JP2021089802A - Air electrode, metal-air battery and method for manufacturing air electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気極、前記空気極を備える金属空気電池、および前記空気極の製造方法に関する。 The present invention relates to an air electrode, a metal-air battery including the air electrode, and a method for manufacturing the air electrode.
金属空気電池は、電池の正極作用物質として空気中の酸素を使用する。この種の金属空気電池では、空気極の一方の面が電解質に接するのに対し、他方の面は空気に接する構造がとられる。通常、空気極には、空気を取り込むために空気孔が設けられ、空気極の内部は多孔質な構造を有している。電解質としては、例えば、水の表面張力を低下させて浸透性が高くなるアルカリ水溶液が用いられる。 Metal-air batteries use oxygen in the air as the positive electrode acting substance of the battery. In this type of metal-air battery, one surface of the air electrode is in contact with the electrolyte, while the other surface is in contact with the air. Normally, the air electrode is provided with an air hole for taking in air, and the inside of the air electrode has a porous structure. As the electrolyte, for example, an alkaline aqueous solution that reduces the surface tension of water to increase its permeability is used.
従来、空気極の構造および電解質の性質等によっては、電解質が空気極内部に浸透し、さらに空気極外部へ漏出する課題があった。電解質が漏出すると、電池性能が低下するとともに、長期信頼性および長寿命化を確保することができず、電解質と接触するなどの安全性の面にも課題があった。 Conventionally, there has been a problem that the electrolyte permeates into the air electrode and further leaks to the outside of the air electrode depending on the structure of the air electrode and the properties of the electrolyte. If the electrolyte leaks out, the battery performance deteriorates, long-term reliability and long life cannot be ensured, and there are problems in terms of safety such as contact with the electrolyte.
このような課題に対して、空気極61の触媒層62および集電体63に加えて、触媒層62の外側に撥水膜65を設けることも考えられる。しかし、撥水膜65によって短期的には電解質64の漏出を抑制することが可能となるが、図6に示すように、当該対策を講じていても、触媒層62に浸透した電解質64が、撥水膜65と触媒層62との間に溜まり、撥水膜65と触媒層62との界面に隙間を生じることがある。このような隙間を生じると、触媒層62と撥水膜65との間に溜まった電解質64によって、触媒層62への空気の供給量が減少し、触媒層62の電極反応が阻害されるという問題点があった。
To solve such a problem, it is conceivable to provide a
例えば特許文献1には、一方の面から他方の面へ針を突き刺すことにより複数の貫通孔が形成された触媒層を有する空気極について開示されている。この空気極では、前記貫通孔によってガス透過性を高めることが意図されている。
For example,
前記特許文献1に開示される空気極は、ガス透過性だけが考慮されており、前記貫通孔からの電解質の漏出の可能性については検討されていない。そのため、電解質が触媒層の表面を覆ってしまうことで、反応に必要な空気が触媒層に届きにくくなり、電池寿命の劣化を招くことに加え、安全性の面でも課題は依然として残っている。
The air electrode disclosed in
本発明は、前記のような課題にかんがみてなされたものであり、その目的とするところは、撥水膜と触媒層との剥離を防止するとともに電解質の漏出を防止して電池性能を高め、信頼性および安全性に優れた空気極、前記空気極を備える金属空気電池、および前記空気極の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to prevent peeling of the water-repellent film and the catalyst layer and prevent leakage of electrolyte to improve battery performance. It is an object of the present invention to provide an air electrode having excellent reliability and safety, a metal-air battery including the air electrode, and a method for manufacturing the air electrode.
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、集電体と、撥水膜と、前記集電体と前記撥水膜との間に配置された触媒層とを備える空気極を前提としており、この空気極として、前記触媒層は厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、前記貫通孔は、前記触媒層の表面および裏面に開口する開口径と、前記触媒層内部の孔径である層内孔径とが異なり、表面側の前記開口径、裏面側の前記開口径、および前記層内孔径のうち、前記層内孔径において最大径を有することを特徴としている。 The solution of the present invention for achieving the above object is premised on an air electrode including a current collector, a water repellent film, and a catalyst layer arranged between the current collector and the water repellent film. As the air electrode, the catalyst layer has a plurality of through holes penetrating in the thickness direction, and the through holes have an opening diameter opening on the front surface and the back surface of the catalyst layer and a hole diameter inside the catalyst layer. It is characterized in that it has the largest diameter in the layer among the opening diameter on the front surface side, the opening diameter on the back surface side, and the inner hole diameter in the layer, which is different from the inner hole diameter.
この特定事項により、前記触媒層の貫通孔は、金属空気電池における電解質を前記集電体側へ戻す作用をなし、前記触媒層と前記撥水膜との間に電解質が溜まらない構造の空気極を構成することができる。そのため、前記空気極では、前記撥水膜を通して空気を前記触媒層まで到達させることができ、円滑に電極反応を進行させることが可能となる。 Due to this specific matter, the through hole of the catalyst layer acts to return the electrolyte in the metal-air battery to the current collector side, and an air electrode having a structure in which the electrolyte does not accumulate between the catalyst layer and the water repellent film is formed. Can be configured. Therefore, at the air electrode, air can reach the catalyst layer through the water-repellent film, and the electrode reaction can proceed smoothly.
また、前記空気極を備える金属空気電池も本発明の技術的思想の範疇である。すなわち、前記構成に係る空気極と、金属極と、電解質とを備えたことを特徴としている。 A metal-air battery provided with the air electrode is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, it is characterized in that it includes an air electrode, a metal electrode, and an electrolyte according to the above configuration.
これにより、前記空気極は触媒層と撥水膜との間に前記電解質が溜まらない構造を備えたものであるので、電極反応が円滑に進行し、金属空気電池としての出力低下が抑制されて、電池寿命を高めることが可能となる。 As a result, the air electrode has a structure in which the electrolyte does not accumulate between the catalyst layer and the water-repellent film, so that the electrode reaction proceeds smoothly and the decrease in output as a metal-air battery is suppressed. , It is possible to extend the battery life.
また、前記空気極を形成するための空気極の製造方法も本発明の技術的思想の範疇である。すなわち、集電体と、撥水膜と、前記集電体と前記撥水膜との間に配置された触媒層とを有し、前記触媒層は厚み方向に貫通する複数の貫通孔を備える空気極の製造方法であって、可溶性物質からなる複数の等方性の粒子を保持した触媒層の前記粒子を溶解して除去し、前記触媒層に貫通孔を形成する溶解工程とを含むことを特徴としている。 Further, a method for manufacturing an air electrode for forming the air electrode is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, it has a current collector, a water-repellent film, and a catalyst layer arranged between the current collector and the water-repellent film, and the catalyst layer has a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. A method for producing an air electrode, which includes a dissolution step of dissolving and removing the particles of a catalyst layer holding a plurality of isotropic particles made of a soluble substance to form through holes in the catalyst layer. It is characterized by.
この特定事項により、前記触媒層に層内孔径が最大径である複数の前記貫通孔を容易に形成することが可能となる。また、前記金属空気電池を構成する電解質を利用して、可溶性粒子を溶解することが可能であるので、前記触媒層に効率よく貫通孔を形成することができ、生産性、信頼性および安全性のいずれに優れたものとすることができる。 According to this specific matter, it becomes possible to easily form a plurality of the through holes having the maximum inner diameter in the catalyst layer. Further, since the soluble particles can be dissolved by using the electrolyte constituting the metal-air battery, through holes can be efficiently formed in the catalyst layer, and productivity, reliability and safety can be obtained. It can be excellent in any of the above.
本発明により、電解質の漏出を防止し得て電池性能が高められ、信頼性および安全性に優れた空気極、前記空気極を備える金属空気電池を提供することが可能となる。また、本発明の空気極の製造方法により、貫通孔を備えた触媒層を有する空気極を容易に形成することが可能となる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an air electrode which can prevent leakage of an electrolyte, enhance battery performance, and have excellent reliability and safety, and a metal-air battery provided with the air electrode. Further, according to the method for producing an air electrode of the present invention, it is possible to easily form an air electrode having a catalyst layer having through holes.
以下、本発明の実施形態に係る空気極、金属空気電池、および空気極の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing an air electrode, a metal-air battery, and an air electrode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る空気極の概略構造を示す部分断面図である。図2〜図4は、本実施形態に係る空気極の製造方法の説明図である。図5は、本実施形態に係る金属空気電池の概略断面図である。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a schematic structure of an air electrode according to the present embodiment. 2 to 4 are explanatory views of a method for manufacturing an air electrode according to the present embodiment. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the metal-air battery according to the present embodiment.
空気極1は、撥水膜11と、集電体12と、この集電体12と撥水膜11との間に配置された触媒層13とを備えている。また、本実施形態の金属空気電池2は、この空気極1と、金属極3と、電解質4とを備えている。なお、以下では、便宜上、空気極1を構成する各層について、撥水膜11側の面を表面とし、集電体12側の面を裏面として説明する。
The
(空気極)
空気極1は、酸素ガスを電極活物質とする電極であり、空気極の電極反応(酸素還元反応)の触媒を含む電極である。空気極1は、金属空気電池2の空気極(金属空気電池用空気極)であってもよく、燃料電池に用いられるものであってもよい。
(Air pole)
The
本実施形態に係る空気極1は、例えば、図5に示す金属空気電池2のように、金属空気電池に組み込むことができる。空気極1は、撥水膜11が空気側となるように配置される。これにより、金属極3側から触媒層13に電解質を浸み込ませることができ、撥水膜11側から空気を触媒層13に供給することができる。その結果、触媒層13に電極反応が進行する三相界面を形成することができる。
The
空気極1の集電体12は、電極反応が進行する触媒粒子の表面に電子を供給する導電経路となる導電体である。集電体12上に、触媒粒子を含む触媒層13を設けることにより、空気極1の内部抵抗を小さくすることができ、金属空気電池2の放電特性を向上させることができる。また、集電体12は、触媒層13を形成するための基材となる部材である。
The
集電体12は、金属メッシュまたは多孔金属板とすることができる。集電体12の材質は、例えば、金属ニッケル、銀、金、白金またはステンレス鋼とすることができる。また、集電体12は、ニッケルメッキ処理された金属メッシュまたは多孔金属板であってもよい。例えば、ニッケルメッキ鉄の金属メッシュまたは多孔金属板である。これにより、触媒層13を形成する際に、集電体12が熱損傷することを抑制することができる。また、集電体12が耐アルカリ性を有することができ、集電体12がアルカリ性の電解質により腐食されることを抑制することができる。集電体12が多孔金属板である場合、多孔金属板としては、エキスパンドメタル、パンチングメタル、多孔金属箔などが挙げられる。
The
撥水膜11は、空気を通過させるが、水を通過させない膜である。撥水膜11は、空気を通過させる孔を有し、この孔の内壁は撥水性を有する。このため、水はこの孔にほとんど浸入することはできないが、空気はこの孔を通過することができる。撥水膜11は、多孔質層とすることができる。撥水膜11は、例えばフッ素樹脂多孔質膜を含んで構成されてもよい。フッ素樹脂多孔質膜は、空気を通過させることができるが、水はほとんど通過させない。
The water-
触媒層13は、触媒粒子と、導電剤と、結着剤とを含む多孔質層である。触媒層13に含まれる触媒粒子の表面において空気極1の電極反応が進行する。触媒粒子は、酸素還元反応(電極反応)に対する触媒活性を有する粒子である。触媒粒子の材料は、例えば、金属酸化物、銀などである。触媒粒子は触媒粒子の表面に付着した導電剤により覆われていてもよい。導電剤は、触媒粒子の表面を覆う被覆多孔質層を形成してもよい。導電剤からなる被覆多孔質層で触媒粒子の表面を被覆することにより、電極反応が進行する触媒粒子表面に速やかに電子を供給することができる。
The
導電剤は、集電体12と触媒粒子の表面とを電気的に接続し、電極反応に必要な電子を触媒粒子の表面に供給する。導電剤は、例えば、炭素粒子である。具体的には、導電剤の材料は、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、活性炭、グラファイトなどである。
The conductive agent electrically connects the
結着剤は、触媒層13の形状を保つために入れられる。結着剤は、例えば耐アルカリ性に優れたフッ素系樹脂である。また、結着剤には、繊維状に発達しながら粒子を結着し、撥水性にも優れ、熱に対して安定なポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いることができる。
The binder is added to maintain the shape of the
従来の通常の空気極では、撥水膜と触媒層とが剥離して、撥水膜と触媒層との界面に隙間を生じ、電解質が隙間に溜まることで、撥水膜側から触媒層への空気の供給量が減少し、金属空気電池の出力が低下するという問題点があった。 In a conventional ordinary air electrode, the water-repellent membrane and the catalyst layer are separated to form a gap at the interface between the water-repellent membrane and the catalyst layer, and the electrolyte is accumulated in the gap, so that the water-repellent membrane side is transferred to the catalyst layer. There is a problem that the amount of air supplied to the metal-air battery is reduced and the output of the metal-air battery is reduced.
これに対して、本実施形態に係る空気極1を構成する触媒層13は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔131を有している。図1に示すように、触媒層13の貫通孔131は、内壁面が曲面状に形成されており、触媒層13の表面と裏面に開口した形状を有している。これらの貫通孔131は、図4に示すように、最終的には電解質4の通り道となり得て、電解質4を集電体12側へ再び戻す作用をなすので、触媒層13と撥水膜11との間に溜めないようにすることができる。
On the other hand, the
より具体的には、図1に示すように、各貫通孔131は、触媒層13の表面および裏面にそれぞれ開口した開口径(孔径)r1、r2と、触媒層13内部の孔径である層内孔径Rとで異なるように形成されている。この層内孔径Rは、表面側の開口径r1および裏面側の開口径r2よりも大きい。
More specifically, as shown in FIG. 1, each through
また、貫通孔131は、層内孔径Rにおいて最大径を有している。図1に示すように、貫通孔131は、触媒層13の厚み方向の略中間部において最大径となる層内孔径Rを有している。層内孔径Rの最大径は、触媒層13の厚みTよりも大きいものとされている。
Further, the through
貫通孔131の内壁面の曲面状は撥水膜11側から触媒層13内部にかけて、および集電体12側から触媒層13内部にかけて、いずれも徐々に膨出する形状を有している。この曲面状は、後述するように、触媒層13に保持されていた等方性の可溶性粒子(粒子)15によるものであり、貫通孔131は可溶性粒子15により形成された空洞部とされている。
The curved surface of the inner wall surface of the through
(金属空気電池)
前記のような複数の貫通孔131を有する空気極1は、金属空気電池2に適用される場合、図5に示すように、電池ケース5に収容されて正極(カソード)とすることができる。電池ケース5は、空気極1および金属極3を収容する外装容器であり、空気極1側には多数の空気取込口51が設けられている。電池ケース5は、これらの空気取込口51を介して内部に空気を取り込むことが可能とされている。
(Metal-air battery)
When applied to the metal-
金属空気電池2には、例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池などが挙げられる。これらのうち、金属空気電池2が亜鉛空気電池である場合、金属極3には、例えば金属亜鉛を用いることができ、電解質4には水酸化カリウム水溶液を用いることができる。
Examples of the metal-
空気極1は、電池ケース5側から順に、撥水膜11、触媒層13、集電体12の順に積層されている。触媒層13には、前記のように、層内孔径Rが大きい複数の貫通孔131が存在する。そのため、仮に金属空気電池2の内部から、撥水膜11と触媒層13との間に浸入した電解質4があったとしても、貫通孔131を通して再び集電体12側へ戻り、金属空気電池2の内部に留まる。したがって、電解質4が撥水膜11と触媒層13との間に溜まることが防がれるとともに、触媒層13の外側に漏出することが防がれる。
The
これによって、撥水膜11と触媒層13との剥離を防止することができ、撥水膜11と触媒層13との界面に隙間を生じることがなく、撥水膜11を通して空気を触媒層13まで到達させることができる。触媒層13では円滑に電極反応が進行し、長期にわたって電解質4の漏出を抑制することができる。その結果、空気極1を備える金属空気電池2においては、出力低下が抑制されて、電池寿命を高めることが可能となる。
As a result, peeling of the water-
(空気極の製造方法)
前記構成を有する空気極1の製造方法について説明する。この空気極1の製造方法では、可溶性粒子15を利用して触媒層13に複数の貫通孔131を設ける。可溶性粒子15は、触媒用ペースト14に添加されている。
(Manufacturing method of air electrode)
A method for manufacturing the
図2に示すように、触媒用ペースト14には多数の可溶性粒子15を添加して混練し、これをシート状に成形加工し、可溶性粒子15を分散配置させた状態で乾燥する。これにより、可溶性粒子15を分散保持したシート状の前触媒層130を得る。可溶性粒子15は、可溶性物質からなる粒子である。なお、貫通孔131を形成前の状態の触媒層を、空気極1における貫通孔131を有する触媒層13と区別するため、ここでは前触媒層130という。すなわち、この前触媒層130は、貫通孔131に可溶性粒子15を保持した状態の触媒層13に相当する。
As shown in FIG. 2, a large number of
前触媒層130の厚みtは、触媒層13の厚みTに共通し、0.1mm以上、1mm未満であることが好ましい。より好ましくは、厚みtは、0.4mm以上、0.7mm未満とされることである。0.1mm未満であると、触媒層13に含まれる触媒が少なくなるため放電電圧が下がる。1mm以上であると、撥水膜11と触媒層13の間に溜まった電解質4を戻すにあたり、触媒層13内から集電体12までの距離が長くなってしまい、出力低下を抑制する観点から好ましくない。
The thickness t of the
可溶性粒子15は、等方性を有して、弾性的に変形可能な球状体または略球状体の外形状を有している。図2に示すように、可溶性粒子15は、前触媒層130の厚みtと同等以上の直径を有することが好ましい。可溶性粒子15は、前触媒層130の厚みtを越える大きさの直径を有して、触媒用ペースト14から一部露出した状態であってもよい。
The
可溶性粒子15の添加量は、触媒用ペースト14の導電剤ならびに触媒粒子の体積、および可溶性粒子15の体積の合計に対して、体積分率で0.5%以上、4%未満とすることが好ましい。この体積分率が0.5%未満の場合には、可溶性粒子15による貫通孔131の数が少ないものとなり、触媒層13から集電体12側へ電解質4が戻りにくくなる。また、体積分率が4%以上の場合は、触媒層13に含まれる触媒粒子が少なくなるため放電電圧が低下したり、触媒層13が割れやすくなったりするおそれがあり、製造品質を安定化する観点から好ましくない。
The amount of the
可溶性粒子15を構成する可溶性物質には、水、アルカリ水溶液、有機溶媒に溶解する物質を用いることができる。例えば、水に溶解する物質としては、無機物では水酸化カリウム、塩化ナトリウム、有機物ではショ糖、果糖が挙げられる。アルカリ水溶液に溶解する物質としては、無機物では酸化カルシウム、酸化アルミニウム、有機物ではポリエステル、感光性ポリイミドが挙げられる。有機溶媒に溶解する物質としてはゴムが挙げられる。
As the soluble substance constituting the
次いで、図3に示すように、可溶性粒子15を分散保持した状態の前触媒層130を、撥水膜11と集電体12との間に挟み込んで圧着する(プレス工程)。これにより、撥水膜11、前触媒層130、および集電体12とを安定的に接合一体化した前空気極10を得る。
Next, as shown in FIG. 3, the
プレス工程では、前触媒層130に保持された可溶性粒子15が撥水膜11および集電体12に挟まれて変形し、前触媒層130の厚みt内に納まる。可溶性粒子15は、部分的に撥水膜11と集電体12との両方に接触した状態となる。
In the pressing step, the
次いで、可溶性粒子15を溶解して除去し、貫通孔131を有する触媒層13を形成する(溶解工程)。例えば、電池ケース5に前空気極10と金属極3とを配置し、電解質4を封入する。図4に示すように、電解質4によって可溶性粒子15が溶解して空洞部となり、層内孔径Rにおいて最大径を有する貫通孔131を形成することができる。また、電池ケース5に配置する前に、可溶性粒子15をその可溶性に対応する溶媒に浸漬して除去し、貫通孔131を有する触媒層13を形成してもよい。
Next, the
前記のとおり、可溶性物質は、水、アルカリ水溶液、または有機溶媒に溶解する物質である。溶解工程では、可溶性粒子15を、その可溶性に対応する水、アルカリ水溶液、または有機溶媒で溶解する。例えば、可溶性粒子15がアルカリ可溶性樹脂からなる場合、溶解工程では、アルカリ水溶液である電解質(電解質含有溶液)4により可溶性粒子15を溶解する。
As mentioned above, the soluble substance is a substance that dissolves in water, an aqueous alkaline solution, or an organic solvent. In the dissolution step, the
可溶性粒子15が、水に溶解する塩化ナトリウムからなる場合、溶解工程での安全性が高められ、作業性に優れたものとすることができる。水に溶解する物質として、水酸化カリウムを利用する場合、水を電池ケース5に注液すると、水酸化カリウムが溶け出し、金属空気電池2の電解質4として機能させることができる。水に溶解する物質として、ショ糖、果糖を利用する場合、溶媒水の温度を上げることで、安全かつ迅速な溶解が可能になり、作業スピードが上がる。
When the
可溶性物質がアルカリ水溶液に溶解する物質である場合、アルカリ水溶液は通常、金属空気電池2の電解質4として利用される電解液であるので、電池ケース5への注液によって可溶性粒子15を溶解することができ、金属空気電池2の生産性を向上させることができる。また、アルカリ水溶液に溶解する物質として、ポリエステルを利用する場合、可溶性粒子15の形状を球形に成形しやすく、層内孔径Rにおいて最大径を有する貫通孔131を形成しやすくなる。
When the soluble substance is a substance that dissolves in the alkaline aqueous solution, the alkaline aqueous solution is usually an electrolytic solution used as the
アルカリ水溶液に溶解する物質として、感光性ポリイミドを利用する場合には、溶解工程までの前触媒層130の段階で光を当てることなく、可溶性粒子15を不溶の状態で保持することが好ましい。これにより、アルカリ水溶液が予期しないタイミングで混入することによる、触媒層13の形状崩れを防ぐことができる。アルカリ水溶液に溶解する物質として、酸化カルシウムや酸化アルミニウムを利用する場合には、触媒層13に貫通孔131を形成するという効果に加えて、金属空気電池2への注液時に電解質4にイオンとして溶解し、亜鉛負極の自己腐食を抑制する効果も期待できる。
When photosensitive polyimide is used as a substance that dissolves in an alkaline aqueous solution, it is preferable to keep the
可溶性物質に有機溶媒に溶解する物質を利用する場合、有機溶媒は水溶液に比べて揮発性が高いため、貫通孔131を形成した後の乾燥が容易となり、貫通孔131を備える触媒層13の状態で金属空気電池2に配置して、電解質4を封入することなく長期間の保存が可能となる。有機溶媒に溶解するゴムを利用する場合には、弾力性に優れるため、前触媒層130のシート状成形加工が容易になる。
When a substance that dissolves in an organic solvent is used as the soluble substance, the organic solvent is more volatile than the aqueous solution, so that it is easy to dry after forming the through
このような溶解工程により、複数の貫通孔131を有する触媒層13が得られる。空気極1は、外側から順に撥水膜11、触媒層13、集電体12を積層した構成であって、触媒層13に厚み方向に貫通する複数の貫通孔131を有して形成される。また、溶解工程では、金属空気電池2を構成する電解質4を利用して、可溶性粒子15を溶解することができるので、触媒層13に効率よく容易に貫通孔131を形成することができる。
By such a melting step, a
空気極1においては、貫通孔131によって撥水膜11と触媒層13との剥離が防止され、撥水膜11と触媒層13との界面に隙間を生じることがなく、撥水膜11を通して空気を触媒層13まで到達させることが可能となる。触媒層13では円滑な電極反応が可能となり、長期にわたって電解質4の漏出を抑制することができる。その結果、空気極1を備える金属空気電池2の出力低下が抑制されて、電池寿命を高めることが可能となる。
In the
なお、前記した空気極1、金属空気電池2、および空気極1の製造方法は、前記実施形態に示す構成であるに限られず、他の様々な形態により実施することが可能である。
The method for manufacturing the
本発明の技術的範囲は、前記実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲に基づくものとされる。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The technical scope of the present invention is not to be construed solely by the above-described embodiment, but is based on the scope of claims. In addition, the technical scope of the present invention includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
(実施例1)
触媒層13は、触媒である金属酸化物と、導電ならびに触媒機能を有するカーボンと、それらを結合させるフッ素系樹脂(結着剤の一例)とを含む。触媒層13の作製に当たっては、触媒粒子となるMnO2粉末(中央電気工業株式会社製、商品名:CMD−K200)と、カーボンブラック(デンカ株式会社製、商品名:デンカブラック)、結着剤として結着剤(ダイキン工業株式会社製、PTFE分散液「D−210C」)を原料として用い、これに対して、可溶性粒子15であるポリエステル粒子、およびと水をプラネタリミキサにて混合し、混合物Aを調製した。さらに、この混合物Aを乳鉢に入れて混練し、団子状の混練物Bを調整した。その後、混練物Bをロール圧延機によってシート状に成形することで、前触媒層130を作製した。
(Example 1)
The
空気極1を作製する工程では、撥水膜11、前触媒層13、および集電体12(株式会社ニラコ製Niメッシュ、目開き#20)の順に重ねて、これらを常温プレスして一体化させる(プレス工程)。ここでは、プレス圧を2.15kN/cm2とし、プレス時間は2秒とした。
上述した空気極1と、電解質4として働く7MのKOH水溶液に24時間浸漬することで、可溶性粒子15を溶解させた(溶解工程)後、金属極3である亜鉛板とを組み合わせることで、亜鉛空気電池を作成した。
In the step of producing the
Zinc is dissolved by immersing the above-mentioned
(比較例1)
可溶性粒子15を使用しないこと、および、溶解工程を行わないこと以外は、実施例1と同じ方法で、亜鉛空気電池を作成した。
(Comparative Example 1)
A zinc-air battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the
実施例1、および比較例1の亜鉛空気電池については、30mA/cm2の定電流で電圧測定を行い、得られた電圧が0.8Vを下回るまでの通電時間を計測した。この通電時間を電池寿命とした。比較例1では、電池寿命は50時間で、50時間後に触媒層と撥水膜の剥離が観察されたのに対して、実施例1では、電池寿命は1000時間で、50時間後であっても触媒層と撥水膜の剥離は観察されなかった。 For the zinc-air batteries of Example 1 and Comparative Example 1 , voltage measurement was performed at a constant current of 30 mA / cm 2 , and the energization time until the obtained voltage fell below 0.8 V was measured. This energizing time was defined as the battery life. In Comparative Example 1, the battery life was 50 hours and peeling of the catalyst layer and the water-repellent film was observed after 50 hours, whereas in Example 1, the battery life was 1000 hours and 50 hours later. However, no peeling between the catalyst layer and the water-repellent film was observed.
本発明は、電力供給装置の一つとして用いられる金属空気電池およびその金属空気電池を構成する空気極に好適に利用可能である。 The present invention can be suitably used for a metal-air battery used as one of power supply devices and an air electrode constituting the metal-air battery.
1 空気極
2 金属空気電池
3 金属極
4 電解質
5 電池ケース
11 撥水膜
12 集電体
13 触媒層
131 貫通孔
r1、r2 開口径
R 層内孔径
14 触媒用ペースト
15 可溶性粒子(粒子)
10 前空気極
130 前触媒層
1
10
Claims (11)
前記触媒層は厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔は、前記触媒層の表面および裏面に開口する開口径と、前記触媒層内部の孔径である層内孔径とが異なり、表面側の前記開口径、裏面側の前記開口径、および前記層内孔径のうち、前記層内孔径において最大径を有することを特徴とする空気極。 An air electrode including a current collector, a water-repellent film, and a catalyst layer arranged between the current collector and the water-repellent film.
The catalyst layer has a plurality of through holes penetrating in the thickness direction, and has a plurality of through holes.
The through hole has an opening diameter that opens on the front surface and the back surface of the catalyst layer and an inner hole diameter that is a hole diameter inside the catalyst layer, and is different from the opening diameter on the front surface side, the opening diameter on the back surface side, and the opening diameter. An air electrode having the maximum diameter of the inner pore diameter in the layer.
前記貫通孔の内壁面は曲面状を有することを特徴とする空気極。 In the air electrode according to claim 1,
An air electrode characterized in that the inner wall surface of the through hole has a curved surface shape.
前記内壁面の曲面状は、前記表面から前記触媒層内部にかけて、および前記裏面から前記触媒層内部にかけて膨出する形状を有することを特徴とする空気極。 In the air electrode according to claim 2.
The curved surface of the inner wall surface has a shape that bulges from the front surface to the inside of the catalyst layer and from the back surface to the inside of the catalyst layer.
前記貫通孔は、前記層内孔径の最大径が、前記触媒層の厚みよりも大きいことを特徴とする空気極。 In the air electrode according to any one of claims 1 to 3,
The through hole is an air electrode characterized in that the maximum diameter of the hole in the layer is larger than the thickness of the catalyst layer.
前記貫通孔は、前記触媒層に保持されていた等方性の粒子により形成された空洞部であることを特徴とする空気極。 In the air electrode according to any one of claims 1 to 4.
The through hole is an air electrode characterized by being a cavity formed by isotropic particles held in the catalyst layer.
可溶性物質からなる複数の等方性の粒子を保持した触媒層の前記粒子を溶解して除去し、前記触媒層に貫通孔を形成する溶解工程とを含むことを特徴とする空気極の製造方法。 An air electrode having a current collector, a water-repellent film, and a catalyst layer arranged between the current collector and the water-repellent film, and the catalyst layer has a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. It is a manufacturing method of
A method for producing an air electrode, which comprises a dissolution step of dissolving and removing the particles of a catalyst layer holding a plurality of isotropic particles made of a soluble substance to form through holes in the catalyst layer. ..
前記可溶性物質は、水、アルカリ水溶液、または有機溶媒に溶解する物質であり、
前記溶解工程では、前記粒子を水、アルカリ水溶液、または有機溶媒で溶解することを特徴とする空気極の製造方法。 In the method for manufacturing an air electrode according to claim 7.
The soluble substance is a substance that dissolves in water, an aqueous alkaline solution, or an organic solvent.
A method for producing an air electrode, which comprises dissolving the particles in water, an alkaline aqueous solution, or an organic solvent in the dissolution step.
前記粒子はアルカリ可溶性樹脂からなり、
前記溶解工程では、アルカリ水溶液である電解質含有溶液により前記粒子を溶解することを特徴とする空気極の製造方法。 In the method for manufacturing an air electrode according to claim 8.
The particles are made of alkali-soluble resin
The dissolution step is a method for producing an air electrode, which comprises dissolving the particles with an electrolyte-containing solution which is an alkaline aqueous solution.
前記粒子は、弾性的に変形可能な球状体または略球状体であることを特徴とする空気極の製造方法。 In the method for manufacturing an air electrode according to any one of claims 7 to 9,
A method for producing an air electrode, wherein the particles are elastically deformable spheres or substantially spheres.
前記粒子は、前記触媒層の厚みと同等以上の直径を有することを特徴とする空気極の製造方法。 In the method for manufacturing an air electrode according to any one of claims 10.
A method for producing an air electrode, wherein the particles have a diameter equal to or greater than the thickness of the catalyst layer.
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