithium deposition during charging can be particularly promoted on the negative electrode side (metal lithium layer side) of the conductive porous layer.
As a result, it is possible to provide a water-based lithium-air secondary battery having a large chargeable discharge capacity while avoiding a decrease in chargeable charge capacity.

水系リチウム−空気二次電池の基本的な構成を説明する概略断面図Schematic cross-sectional view illustrating the basic configuration of an aqueous lithium-air secondary battery 本願発明に係る水系リチウム−空気二次電池の充電時の状態説明図State explanatory drawing at the time of charge of the water based lithium-air secondary battery according to the present invention 本願発明に係る水系リチウム−空気二次電池の放電時の状態説明図State explanatory diagram at the time of discharging of the water based lithium-air secondary battery according to the present invention 従来の水系リチウム−空気二次電池の充電時の状態説明図State explanatory diagram at the time of charge of the conventional water-based lithium-air secondary battery 従来の係る水系リチウム−空気二次電池の放電時の状態説明図State explanatory drawing at the time of discharge of the conventional water based lithium-air secondary battery 評価セルの概略構成図Schematic configuration diagram of evaluation cell 放電特性の評価結果を示す図Figure showing the evaluation results of discharge characteristics 不織布の表面の拡大図(顕微鏡観察図)Enlarged view of the surface of the nonwoven fabric (microscopic view) 実施例1のメッキ後の不織布の拡大図(顕微鏡観察図)Enlarged view of non-woven fabric after plating in Example 1 (microscope observation view) 実施例2のメッキ後の不織布の拡大図(顕微鏡観察図)Enlarged view of the nonwoven fabric after plating in Example 2 (microscopic observation view) 実施例1の導電性多孔質層の表面観察図(充電後、作用極側)Surface observation of conductive porous layer of Example 1 (after charging, working electrode side) 実施例1の導電性多孔質層の表面観察図(充電後、対極側)Surface observation view of conductive porous layer of Example 1 (after charging, counter electrode side) 実施例1の導電性多孔質層の表面観察図(放電後、作用極側)Surface observation diagram of conductive porous layer of Example 1 (after discharge, working electrode side) 実施例1の導電性多孔質層の表面観察図(放電後、対極側)Surface observation diagram of conductive porous layer of Example 1 (after discharge, counter electrode side) 実施例2の導電性多孔質層の表面観察図(充電後、作用極側)Surface observation diagram of conductive porous layer of Example 2 (after charging, working electrode side) 実施例2の導電性多孔質層の表面観察図(充電後、対極側)Surface observation diagram of conductive porous layer of Example 2 (after charging, counter electrode side) 実施例2の導電性多孔質層の表面観察図(放電後、作用極側)Surface observation of conductive porous layer of Example 2 (after discharge, working electrode side) 実施例2の導電性多孔質層の表面観察図(放電後、対極側)Surface observation drawing of conductive porous layer of Example 2 (after discharge, counter electrode side)

図1から図18に基づいて、本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池について説明する。   A water based lithium-air secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

〔実施形態の概略構成〕
本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池の概略構成を図1に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池100は、金属リチウム層1と、固体電解質層5と、金属リチウム層1と固体電解質層5との間に配置された反応防止層4と、金属リチウム層1と反応防止層4との間に配置された第一有機電解液層31(有機電解液層3)と、金属リチウム層1と第一有機電解液層31との間に配置された導電性多孔質層2とを備え、導電性多孔質層2は、絶縁体で形成された多孔質基材28と、多孔質基材28の内表面を覆う導電体層29を備えている。
[Schematic Configuration of Embodiment]
A schematic configuration of an aqueous lithium-air secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
An aqueous lithium-air secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention includes a metal lithium layer 1, a solid electrolyte layer 5, a reaction prevention layer 4 disposed between the metal lithium layer 1 and the solid electrolyte layer 5, and The first organic electrolyte layer 31 (organic electrolyte layer 3) disposed between the metal lithium layer 1 and the reaction preventing layer 4 and the metal lithium layer 1 and the first organic electrolyte layer 31 are disposed. The conductive porous layer 2 includes a porous substrate 28 made of an insulator and a conductor layer 29 that covers the inner surface of the porous substrate 28. Yes.

本発明の実施形態に係る水系リチウム−空気二次電池100は、さらに、第二有機電解液層32、水系電解液層6、および正極層7を備え、金属リチウム層1の側から正極層7の側に向けて順に、金属リチウム層1、導電性多孔質層2、第一有機電解液層31、反応防止層4、第二有機電解液層32、反応防止層4、固体電解質層5、水系電解液層6、正極層7の順に層状に重ねた状態で一体の二次電池セルとして構成されている。
金属リチウム層1の正極層7に向かう面12の他方側の面11(図2から図4参照)には、負極集電体(図示せず)が接続されており、正極層7の金属リチウム層1に向かう面の他方側には、正極集電体が接続されている。
正極層7には、酸素として、空気Gが供給される。
また図示しないが、この二次電池セルは、電池容器に収容されて使用される。
The aqueous lithium-air secondary battery 100 according to the embodiment of the present invention further includes a second organic electrolytic solution layer 32, an aqueous electrolytic solution layer 6, and a positive electrode layer 7, and the positive electrode layer 7 from the metallic lithium layer 1 side. The metal lithium layer 1, the conductive porous layer 2, the first organic electrolyte layer 31, the reaction prevention layer 4, the second organic electrolyte layer 32, the reaction prevention layer 4, the solid electrolyte layer 5, The secondary battery cell is configured as an integral body in a state where the aqueous electrolyte layer 6 and the positive electrode layer 7 are layered in this order.
A negative electrode current collector (not shown) is connected to a surface 11 (see FIGS. 2 to 4) on the other side of the surface 12 facing the positive electrode layer 7 of the metallic lithium layer 1. A positive electrode current collector is connected to the other side of the surface facing the layer 1.
Air G is supplied to the positive electrode layer 7 as oxygen.
Moreover, although not shown in figure, this secondary battery cell is accommodated and used for a battery container.

〔実施形態の詳細な説明〕
以下、図1に基づいて水系リチウム−空気二次電池100の詳細構成を説明する。
[Detailed Description of Embodiment]
Hereinafter, the detailed configuration of the water based lithium-air secondary battery 100 will be described with reference to FIG.

金属リチウム層1は、水系リチウム−空気二次電池100の負極である。
金属リチウム層1は、金属状態のリチウムで形成されている。
金属リチウム層1は、薄膜状ないし板状に形成されており、本実施形態では薄膜状の金属リチウム箔を用いている。金属リチウム層1は、たとえば30μmから300μmの薄膜ないし板状に形成されたものを用いる。
The metal lithium layer 1 is a negative electrode of the water based lithium-air secondary battery 100.
The metallic lithium layer 1 is made of metallic lithium.
The metal lithium layer 1 is formed in a thin film shape or plate shape, and a thin film metal lithium foil is used in this embodiment. As the metal lithium layer 1, for example, a thin film or plate formed with a thickness of 30 μm to 300 μm is used.

正極層7は、水系リチウム−空気二次電池100の負極である。
正極層7は、水系リチウム−空気二次電池100として通常使用可能なものを使用できる。
本実施形態では、正極層7は、金属リチウム層1に向かう側にある触媒層と、金属リチウム層1に向かう側の他方側にあるガス拡散層とで構成される。触媒層は、放電用触媒としての白金担持カーボン粉末と、充電用触媒としての二酸化イリジウム粉末とを混合して層状に形成したものが用いられる。ガス拡散層としては、撥水処理を行ったカーボンペ−パを用いている。つまり本実施形態における正極層7は、触媒層にカーボンペ−パを接合したものを用いることができる。
The positive electrode layer 7 is a negative electrode of the water based lithium-air secondary battery 100.
As the positive electrode layer 7, one that can be normally used as the water based lithium-air secondary battery 100 can be used.
In the present embodiment, the positive electrode layer 7 includes a catalyst layer on the side facing the metal lithium layer 1 and a gas diffusion layer on the other side facing the metal lithium layer 1. As the catalyst layer, a layer formed by mixing platinum-supported carbon powder as a discharge catalyst and iridium dioxide powder as a charge catalyst is used. As the gas diffusion layer, a carbon paper subjected to water repellent treatment is used. That is, as the positive electrode layer 7 in this embodiment, a catalyst layer obtained by bonding a carbon paper to the catalyst layer can be used.

水系電解液層6は、リチウムイオン電導性の水系の電解液の層である。
水系電解液層6は、流動性の高い液状、あるいは水溶性高分子を添加したゲル状の電解液を用いることができる。
本実施形態では、水系電解液層6は、オレフィン製セパレータに水系電解液を含浸させた層を用いている。なお、この水系電解液は、水酸化リチウムの飽和水溶液に対して、塩化リチウムの濃度が10mol/Lとなるように調製した。
The aqueous electrolyte layer 6 is a lithium ion conductive aqueous electrolyte layer.
The aqueous electrolyte layer 6 can be a liquid electrolyte having high fluidity or a gel electrolyte solution to which a water-soluble polymer is added.
In this embodiment, the aqueous electrolyte layer 6 uses a layer in which an olefin separator is impregnated with an aqueous electrolyte. In addition, this aqueous electrolyte solution was prepared so that the density | concentration of lithium chloride might be 10 mol / L with respect to the saturated aqueous solution of lithium hydroxide.

固体電解質層5は、水不透過性のリチウムイオン導電体である。
本実施形態では、固体電解質層5は、水不透過性のリチウムイオン導電体として、水不透過性のリチウムイオン導電導性ガラスセラミック(LATP)を用いている。
LATPとしては、チタンを含む以下の構成のものが用いられる。すなわち、
Li1+X(M,Al,Ga)X(Ge1−yTiy)−X(PO
(ここで、X<0.8と0<Y<1.0とを満たし、MがNd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybからなる群から選択される元素)
および/あるいは、
Li1+X+yQxTi−XSiyP−yO12
(ここで0<X<0.4と0<Y<0.6とを満たし、QがAlあるいはGaである)
で表わされるものを好適に用いることができる。
The solid electrolyte layer 5 is a water-impermeable lithium ion conductor.
In the present embodiment, the solid electrolyte layer 5 uses a water-impermeable lithium ion conductive glass ceramic (LATP) as a water-impermeable lithium ion conductor.
As LATP, the following structure containing titanium is used. That is,
Li1 + X (M, Al, Ga) X (Ge1-yTiy) 2 -X (PO 4) 3
(Where X <0.8 and 0 <Y <1.0, and M is an element selected from the group consisting of Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb )
And / or
Li1 + X + yQxTi 2 -XSiyP 3 -yO 12
(Where 0 <X <0.4 and 0 <Y <0.6 are satisfied, and Q is Al or Ga)
What is represented by can be used suitably.

反応防止層4は、リチウム塩をポリマーに分散させた、真性ポリマー電解質の層であり、有機溶媒を含まない電解質の層である。
反応防止層4は、室温付近(25℃前後)で固体である。
反応防止層4のホスト(リチウム塩が分散される媒体)となるポリマーには、PEO、PPO等を使用することができる。リチウム塩は、LiPF、LiClO、LiBF、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSO)N、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等である。
反応防止層4は、真性ポリマーとしての結晶性ポリマーであるPEOに、LiTFSIを分散した真性ポリマー電解質であるPEO−LiTFSI電解質を含むとよい。PEO−LiTFSI電解質は、機械的強度が高く、且つ、現在知られている真性ポリマー電解質の中で最もリチウムイオン導電率が高く、反応防止層4として好ましい。
The reaction preventing layer 4 is an intrinsic polymer electrolyte layer in which a lithium salt is dispersed in a polymer, and is an electrolyte layer that does not contain an organic solvent.
The reaction preventing layer 4 is solid around room temperature (around 25 ° C.).
PEO, PPO, etc. can be used for the polymer used as the host (medium in which the lithium salt is dispersed) of the reaction preventing layer 4. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 4 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxalatoborate), and the like.
The reaction preventing layer 4 may include a PEO-LiTFSI electrolyte that is an intrinsic polymer electrolyte in which LiTFSI is dispersed in PEO that is a crystalline polymer as an intrinsic polymer. The PEO-LiTFSI electrolyte has a high mechanical strength and the highest lithium ion conductivity among the currently known intrinsic polymer electrolytes, and is preferable as the reaction preventing layer 4.

有機電解液層3は、反応防止層4を溶解しない有機溶媒を溶媒とした液体状の電解液の層である。有機電解液層3はとしては、鎖状エーテル系の溶媒を用いた有機電解液を好適に用いることができる。鎖状エーテル系の溶媒としては、1,2.−ジメトキシエタン(DME)、1,1−ジメトキシプロパン(DMP)、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等が挙げられる。
有機電解液層3は、本実施形態では、反応防止層4の、金属リチウム層1の側にある第一有機電解液層31と、反応防止層4の正極層7の側にある第二有機電解液層32とを含んで構成される。
The organic electrolyte layer 3 is a liquid electrolyte layer using an organic solvent that does not dissolve the reaction preventing layer 4 as a solvent. As the organic electrolyte layer 3, an organic electrolyte using a chain ether solvent can be preferably used. Examples of the chain ether solvent include 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,1-dimethoxypropane (DMP), 1,2-ethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane (EME), and the like. .
In this embodiment, the organic electrolyte layer 3 is composed of the first organic electrolyte layer 31 on the metal lithium layer 1 side of the reaction preventing layer 4 and the second organic layer on the cathode layer 7 side of the reaction preventing layer 4. And an electrolytic solution layer 32.

第一有機電解液層31を用いると、反応防止層4と金属リチウム層1の表面粗さに起因する界面の接続性を向上させることができる。
つまり、第一有機電解液層31の液体状の電解液が、金属リチウム層1と反応防止層4の表面の凹凸を埋めて、金属リチウム層1と反応防止層4との間の界面抵抗を低減し、リチウムイオン導電性を向上させることができる。
When the first organic electrolyte layer 31 is used, the interface connectivity resulting from the surface roughness of the reaction preventing layer 4 and the metal lithium layer 1 can be improved.
That is, the liquid electrolyte solution of the first organic electrolyte layer 31 fills the irregularities on the surfaces of the metal lithium layer 1 and the reaction prevention layer 4, thereby reducing the interface resistance between the metal lithium layer 1 and the reaction prevention layer 4. And lithium ion conductivity can be improved.

第二有機電解液層32を用いると、反応防止層4や固体電解質層5の表面粗さに起因する界面の接続性を向上させることができる。
つまり、第二有機電解液層32の液体状の電解液が、反応防止層4と固体電解質層5の表面の凹凸を埋めて、反応防止層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減し、リチウムイオン導電性を向上させることができる。
When the second organic electrolyte layer 32 is used, interface connectivity due to the surface roughness of the reaction preventing layer 4 or the solid electrolyte layer 5 can be improved.
That is, the liquid electrolyte solution of the second organic electrolyte layer 32 fills the irregularities on the surfaces of the reaction preventing layer 4 and the solid electrolyte layer 5, thereby reducing the interface resistance between the reaction preventing layer 4 and the solid electrolyte layer 5. And lithium ion conductivity can be improved.

導電性多孔質層2は、第一有機電解液層31の電解液をその内部に浸透可能な多孔質の基材の層である。また、導電性多孔質層2は、その基材である多孔質基材28が絶縁体であり、多孔質基材28の内部表面に電子伝導性を有する導電体層29を備えた電子導電性の層である。
導電性多孔質層2は、絶縁体で形成された多孔質基材28と、多孔質基材28の内表面を覆う導電体層29を備えている。
The conductive porous layer 2 is a layer of a porous base material capable of penetrating the electrolytic solution of the first organic electrolytic solution layer 31 therein. In addition, the conductive porous layer 2 is an electronic conductive material in which the porous base material 28 is an insulator, and the inner surface of the porous base material 28 is provided with a conductive layer 29 having electron conductivity. Layer.
The conductive porous layer 2 includes a porous substrate 28 made of an insulator and a conductor layer 29 that covers the inner surface of the porous substrate 28.

多孔質基材28は、可塑性を有する絶縁体で形成されている。可塑性を有する絶縁体としては特に、弾性変形性を有する材料が好ましい。
ここで、絶縁体とは、その電気抵抗率が10の8乗Ωm以上の材料(物質)をいう。
The porous substrate 28 is formed of a plastic insulator. As the insulator having plasticity, a material having elastic deformability is particularly preferable.
Here, the insulator means a material (substance) having an electrical resistivity of 10 8 Ωm or more.

多孔質基材28は、絶縁体の材料でおよそ一体に形成された、導電性多孔質層2の骨格となる基材部分である。
多孔質基材28を形成する弾性変形性を有する絶縁体としては、樹脂が好ましい。導電性多孔質層2を形成する樹脂としては、オレフィン樹脂(ポリオレフィン)、アミド樹脂(ポリアミド)などの樹脂を用いることができ、特にアミド樹脂が好適である。
アミド樹脂としては、アラミド樹脂やナイロン樹脂を用いることができ、特にナイロン樹脂が好適である。
The porous base material 28 is a base material portion that is substantially integrally formed of an insulating material and serves as a skeleton of the conductive porous layer 2.
As the insulator having elastic deformation that forms the porous substrate 28, a resin is preferable. As the resin for forming the conductive porous layer 2, a resin such as an olefin resin (polyolefin) or an amide resin (polyamide) can be used, and an amide resin is particularly preferable.
As the amide resin, an aramid resin or a nylon resin can be used, and a nylon resin is particularly preferable.

多孔質基材28は、第一有機電解液層31の電解液をその内部に浸透させて保持可能な細孔を内部に有する基材である。
多孔質基材28としては例えば基材内部で発泡させたようなスポンジ状の発泡体や、繊維を絡めて成型したフェルト状の不織布を用いることができる。
The porous base material 28 is a base material having pores that can be held by allowing the electrolyte solution of the first organic electrolyte layer 31 to permeate therein.
As the porous base material 28, for example, a sponge-like foam that is foamed inside the base material or a felt-like non-woven fabric formed by entwining fibers can be used.

導電体層29は、多孔質基材28の内表面上に形成された電子導電性を有する材料でなる層である。
ここで、多孔質基材28の内表面とは、多孔質基材28の細孔の表面の事をいい、多孔質基材28と有機電解液とが接触可能な表面のことを言う。
The conductor layer 29 is a layer made of a material having electronic conductivity formed on the inner surface of the porous substrate 28.
Here, the inner surface of the porous substrate 28 refers to the surface of the pores of the porous substrate 28 and refers to the surface on which the porous substrate 28 and the organic electrolyte solution can come into contact.

導電体層29を形成する材料としては、金属や炭素材、およびこれら金属や炭素材を混練した樹脂コンパウンドなど、電子導電性を有する材料であって、有機電解液層3の電解液の有機溶剤で溶解、可塑化、膨潤などされないものを用いる。   The material for forming the conductor layer 29 is a material having electronic conductivity, such as a metal, a carbon material, and a resin compound obtained by kneading the metal or the carbon material, and an organic solvent of the electrolyte solution of the organic electrolyte layer 3 Use those that are not dissolved, plasticized, or swollen.

導電体層29は、必ずしも多孔質基材28の内表面全体を連続して覆う一体の層である必要は無い。導電体層29の態様としては、たとえば、多孔質基材28の内表面の一部を層としての膜の状態で覆う、不連続な層である場合を含み、これらの膜が島状に点在する場合を含む。すなわち、導電体層29における、層としての膜の連続性は限定されない。   The conductor layer 29 is not necessarily an integral layer that continuously covers the entire inner surface of the porous substrate 28. The conductor layer 29 includes, for example, a discontinuous layer that covers a part of the inner surface of the porous substrate 28 in the form of a film as a layer, and these films are dotted like islands. Including the case where it exists. That is, the continuity of the film as a layer in the conductor layer 29 is not limited.

本実施形態においては、導電性多孔質層2の多孔質基材28として、アラミド樹脂の繊維25を複雑に絡めあわせたものを熱接着した不織布を用いている。不織布である多孔質基材28の、熱接着された繊維25の接着部分は繊維同士が熱接着されており、多孔質基材28として、一体に形成されている。   In the present embodiment, as the porous base material 28 of the conductive porous layer 2, a non-woven fabric obtained by thermally bonding a complex entanglement of aramid resin fibers 25 is used. The bonded portion of the heat-bonded fibers 25 of the porous base material 28 that is a nonwoven fabric is heat-bonded to each other and is integrally formed as the porous base material 28.

また、導電性多孔質層2の導電体層29としては、不織布である多孔質基材28の内表面、すなわち、不織布である多孔質基材28を形成する繊維25の表面に設けたニッケルのメッキ層を用いている。
このニッケルのメッキ層は、たとえば無電解ニッケルメッキ法により形成される。具体的には、不織布としての多孔質基材28を、無電解ニッケルメッキ液に浸して形成される。無電解ニッケルメッキ法により形成されるメッキ層は、多孔質基材28における、無電解ニッケルメッキ液が浸透し、無電解ニッケルメッキ液と接触する繊維25の表面部分に形成される。
The conductive layer 29 of the conductive porous layer 2 is made of nickel provided on the inner surface of the porous base material 28 that is a non-woven fabric, that is, on the surface of the fiber 25 that forms the porous base material 28 that is a non-woven fabric. A plating layer is used.
The nickel plating layer is formed by, for example, an electroless nickel plating method. Specifically, the porous base material 28 as a nonwoven fabric is formed by dipping in an electroless nickel plating solution. The plating layer formed by the electroless nickel plating method is formed on the surface portion of the fiber 25 in the porous substrate 28 through which the electroless nickel plating solution penetrates and contacts the electroless nickel plating solution.

導電性多孔質層2の電気抵抗率は、3Ωm以上70Ωm未満とするのがよく、特に好ましくは、5Ωmから50Ωm程度とするのが好ましい。
このように、導電性多孔質層2が多孔質基材28と導電体層29とで形成されて、上記電気抵抗率の範囲に調整されると、充放電時におけるリチウムの溶解析出が効率良く行える。
The electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is preferably 3 Ωm or more and less than 70 Ωm, and particularly preferably about 5 Ωm to 50 Ωm.
As described above, when the conductive porous layer 2 is formed of the porous base material 28 and the conductor layer 29 and is adjusted to the above electric resistivity range, the dissolution and precipitation of lithium at the time of charging and discharging is efficiently performed. Yes.

具体的には、図2に示すごとく、充電時におけるリチウムの析出物dを、金属リチウム層1および導電性多孔質層2の表面全域において均質に生じさせることができる。また、放電時においては、図3に示すごとく、金属リチウム層1のリチウム、および、導電性多孔質層2の表面に析出したリチウムの析出物dのイオン化(溶解)を、金属リチウム層1の表面および導電性多孔質層2の表面全域において均質に行うことができる。   Specifically, as shown in FIG. 2, lithium precipitates d at the time of charging can be uniformly generated over the entire surface of the metallic lithium layer 1 and the conductive porous layer 2. Further, at the time of discharging, as shown in FIG. 3, ionization (dissolution) of lithium in the metal lithium layer 1 and lithium precipitate d deposited on the surface of the conductive porous layer 2 is caused to occur in the metal lithium layer 1. It can be performed uniformly over the surface and the entire surface of the conductive porous layer 2.

導電性多孔質層2の電気抵抗率が小さすぎると、導電性多孔質層2に浸み込んだ第一有機電解液層31の電解液を移動するリチウムイオンよりも、導電性多孔質層2を移動する電子の方が、相対的に移動しやすい状態になる。   If the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is too small, the conductive porous layer 2 is more than the lithium ions that move the electrolyte solution of the first organic electrolyte layer 31 soaked in the conductive porous layer 2. The electrons that move are more easily moved.

そのため、充電時において金属リチウム層1から供給される電子は、導電性多孔質層2に対して優先して供給される。そして導電性多孔質層2に供給された電子は、導電性多孔質層2の正極層7側に向かう面22の近傍から第一有機電解液層31の電解液に供給される。   Therefore, the electrons supplied from the metal lithium layer 1 during charging are supplied with priority to the conductive porous layer 2. Then, the electrons supplied to the conductive porous layer 2 are supplied to the electrolyte solution of the first organic electrolyte layer 31 from the vicinity of the surface 22 of the conductive porous layer 2 facing the positive electrode layer 7 side.

したがって、図4に示すごとく、第一有機電解液層31のリチウムイオンは、導電性多孔質層2の面22に偏って析出し、析出物dとなる。面22に偏って析出したリチウムの一部は、デンドライトとして成長し、水系リチウム−空気二次電池100の容量やサイクル特性を低下せしめることになる。
一方、放電時においては、金属リチウム層1から電子が奪われて、金属リチウム層1の正極層7に向かう側の面12から優先してリチウムイオンが溶出する。また、金属リチウム層1に近い側の導電性多孔質層2の面21の近傍からリチウムイオンが溶出する。
Therefore, as shown in FIG. 4, the lithium ions in the first organic electrolyte layer 31 are preferentially deposited on the surface 22 of the conductive porous layer 2 to become a precipitate d. A part of the lithium deposited on the surface 22 grows as dendrite, and the capacity and cycle characteristics of the aqueous lithium-air secondary battery 100 are reduced.
On the other hand, at the time of discharge, electrons are taken from the metal lithium layer 1 and lithium ions are preferentially eluted from the surface 12 of the metal lithium layer 1 facing the positive electrode layer 7. Further, lithium ions are eluted from the vicinity of the surface 21 of the conductive porous layer 2 on the side close to the metallic lithium layer 1.

そのため、充放電を繰り返すと金属リチウム層1が選択的に溶解(溶出)することになり、図5に示すごとく、金属リチウム層1の面12が浸食された状態になる。また、導電性多孔質層2の面22の近傍には、リチウムのデントライトが成長しやすい状態になる。
そして、金属リチウム層1の面12が浸食されるため、金属リチウム層1と導電性多孔質層2との間に空隙eを生じる。この空隙eのため、金属リチウム層1と導電性多孔質層2との電気的な接点が少なくなって、金属リチウム層1と導電性多孔質層2との間での電子の伝導性がさらに低下する。その結果、金属リチウム層1の浸食がさらに進行し、水系リチウム−空気二次電池100の容量やサイクル特性を低下せしめることになる。
Therefore, when charging and discharging are repeated, the metal lithium layer 1 is selectively dissolved (eluting), and the surface 12 of the metal lithium layer 1 is eroded as shown in FIG. Further, in the vicinity of the surface 22 of the conductive porous layer 2, lithium dentite is likely to grow.
Since the surface 12 of the metal lithium layer 1 is eroded, a gap e is generated between the metal lithium layer 1 and the conductive porous layer 2. Due to the gap e, the number of electrical contacts between the metallic lithium layer 1 and the conductive porous layer 2 is reduced, and the conductivity of electrons between the metallic lithium layer 1 and the conductive porous layer 2 is further increased. descend. As a result, the erosion of the metal lithium layer 1 further proceeds, and the capacity and cycle characteristics of the water based lithium-air secondary battery 100 are reduced.

〔実施例の説明〕
以下、本願に係る水系リチウム−空気二次電池100の評価の具体例について説明する。
以下の実施例、比較例では、水系リチウム−空気二次電池100を直接評価するかわりに、水系リチウム−空気二次電池100の特性と対応する評価セル90を作成して評価に供する。
[Explanation of Examples]
Hereinafter, specific examples of the evaluation of the water based lithium-air secondary battery 100 according to the present application will be described.
In the following examples and comparative examples, instead of directly evaluating the aqueous lithium-air secondary battery 100, an evaluation cell 90 corresponding to the characteristics of the aqueous lithium-air secondary battery 100 is created and used for evaluation.

〔実施例1〕
〔真性ポリマー電解質の作成〕
反応防止層4には、PEO−LiTFSIの電解質膜を用いた。
まず、アセトニトリル(和光純薬製、特級)溶媒55gを秤量する。そして、当該溶媒中に、ポリマー成分としてPEO(SIGMA−ALDRICH勢、MW:60万)3.67gと、電解質成分として、LiTFSI(SIGMA−ALDRICH製)1.33gを投入する。そしてこれを室温でよく攪拌し、完全に溶解させて溶液を得る。
[Example 1]
[Creation of intrinsic polymer electrolyte]
For the reaction prevention layer 4, an electrolyte membrane of PEO-LiTFSI was used.
First, 55 g of acetonitrile (made by Wako Pure Chemicals, special grade) solvent is weighed. Then, 3.67 g of PEO (SIGMA-ALDRICH, MW: 600,000) as a polymer component and 1.33 g of LiTFSI (manufactured by SIGMA-ALDRICH) are charged as an electrolyte component in the solvent. And this is stirred well at room temperature and dissolved completely to obtain a solution.

次に、この溶液中にチタン酸バリウム粉末(Alfa Aesar製)0.56gを投入し、攪拌し、良く分散させて分散溶液を得る。
次に、この分散溶液を、予め、ポリアミド製の不織布(日本バイリーン株式会社製:FT−765、厚さ:150μm)を載置したシリコン製のキャスティング容器に直接注ぎ込む。そして、この分散溶液を120℃で3時間真空乾燥し、アセトニトリルを完全に除去して、不織布の細孔中に、PEO−LiTFSI電解質が充填されている不織布含浸PEO−LiTFSI電解質(厚さ:150μm)を作製し、これを直径2.0cmの円形に切り出して反応防止層4として用いる。
Next, 0.56 g of barium titanate powder (manufactured by Alfa Aesar) is put into this solution, stirred, and well dispersed to obtain a dispersion solution.
Next, this dispersion solution is poured directly into a silicon casting container in which a polyamide nonwoven fabric (manufactured by Japan Vilene Co., Ltd .: FT-765, thickness: 150 μm) is placed in advance. And this dispersion solution was vacuum-dried at 120 degreeC for 3 hours, acetonitrile was removed completely, and the nonwoven fabric impregnation PEO-LiTFSI electrolyte (thickness: 150 micrometers) by which the PEO-LiTFSI electrolyte was filled in the pore of the nonwoven fabric. ) Is cut out into a circle having a diameter of 2.0 cm and used as the reaction preventing layer 4.

〔有機電解液の調整〕
有機電解液層3の電解液に相当する有機電解液39として、鎖状エーテル系有機電解液を用いた。
本実施例では、鎖状エーテル系有機電解液として、1mol/L LiTFSI DME電解液(キシダ化学株式会社製バッテリーグレード)を、そのまま有機電解液層3として用いる。
[Adjustment of organic electrolyte]
A chain ether organic electrolyte was used as the organic electrolyte 39 corresponding to the electrolyte of the organic electrolyte layer 3.
In this example, 1 mol / L LiTFSI DME electrolytic solution (battery grade manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) is used as the organic electrolytic solution layer 3 as it is as the chain ether-based organic electrolytic solution.

〔導電性多孔質層の作成〕
導電性多孔質層2として、ポリアミド性の不織布(日本バイリーン株式会社製、FT−765、厚み150μm)を多孔質基材28とし、この不織布にニッケルメッキを施して、そのメッキ層を導電体層29としたものを用いた。
まず、アルカリ洗浄した多孔質基材28を、10倍に希釈したピンクシューマー液(日本カニゼン株式会社製)に、常温(約25℃)下で3分から10分間浸漬し、取り出す。
次に、5倍に希釈したレッドシューマー液(日本カニゼン株式会社製)に、これを常温(約25℃)下で3分から10分間浸漬し、取り出す。
そしてこれを、5倍に希釈した無電解ニッケルメッキ液(日本カニゼン株式会社製:SE―680)に、28℃のメッキ液の温度下でメッキ時間を30秒間として浸漬し、取り出して、ニッケルメッキ(金属メッキ層の一つの態様)された導電性不織布を得て、これを直径2.0cmの円形に切り出して導電性多孔質層2として用いる。
なお、無電解ニッケルメッキ法は、基材を無電解ニッケルメッキ液に長時間浸漬させると、その基材表面に形成されるメッキ層の厚みが増加することが知られている。
(Creation of conductive porous layer)
As the conductive porous layer 2, a polyamide non-woven fabric (manufactured by Nippon Vilene Co., Ltd., FT-765, thickness 150 μm) is used as the porous base material 28. 29 was used.
First, the porous substrate 28 that has been subjected to alkali cleaning is immersed in a Pink Schummer solution (manufactured by Nippon Kanisen Co., Ltd.) diluted 10 times at room temperature (about 25 ° C.) for 3 to 10 minutes and then taken out.
Next, it is immersed in a Red Schumater solution diluted by 5 times (manufactured by Nippon Kanisen Co., Ltd.) at room temperature (about 25 ° C.) for 3 to 10 minutes and taken out.
Then, this was immersed in an electroless nickel plating solution diluted by a factor of 5 (manufactured by Nippon Kanisen Co., Ltd .: SE-680) at a plating solution temperature of 28 ° C. for 30 seconds, taken out, and nickel plated. A conductive nonwoven fabric (one embodiment of the metal plating layer) is obtained, cut into a circle having a diameter of 2.0 cm, and used as the conductive porous layer 2.
In the electroless nickel plating method, it is known that when a base material is immersed in an electroless nickel plating solution for a long time, the thickness of the plating layer formed on the surface of the base material increases.

この実施例1のニッケルメッキする前の不織布の顕微鏡観察図を図8に示す。
また、この実施例1のニッケルメッキ後の不織布(導電性多孔質層2)の顕微鏡観察図を図9に示す。
A microscopic observation of the nonwoven fabric before nickel plating in Example 1 is shown in FIG.
Moreover, the microscopic observation figure of the nonwoven fabric (conductive porous layer 2) after the nickel plating of this Example 1 is shown in FIG.

この実施例1の導電性多孔質層2のメッキ量、電気抵抗率R、リチウムイオン抵抗RLの測定結果を表1に示す。なお、表1におけるリチウムイオン抵抗RLは、導電性多孔質層2に有機電解液層3を含浸させた場合の値を示している。   Table 1 shows the measurement results of the plating amount, electrical resistivity R, and lithium ion resistance RL of the conductive porous layer 2 of Example 1. In addition, the lithium ion resistance RL in Table 1 shows a value when the conductive porous layer 2 is impregnated with the organic electrolyte layer 3.

〔充放電評価セルの作製〕
充放電の評価を目的として、HSフラットセル(宝泉株式会社製)を評価セル90として用いた。図6に、評価セル90の概略構成を示す。
効率評価を行う作用極15として、負極集電体となる厚さ50μmの銅箔(株式会社ニラコ製)を、リチウム金属を供給する対極14として、厚さ200μmの金属リチウム箔(本城金属株式会社製)を用いる。
なお、作用極15および対極14は、直径1.5cmの円形に切り出して用いる。
[Production of charge / discharge evaluation cell]
An HS flat cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.) was used as the evaluation cell 90 for the purpose of charge / discharge evaluation. FIG. 6 shows a schematic configuration of the evaluation cell 90.
As a working electrode 15 for evaluating the efficiency, a copper foil (made by Nilaco Co., Ltd.) having a thickness of 50 μm serving as a negative electrode current collector, and a metal lithium foil having a thickness of 200 μm (Honjo Metal Co., Ltd.) as a counter electrode 14 supplying lithium metal Company).
The working electrode 15 and the counter electrode 14 are cut out into a circle having a diameter of 1.5 cm.

作用極15と対極14との直接的な接触を防止するために、作用極15と対極14との間に、上記の反応防止層4を配置する。さらに、作用極15の近傍へのリチウムの析出を促進するため、作用極15と反応防止層4との間に、導電性多孔質層2を配置する。   In order to prevent direct contact between the working electrode 15 and the counter electrode 14, the reaction preventing layer 4 is disposed between the working electrode 15 and the counter electrode 14. Furthermore, the conductive porous layer 2 is disposed between the working electrode 15 and the reaction preventing layer 4 in order to promote the precipitation of lithium near the working electrode 15.

そして、図6に示すように、下から作用極15、導電性多孔質層2、反応防止層4、対極14の順に積層させた積層体99を、評価セル90の容器91に収容する。
容器91は、蓋となる上側容器91a、評価セル90を載置する下側容器91b、および下側容器91bを上側容器91aで蓋をして閉じた際に、上側容器91aと下側容器91bとをシールするоリング91cを備える。積層体99は、対極14の背面側から下側容器91bに向けて、バネ95が積層体99を押す状態で容器91に収容する。
下側容器91bを上側容器91aで閉じた後、容器91に有機電解液層3を充填する。容器91に有機電解液39を充填すると、導電性多孔質層2の細孔に、有機電解液39が満たされる。
Then, as illustrated in FIG. 6, a stacked body 99 in which the working electrode 15, the conductive porous layer 2, the reaction preventing layer 4, and the counter electrode 14 are stacked in this order from the bottom is accommodated in a container 91 of the evaluation cell 90.
The container 91 includes an upper container 91a and a lower container 91b when the upper container 91a serving as a lid, a lower container 91b on which the evaluation cell 90 is placed, and the lower container 91b are closed with the upper container 91a closed. О ring 91c is provided. The laminated body 99 is accommodated in the container 91 in a state in which the spring 95 pushes the laminated body 99 from the back side of the counter electrode 14 toward the lower container 91b.
After closing the lower container 91b with the upper container 91a, the container 91 is filled with the organic electrolyte layer 3. When the container 91 is filled with the organic electrolyte 39, the pores of the conductive porous layer 2 are filled with the organic electrolyte 39.

対極14と作用極15とは、容器91を介して、それぞれ電線93、電線94で充放電評価装置96(ポテンショ/ガルバノスタット、BioLogic製:VMP3)に接続される。
そして、積層体99をバネ95により対極14の背面側から所定の荷重(例えば、所定の荷重として49.03N)で押圧した状態で容器91を閉じる。
The counter electrode 14 and the working electrode 15 are connected to a charging / discharging evaluation device 96 (potenti / galvanostat, manufactured by BioLogic: VMP3) via a container 91 with a wire 93 and a wire 94, respectively.
Then, the container 91 is closed in a state where the laminated body 99 is pressed by the spring 95 from the back side of the counter electrode 14 with a predetermined load (for example, 49.03 N as the predetermined load).

この実施例では、作用極15に析出するリチウムが、本実施形態の金属リチウム層1に対応する。
また、この実施例では、対極14が、固体電解質層5と水系電解液層6と正極層7とに対応する。
また、この実施例では、有機電解液39は、有機電解液層3に相当する。
図6には図示されないが、有機電解液39は、導電性多孔質層2の細孔内に浸透している。また、有機電解液39は、導電性多孔質層2と反応防止層4との界面部分に浸透し、実質的に第一有機電解液層31を形成している。同様に、有機電解液39は、反応防止層4と対極14との間に浸透し、実質的に第二有機電解液層32を形成している。
In this example, lithium deposited on the working electrode 15 corresponds to the metal lithium layer 1 of the present embodiment.
In this embodiment, the counter electrode 14 corresponds to the solid electrolyte layer 5, the aqueous electrolyte layer 6, and the positive electrode layer 7.
In this embodiment, the organic electrolyte 39 corresponds to the organic electrolyte layer 3.
Although not shown in FIG. 6, the organic electrolytic solution 39 penetrates into the pores of the conductive porous layer 2. Further, the organic electrolyte 39 penetrates into the interface portion between the conductive porous layer 2 and the reaction preventing layer 4 to substantially form the first organic electrolyte layer 31. Similarly, the organic electrolytic solution 39 permeates between the reaction preventing layer 4 and the counter electrode 14 to substantially form the second organic electrolytic solution layer 32.

〔充放電評価〕
評価セル90を、28℃に保持した恒温槽中に静置し、充放電評価装置96を用いて+0.2mA/cm×100Hr(20mAh/cm)の充電操作を行い、作用極15および導電性多孔質層2に金属リチウムを析出させた後、0.4mA/cm2×50Hrの放電操作(足きり電位:−0.5V)を行った。
この評価セル90の放電特性の評価結果を図7に示す。以下では、実施例1の評価セル90を、セルA1と称する。
また、この実施例1の充放電前後の導電性多孔質層2の表面観察図を図11から図14に示す。
なお、図7の横軸は、単位面積当たりの放電容量C(mAh/cm)を表し、図7の縦軸は、放電時の電圧E(V)を示す。
[Charge / discharge evaluation]
The evaluation cell 90 is left still in a thermostat kept at 28 ° C., and a charge / discharge evaluation apparatus 96 is used to perform a charging operation of +0.2 mA / cm 2 × 100 Hr (20 mAh / cm 2 ). After metal lithium was deposited on the conductive porous layer 2, a discharge operation (footstep potential: -0.5 V) of 0.4 mA / cm2 × 50 Hr was performed.
The evaluation results of the discharge characteristics of this evaluation cell 90 are shown in FIG. Below, the evaluation cell 90 of Example 1 is called cell A1.
Moreover, the surface observation figure of the electroconductive porous layer 2 before and behind charging / discharging of this Example 1 is shown in FIGS.
7 represents the discharge capacity C (mAh / cm 2 ) per unit area, and the vertical axis in FIG. 7 represents the voltage E (V) during discharge.

ここで、放電容量は、二次電池が蓄えた電力のうち、放電可能な電力の量を意味し、いわゆる二次電池として通常用いる場合の充電容量に対応する。つまり、放電容量は、二次電池から取り出すことの出来る充電容量を意味し、この値が大きいほど、二次電池として優れている。   Here, the discharge capacity means the amount of electric power that can be discharged out of the electric power stored in the secondary battery, and corresponds to the charge capacity when normally used as a so-called secondary battery. That is, the discharge capacity means the charge capacity that can be taken out from the secondary battery, and the larger this value, the better the secondary battery.

〔実施例2〕
実施例2の評価セル90は、実施例1の導電性多孔質層2の作成工程における、無電解ニッケルメッキ液への浸漬条件を変更し、これを、28℃のメッキ液の温度下でメッキ時間を90秒間の浸漬とした以外は同じである。
この実施例2のニッケルメッキ後の不織布(導電性多孔質層2)の顕微鏡観察図を図10に示す。
実施例1と同様に、導電性多孔質層2の電気抵抗率Rなどの評価結果を表1に、また、評価セル90の放電特性の評価結果を図7に示す。以下では、実施例2の評価セル90を、セルA2と称する。
また、この実施例2の充放電前後の導電性多孔質層2の表面観察図を図15から図18に示す。
[Example 2]
In the evaluation cell 90 of Example 2, the dipping conditions in the electroless nickel plating solution in the process of forming the conductive porous layer 2 of Example 1 were changed, and this was plated at a temperature of 28 ° C. plating solution. It is the same except that the time is 90 seconds.
The microscope observation figure of the nonwoven fabric (conductive porous layer 2) after the nickel plating of this Example 2 is shown in FIG.
As in Example 1, the evaluation results such as the electrical resistivity R of the conductive porous layer 2 are shown in Table 1, and the evaluation results of the discharge characteristics of the evaluation cell 90 are shown in FIG. Hereinafter, the evaluation cell 90 of Example 2 is referred to as a cell A2.
Moreover, the surface observation figure of the electroconductive porous layer 2 before and behind charging / discharging of this Example 2 is shown in FIGS.

〔比較例1〕
比較例1は、実施例1の導電性多孔質層2の代わりに多孔質基材28の不織布をそのまま用いた以外は実施例1と同じである。
実施例1と同様に、評価セル90の放電特性の評価結果を図7に示す。以下では、比較例1の評価セル90を、セルB1と称する。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the nonwoven fabric of the porous substrate 28 is used as it is instead of the conductive porous layer 2 of Example 1.
As in Example 1, the evaluation results of the discharge characteristics of the evaluation cell 90 are shown in FIG. Hereinafter, the evaluation cell 90 of Comparative Example 1 is referred to as a cell B1.

〔比較例2〕
比較例2は、実施例1の導電性多孔質層2の代わりに導電性弾性層として厚さ150μmのチタン製エキスパンドメタル(日建ラス工業株式会社製:No.NK0713S)を用いた以外は実施例1と同じである。
実施例1と同様に、チタン製エキスパンドメタルの電気抵抗率Rなどに評価結果を表1に、また、評価セル90の放電特性の評価結果を図7に示す。以下では、比較例2の評価セル90を、セルB2と称する。
[Comparative Example 2]
Comparative Example 2 was carried out except that a titanium expanded metal having a thickness of 150 μm (manufactured by Nikken Las Industrial Co., Ltd .: No. NK0713S) was used as the conductive elastic layer instead of the conductive porous layer 2 of Example 1. Same as Example 1.
As in Example 1, the evaluation results are shown in Table 1 for the electrical resistivity R of the expanded metal made of titanium, and the evaluation results of the discharge characteristics of the evaluation cell 90 are shown in FIG. Hereinafter, the evaluation cell 90 of Comparative Example 2 is referred to as a cell B2.

〔評価結果〕
〔表1〕
〔Evaluation results〕
[Table 1]

図7によれば、所定の充電量(20mAh/cm)に対して、放電容量が大きいものから順に、セルA2(4.75mAh/cm)、セルA1(1.99mAh/cm)、セルB2(1.03mAh/cm)、セルB1(0.16mAh/cm)となっており、本願発明の構成を有するセルA1、セルA2が、本願発明の構成を有さないセルB1、セルB2に比べ、相対的に大きな放電容量を有している。したがって、本願発明によれば、充電容量の大きいリチウム−空気二次電池を提供できることがわかる。 According to FIG. 7, a predetermined amount of charge with respect to (20mAh / cm 2), in order from the discharge capacity is large, the cell A2 (4.75mAh / cm 2), the cell A1 (1.99mAh / cm 2), Cell B2 (1.03 mAh / cm 2 ), cell B1 (0.16 mAh / cm 2 ), cell A1 and cell A2 having the configuration of the present invention, cell B1 having the configuration of the present invention, Compared with the cell B2, it has a relatively large discharge capacity. Therefore, according to this invention, it turns out that a lithium-air secondary battery with a large charge capacity can be provided.

実施例2の導電性多孔質層2のニッケルメッキ層(導電体層29)の厚みは、無電解ニッケルメッキ液に実施例1のメッキ時間よりも長時間浸漬されているから、実施例1の導電性多孔質層2のニッケルメッキ層(導電体層29)の厚みよりも相対的に厚くなっていると考えられる。そのため、表1に示す通り、実施例2の導電性多孔質層2の電気抵抗率は、実施例1の導電性多孔質層2の電気抵抗率よりも相対的に小さくなっている。
つまり、導電性多孔質層2が、多孔質基材28と、多孔質基材28の内表面を覆う導電体層29とを備え、この導電体層29の厚みを変更すると、導電性多孔質層2の電気抵抗率を変更できることが判る。具体的には、導電体層29の厚みを厚くすると、導電性多孔質層2の電気抵抗率を小さくすることができ、導電体層29の厚みを薄くすると、導電性多孔質層2の電気抵抗率を大きくすることができる。
Since the thickness of the nickel plating layer (conductor layer 29) of the conductive porous layer 2 of Example 2 is immersed in the electroless nickel plating solution for a longer time than the plating time of Example 1, the thickness of Example 1 It is considered that the thickness is relatively larger than the thickness of the nickel plating layer (conductor layer 29) of the conductive porous layer 2. Therefore, as shown in Table 1, the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 of Example 2 is relatively smaller than the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 of Example 1.
That is, the conductive porous layer 2 includes a porous substrate 28 and a conductor layer 29 that covers the inner surface of the porous substrate 28. When the thickness of the conductor layer 29 is changed, the conductive porous layer 2 It can be seen that the electrical resistivity of layer 2 can be changed. Specifically, when the thickness of the conductive layer 29 is increased, the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 can be reduced, and when the thickness of the conductive layer 29 is decreased, the electrical conductivity of the conductive porous layer 2 is reduced. The resistivity can be increased.

また、表1に示す通り、比較例2のチタン製エキスパンドメタルは、最も電気抵抗率が小さい。
比較例1の不織布の電気抵抗率の計測結果は示していないが、この不織布は絶縁体であるアラミド樹脂を用いていることから、電気抵抗率は最も高いと考えられる。
Moreover, as shown in Table 1, the expanded metal made of titanium of Comparative Example 2 has the lowest electrical resistivity.
Although the measurement result of the electrical resistivity of the nonwoven fabric of the comparative example 1 is not shown, since this nonwoven fabric uses the aramid resin which is an insulator, it is thought that electrical resistivity is the highest.

個別にみると、導電性多孔質層2の代わりに不織布をそのまま用いたセルB1は、放電初期から放電電位が低下している。また、セルB1の放電容量は最も少ない。
このセルB1の放電電位の低下の程度は、導電性を有する導電性多孔質層2を用いたセルA1、セルA2、および導電性多孔質層2の代わりにチタン製エキスパンドメタルを用いたセルB2と比べて有意に大きいものとなっている。
したがって、放電電位を長時間のあいだ高い値に保つ(十分な放電容量を得る)ためには、導電性多孔質層2には、ある程度の導電性が必要であると考えられる。
When viewed individually, the discharge potential of the cell B1 using the non-woven fabric as it is instead of the conductive porous layer 2 has decreased from the beginning of discharge. Further, the discharge capacity of the cell B1 is the smallest.
The degree of decrease in the discharge potential of the cell B1 is as follows: the cell A1 using the conductive porous layer 2 having conductivity, the cell A2, and the cell B2 using titanium expanded metal instead of the conductive porous layer 2 It is significantly larger than
Therefore, in order to keep the discharge potential at a high value for a long time (to obtain a sufficient discharge capacity), it is considered that the conductive porous layer 2 needs a certain degree of conductivity.

一方、最も電気抵抗率が小さいチタン製エキスパンドメタルを用いたセルB2の放電容量に比べて、導電性を有する導電性多孔質層2を用いたセルA1、セルA2の放電容量は有意に大きくなっている。
したがって、十分な放電容量を得るためには、導電性多孔質層2には、導電性を有しつつも適度な抵抗が必要であると考えられる。
On the other hand, compared with the discharge capacity of the cell B2 using the expanded metal made of titanium having the lowest electrical resistivity, the discharge capacities of the cells A1 and A2 using the conductive porous layer 2 having conductivity are significantly increased. ing.
Therefore, in order to obtain a sufficient discharge capacity, it is considered that the conductive porous layer 2 needs an appropriate resistance while having conductivity.

導電性を有する導電性多孔質層2を用いたセルA1、セルA2との比較によれば、電気抵抗率が相対的に小さいセルA2の放電容量が有意に大きくなっている。
したがって、セルA2に用いた導電性多孔質層2の電気抵抗率の値が、少なくとも充放電サイクルにおける初期の放電容量の点では、より好ましい電気抵抗率の値であると考えられる。
また、多孔質基材28の内表面を覆う導電体層29を備え、導電体層29の厚みを変更すると、水系リチウム−空気二次電池100の放電容量が変化することがわかる。
According to the comparison with the cell A1 and the cell A2 using the conductive porous layer 2 having conductivity, the discharge capacity of the cell A2 having a relatively small electric resistivity is significantly increased.
Therefore, it is considered that the electric resistivity value of the conductive porous layer 2 used in the cell A2 is a more preferable electric resistivity value at least in terms of the initial discharge capacity in the charge / discharge cycle.
It can also be seen that when the conductor layer 29 covering the inner surface of the porous substrate 28 is provided and the thickness of the conductor layer 29 is changed, the discharge capacity of the aqueous lithium-air secondary battery 100 changes.

導電性多孔質層2のかわりに、チタン製エキスパンドメタルのような導電性弾性層を用いると、放電時におけるリチウムの溶出が、作用極15側(負極側)で起こりやすくなり、充電時に析出させた金属リチウムを、放電時にリチウムイオンとして溶出させることができず、充電容量を大きくできないことが知られている。
しかし、充放電前後の導電性多孔質層2の表面観察図(図11から図18参照)をみると、セルA1、セルA2ともに、導電性多孔質層2に対するリチウムの析出と溶解の状態は、対極14側、作用極15側において均一であることが判る。したがって、ある程度高い電気抵抗率を有する導電性多孔質層2を用いることで、充放電前後の導電性多孔質層2に対するリチウムの析出と溶解の状態が均一になり、放電容量が大きくなるものと考えられる。言い換えると、ある程度高い電気抵抗率を有する導電性多孔質層2を用いることで、放電時に利用しやすい部位に、リチウム金属を析出(生成、堆積)させることができると考えられる。
If a conductive elastic layer such as a titanium expanded metal is used instead of the conductive porous layer 2, lithium elution is likely to occur at the working electrode 15 side (negative electrode side) and is deposited during charging. It is known that the lithium metal cannot be eluted as lithium ions during discharge, and the charge capacity cannot be increased.
However, looking at the surface observation views of the conductive porous layer 2 before and after charging / discharging (see FIGS. 11 to 18), the precipitation and dissolution states of lithium in the conductive porous layer 2 in both the cells A1 and A2 are as follows. It can be seen that it is uniform on the counter electrode 14 side and the working electrode 15 side. Therefore, by using the conductive porous layer 2 having a certain high electrical resistivity, the lithium deposition and dissolution state with respect to the conductive porous layer 2 before and after charge / discharge becomes uniform, and the discharge capacity increases. Conceivable. In other words, it is considered that lithium metal can be deposited (generated and deposited) in a portion that is easily used during discharge by using the conductive porous layer 2 having a certain high electrical resistivity.

また、充放電前後の導電性多孔質層2の表面観察図(図11から図18参照)によれば、顕著なリチウムデンドライドの成長も生じていないことが判る。したがって、ある程度高い電気抵抗率を有する導電性多孔質層2を用いることで、リチウムデンドライドの成長を抑制することができると考えられる。   Moreover, according to the surface observation figure (refer FIG. 11 to FIG. 18) of the electroconductive porous layer 2 before and behind charging / discharging, it turns out that the remarkable lithium dendride growth has not arisen. Therefore, it is considered that the growth of lithium dendriide can be suppressed by using the conductive porous layer 2 having a somewhat high electrical resistivity.

セルA1とセルA2との比較によれば、導電性多孔質層2の電気抵抗率の値が小さいセルA2において、充電後の対極側へのリチウムの析出が相対的に多いことが判る。この点から、導電性多孔質層2の電気抵抗率の値はセルA2の場合よりも大きいほうが、充放電前後の導電性多孔質層2に対するリチウムの析出と溶解の状態がより均一になり、二次電池のサイクル特性の向上に寄与するものと考えられる。
したがって、二次電池の充放電サイクルにおける初期の放電容量の点では、セルA2の放電容量が大きく優れているが、二次電池のサイクル特性の点では、セルA2よりもセルA1が優れる場合もあるものと考えられる。
According to the comparison between the cell A1 and the cell A2, it can be seen that in the cell A2 where the value of the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is small, lithium deposition on the counter electrode side after charging is relatively large. From this point, when the value of the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is larger than that in the case of the cell A2, the state of precipitation and dissolution of lithium with respect to the conductive porous layer 2 before and after charging and discharging becomes more uniform. This is considered to contribute to the improvement of the cycle characteristics of the secondary battery.
Accordingly, the discharge capacity of the cell A2 is greatly superior in terms of the initial discharge capacity in the charge / discharge cycle of the secondary battery, but the cell A1 may be superior to the cell A2 in terms of the cycle characteristics of the secondary battery. It is thought that there is.

以上の結果から、導電性多孔質層2の電気抵抗率には好ましい範囲が存在するものと考えられる。具体的には導電性多孔質層2の電気抵抗率が、3Ωm以上70Ωm未満である必要がある。さらに言えば、導電性多孔質層2の電気抵抗率が、5Ωm以上65Ωm未満であることが好ましいと考えられる。特にセルA2の放電容量が突出して優れている(放電容量が大きい)ことを考慮すると、充放電サイクルの初期の放電容量を大きくするためには、導電性多孔質層2の電気抵抗率が、5Ωm以上10Ωm未満であることが特に好ましいと考えられる。   From the above results, it is considered that there is a preferable range for the electrical resistivity of the conductive porous layer 2. Specifically, the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 needs to be 3 Ωm or more and less than 70 Ωm. Furthermore, it can be considered that the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is preferably 5 Ωm or more and less than 65 Ωm. Considering that the discharge capacity of the cell A2 is particularly outstanding and excellent (the discharge capacity is large), in order to increase the initial discharge capacity of the charge / discharge cycle, the electrical resistivity of the conductive porous layer 2 is: It is considered to be particularly preferable that it is 5 Ωm or more and less than 10 Ωm.

以上のようにして、本願発明は、充電容量の大きいリチウム−空気二次電池を提供することができる。   As described above, the present invention can provide a lithium-air secondary battery having a large charge capacity.

〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、多孔質基材28として不織布を用いる場合を例示したが、不織布を用いる代わりに、多孔質基材28として、たとえばスポンジ状の発泡体を用いてもよい。不織布は、多孔質基材28の一例に過ぎない。
[Another embodiment]
(1) Although the case where a nonwoven fabric is used as the porous substrate 28 has been exemplified in the above embodiment, a sponge-like foam may be used as the porous substrate 28 instead of using the nonwoven fabric. The nonwoven fabric is only an example of the porous substrate 28.

(2)上記実施形態では、導電体層29としてニッケルのメッキ層を用いる場合を例示したが、メッキ層を用いる代わりに、多孔質基材28として、たとえば金属の蒸着膜を用いてもよい。メッキ層は、導電体層29の一例に過ぎない。 (2) In the above embodiment, the case where a nickel plating layer is used as the conductor layer 29 is exemplified. However, instead of using the plating layer, for example, a metal deposition film may be used as the porous substrate 28. The plating layer is only an example of the conductor layer 29.

(3)上記実施形態では、不織布を形成する絶縁体としてポリアミド樹脂を用いる場合を例示したが、ポリアミド樹脂を用いる代わりに、電気化学的に安定な他の樹脂、たとえば、オレフィン樹脂を用いてもよい。ポリアミド樹脂は、絶縁体の一例に過ぎない。 (3) In the above embodiment, the case where a polyamide resin is used as the insulator forming the nonwoven fabric is exemplified. However, instead of using the polyamide resin, other electrochemically stable resins such as an olefin resin may be used. Good. Polyamide resin is only an example of an insulator.

なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。   Note that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in the other embodiments as long as no contradiction arises. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

本発明は、水系リチウム−空気二次電池に有用に用いることができる。   The present invention can be usefully used for an aqueous lithium-air secondary battery.

1 :金属リチウム層
2 :導電性多孔質層
3 :有機電解液層
4 :反応防止層
5 :固体電解質層
28 :多孔質基材
29 :導電体層
31 :第一有機電解液層(有機電解液層)
32 :第二有機電解液層(有機電解液層)
39 :有機電解液(有機電解液層)
100 :水系リチウム−空気二次電池
1: Metal lithium layer 2: Conductive porous layer 3: Organic electrolyte layer 4: Reaction prevention layer 5: Solid electrolyte layer 28: Porous substrate 29: Conductor layer 31: First organic electrolyte layer (organic electrolysis Liquid layer)
32: Second organic electrolyte layer (organic electrolyte layer)
39: Organic electrolyte (organic electrolyte layer)
100: Water-based lithium-air secondary battery

Claims (3)

金属リチウム層と、
固体電解質層と、
前記金属リチウム層と前記固体電解質層との間に配置された反応防止層と、
前記金属リチウム層と前記反応防止層との間に配置された有機電解液層と、
前記金属リチウム層と前記有機電解液層との間に配置された導電性多孔質層とを備え、
前記導電性多孔質層は、絶縁体で形成された多孔質基材と、前記多孔質基材の内表面を覆う導電体層を備える水系リチウム−空気二次電池。
A metallic lithium layer;
A solid electrolyte layer;
A reaction preventing layer disposed between the metal lithium layer and the solid electrolyte layer;
An organic electrolyte layer disposed between the metal lithium layer and the reaction preventing layer;
A conductive porous layer disposed between the metal lithium layer and the organic electrolyte layer;
The conductive porous layer is an aqueous lithium-air secondary battery including a porous base material formed of an insulator and a conductor layer covering an inner surface of the porous base material.
前記多孔質基材は、絶縁体としてのポリアミド樹脂を基材とした不織布であり、
前記導電体層は、金属メッキ層である請求項1に記載の水系リチウム−空気二次電池。
The porous substrate is a nonwoven fabric based on a polyamide resin as an insulator,
The water based lithium-air secondary battery according to claim 1, wherein the conductor layer is a metal plating layer.
前記導電性多孔質層の電気抵抗率は、3Ωm以上70Ωm未満である請求項1又は2に記載の水系リチウム−空気二次電池。   The water based lithium-air secondary battery according to claim 1 or 2, wherein an electrical resistivity of the conductive porous layer is 3 Ωm or more and less than 70 Ωm.
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DE112020000959T5 (en) 2019-02-26 2021-11-18 Denso Corporation Rotating electrical machine, its stator and manufacturing process of a rotating electrical machine

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