JP2023079085A - Composition for producing porous carbon film, sheet for producing porous carbon film, method for producing porous carbon film for positive electrode of air battery, and method for producing air battery using porous carbon film obtained by the method for positive electrode - Google Patents

Composition for producing porous carbon film, sheet for producing porous carbon film, method for producing porous carbon film for positive electrode of air battery, and method for producing air battery using porous carbon film obtained by the method for positive electrode Download PDF

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隆 亀田
Takashi Kameda
翔一 松田
Shoichi Matsuda
祥司 山口
Shoji Yamaguchi
絢太郎 宮川
Shuntaro MIYAKAWA
貴也 齊藤
Takaya Saito
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Abstract

To provide a composition capable of producing a porous carbon film with high capacity when used as a positive electrode of an air battery without using oxygen for carbonization treatment, a sheet formed from the composition, a method for producing a porous carbon film using the composition, and a method for producing an air battery using the porous carbon film as a positive electrode.SOLUTION: A mixture containing porous carbon particles, a polymer material for binders having a mass loss rate of less than 90% when heated to 800°C in an inert atmosphere, a pyrolytic organic compound having a mass loss rate of 90% or more when heated to 800°C in an inert atmosphere, and at least one optional component selected from carbon fibers and carbon nanotubes is formed into a film, and the film is fired in an inert atmosphere to obtain a carbon film with controlled pore distribution.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、多孔炭素膜製造用組成物、多孔炭素膜製造用シート、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法、及びその方法で得られる多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の製造方法に関する。 The present invention provides a composition for producing a porous carbon film, a sheet for producing a porous carbon film, a method for producing a porous carbon film for an air battery positive electrode, and a method for producing an air battery using the porous carbon film obtained by the method as a positive electrode. Regarding.

スマート社会を支える原動力として電池が着目され、その需要が急激に高まっている。電池には様々な種類のものがあるが、その中でも空気電池は、小型、軽量かつ大容量に適した構造であるため、高い注目を集めている。
空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いた電池で、金属空気電池とも呼ばれ、燃料電池の一種と位置づけられている電池である。その一例としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属又は化合物を負極活物質として用いたリチウム空気電池が挙げられる。リチウム空気電池における各電極での反応は、次式で表される。
Batteries are attracting attention as a driving force that supports the smart society, and the demand for them is increasing rapidly. Among various types of batteries, air batteries are attracting a great deal of attention because of their structure suitable for small size, light weight and large capacity.
An air battery is a battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material and a metal as a negative electrode active material, is also called a metal-air battery, and is positioned as a type of fuel cell. One example is a lithium-air battery using a metal or compound capable of intercalating and deintercalating lithium ions as a negative electrode active material. Reaction at each electrode in a lithium-air battery is represented by the following equation.

Figure 2023079085000002
Figure 2023079085000002

空気電池は、正極活物質が空気中の酸素であり、これを電池の外部から取り込むことができるので、正極活物質の供給源を電池内に配置する必要がなく、原理的に小型・軽量化に適する構造である。また、正極活物質を外部から取り込めることは、利用可能な正極活物質の量が制限されないことにもなるため、原理的に大容量化に適する構造でもある。 In air batteries, the positive electrode active material is oxygen in the air, which can be taken in from the outside of the battery. This structure is suitable for In addition, since the positive electrode active material can be taken in from the outside, the amount of the positive electrode active material that can be used is not limited.

しかしながら、現状の空気電池は、その小型・軽量・大容量に対するポテンシャルを十分には引き出せてはいない。その原因の一つとして、正極の放電容量がまだ十分には高くはないことが挙げられる。
空気電池では、空気中の酸素が正極活物質であり、放電時の正極での反応は、負極から移動してくる金属イオンが酸素及び電子と結合して酸化物を生成するものである。このため、空気電池の高容量化には、負極から移動してくる金属イオンが正極内の隅々まで移動しやすいこと(高イオン輸送効率)、金属イオンと反応する酸素を含む空気が、正極内の反応場へ浸透拡散しやすいこと(高酸素透過性)、正極内に金属イオンと酸素が反応して酸化物となる反応場が多いこと、及びこの酸化物を蓄えるための細孔容積が大きいことが必要となる。また、小型・軽量な空気電池を低コストで製造するために、正極が構造体として自立することが望まれる。
However, current air batteries have not fully exploited their potential for small size, light weight, and large capacity. One of the reasons for this is that the discharge capacity of the positive electrode is not yet sufficiently high.
In an air battery, oxygen in the air is the positive electrode active material, and the reaction at the positive electrode during discharge is such that metal ions moving from the negative electrode combine with oxygen and electrons to form oxides. For this reason, in order to increase the capacity of the air battery, the metal ions moving from the negative electrode should be able to move easily to all corners of the positive electrode (high ion transport efficiency), and the air containing oxygen that reacts with the metal ions should be It is easy to permeate and diffuse into the inner reaction field (high oxygen permeability), there are many reaction fields in the positive electrode where metal ions and oxygen react to form oxides, and the pore volume for storing this oxide is large. need to be big. In addition, in order to manufacture a compact and lightweight air battery at low cost, it is desired that the positive electrode be self-supporting as a structure.

このような問題に対し、特許文献1においては、正極に用いる多孔質炭素として、メソ孔とマイクロ孔とを含む細孔を備え、前記メソ孔の外郭を構成する炭素質壁が3次元網目構造をなすものであって、この炭素質壁に前記マイクロ孔が形成されており、前記メソ孔が開気孔であって、気孔部分が連続して連結孔を形成しており、前記細孔の細孔径分布の半値幅が2nm以下であり、前記連結孔の連結孔径分布の半値幅が50nm以上であり、孔径1nm以上の細孔が占める細孔容積が1.0ml/g以上、4.0ml/g以下のものが提案されている(請求項1)。ここで、細孔径は窒素吸着法により測定された値を意味すること(段落[0021])、細孔径が1nm以上のメソ細孔の領域に細孔を多く有する炭素材料が正極として高容量を与えること(段落[0023])、及び、前記多孔質炭素と前記多孔質炭素を固定化するバインダーを含有する組成物を溶媒中に分散した塗料を、正極集電体上に塗布する、又は前記組成物を圧着プレスにより成型することにより正極層を形成することができることが記載されている(段落[0033],[0035])。 In response to such problems, in Patent Document 1, porous carbon used for the positive electrode is provided with pores including mesopores and micropores, and the carbonaceous walls constituting the outer shell of the mesopores have a three-dimensional network structure. wherein the micropores are formed in the carbonaceous wall, the mesopores are open pores, the pore portions are continuous to form connected pores, and the pores are fine The half-value width of the pore size distribution is 2 nm or less, the half-value width of the connected pore size distribution of the connected pores is 50 nm or more, and the pore volume occupied by the pores having a pore size of 1 nm or more is 1.0 ml/g or more, or 4.0 ml/g. g or less has been proposed (claim 1). Here, the pore diameter means a value measured by a nitrogen adsorption method (paragraph [0021]), and a carbon material having many pores in the mesopore region with a pore diameter of 1 nm or more has a high capacity as a positive electrode. applying (paragraph [0023]), and applying a paint in which a composition containing the porous carbon and a binder that fixes the porous carbon is dispersed in a solvent on the positive electrode current collector, or It is described that the positive electrode layer can be formed by molding the composition by compression pressing (paragraphs [0033] and [0035]).

特許文献2には、炭素を含む導電性多孔質体を含む正極層において、1nm以上200nm以下の孔径を有する細孔の占める第1細孔容積が、200nmを超え10,000nm下の孔径を有する細孔の占める第2細孔容積よりも大きいリチウム空気電池が提案されている(請求項1)。そして、放電時に生成されるリチウム酸化物は、正極層の細孔内に生成されるから、孔径が小さい第1細孔が多いほど、多くの小粒子が生成し、小粒子であるほど、充電時に起こるリチウム酸化物の分解反応が表面だけでなく全体で起こりやすいから、充放電サイクル特性を向上させることができること(段落[0035])、高容量の確保と充放電サイクル特性の向上とを考慮すると、第1細孔容積の好ましい範囲は0.1~2.4cm3/gである旨が記載されている(段落[0037])。また、特許文献2には、前記正極層の製造方法として、正極集電体上に、導電性多孔質体及びバインダー等を含む組成物を溶媒中に分散した塗料をドクターブレード法等により塗布する方法、又は、上記組成物を圧着プレスにより成型する方法等が例示されている(段落[0042])。 In Patent Document 2, in a positive electrode layer containing a conductive porous body containing carbon, the first pore volume occupied by pores having a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less has a pore diameter of more than 200 nm and 10,000 nm or less. A lithium-air battery is proposed in which the pores are larger than the second pore volume (claim 1). Since the lithium oxide produced during discharge is produced in the pores of the positive electrode layer, the larger the number of first pores having a smaller pore size, the more small particles are produced. Since the decomposition reaction of lithium oxide, which sometimes occurs, tends to occur not only on the surface but also on the entire surface, it is possible to improve charge-discharge cycle characteristics (paragraph [0035]), ensuring high capacity and improving charge-discharge cycle characteristics. Then, it is described that the preferable range of the first pore volume is 0.1 to 2.4 cm 3 /g (paragraph [0037]). Further, in Patent Document 2, as a method for manufacturing the positive electrode layer, a paint in which a composition containing a conductive porous material, a binder, etc. is dispersed in a solvent is applied on the positive electrode current collector by a doctor blade method or the like. method, or a method of molding the above composition by compression pressing (paragraph [0042]).

特許文献3は、特定の細孔構造及び物性を有する多孔炭素構造体(請求項1~11)、前記多孔炭素構造体を、多孔炭素粒子と高分子材料を原料として、0.03%より多く5%未満の範囲の酸素濃度を有する酸化性ガス雰囲気中で炭素化処理する製造方法(請求項13~15)、及び前記多孔炭素構造体を有する正極構造体を含む電池(請求項22)を提案している。 Patent Document 3 discloses a porous carbon structure (claims 1 to 11) having specific pore structures and physical properties, and the porous carbon structure is composed of porous carbon particles and a polymer material as raw materials and contains more than 0.03% A manufacturing method (claims 13 to 15) in which carbonization is performed in an oxidizing gas atmosphere having an oxygen concentration in the range of less than 5%, and a battery including a positive electrode structure having the porous carbon structure (claim 22). is suggesting.

特許第5852548号公報Japanese Patent No. 5852548 特開2018-133168号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2018-133168 国際公開第2020/235638号WO2020/235638

このように、空気電池の高容量化について、正極に対する種々の試みがなされており、一定の成果を挙げている。
しかし、特許文献1に記載された孔径1nm以上の細孔が占める細孔容積が1.0ml/g以上4.0ml/g以下である多孔質炭素を用いる正極では、バインダーを使用しているため、多孔質炭素の細孔の一部がバインダーで埋められてしまい、正極としての細孔容積は多孔質炭素の細孔容積よりも小さくなってしまうから、高容量化に限界がある。
特許文献2には、空気電池の高容量を確保しつつ、充放電サイクル特性を向上させるために、孔径が1nm以上200nm以下の第1細孔容積が、200nmを超え10000nm以下の第2細孔容積よりも大きい炭素を含む導電性多孔体を正極層とすることが記載されている。しかし、前記第1細孔容積の好ましい範囲は0.1~2.4cm3/gとされており、より大きな放電容量を持つ空気電池とするには、さらに大きな第1細孔容積を持つ正極層、及びその製造方法が望まれる。
本発明者らは、0.03%より多く5%未満の範囲の酸素濃度を有する酸化性ガス雰囲気中で炭素化処理を行うことにより、空気電池の正極に適した高細孔容積を持つ多孔炭素構造体を製造することを先に提案した(特許文献3)。しかし、酸化燃焼力の高い酸素を処理に用いると、処理条件によっては炭素粒子を主体とした多孔膜が酸化燃焼により消失する虞があるため、酸素濃度、及び酸化温度を低い範囲内で微妙に制御して製造する必要があった。
As described above, various attempts have been made on the positive electrode to increase the capacity of the air battery, and certain results have been obtained.
However, in the positive electrode using porous carbon in which the pore volume occupied by pores with a pore size of 1 nm or more described in Patent Document 1 is 1.0 ml / g or more and 4.0 ml / g or less, a binder is used. Since the pores of the porous carbon are partly filled with the binder and the pore volume of the positive electrode becomes smaller than the pore volume of the porous carbon, there is a limit to increasing the capacity.
In Patent Document 2, in order to improve the charge-discharge cycle characteristics while ensuring a high capacity of the air battery, the first pore volume with a pore diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is the second pore volume of more than 200 nm and 10000 nm or less It is described that a conductive porous body containing carbon larger than its volume is used as a positive electrode layer. However, the preferred range of the first pore volume is 0.1 to 2.4 cm 3 /g. A layer and method of making the same are desired.
The present inventors have found that by performing a carbonization treatment in an oxidizing gas atmosphere having an oxygen concentration in the range of more than 0.03% and less than 5%, a porous material having a high pore volume suitable for the positive electrode of an air battery can be obtained. It was previously proposed to manufacture a carbon structure (Patent Document 3). However, if oxygen with high oxidative combustion power is used for the treatment, the porous film mainly composed of carbon particles may disappear due to oxidative combustion depending on the treatment conditions. It was necessary to control and manufacture.

本発明は、炭素化処理に酸素を用いることなく、空気電池の正極に用いた際に高容量が得られる多孔炭素膜を製造可能な組成物及び該組成物で形成されたシート、並びに前記組成物を用いた多孔質炭素膜の製造方法及び該多孔炭素膜を正極に用いて空気電池を製造する方法を提供することを課題とする。 The present invention provides a composition capable of producing a porous carbon film that can obtain a high capacity when used as a positive electrode of an air battery without using oxygen for carbonization, a sheet formed of the composition, and the composition An object of the present invention is to provide a method for producing a porous carbon membrane using a material and a method for producing an air battery using the porous carbon membrane as a positive electrode.

本発明者は、前記課題を解決するために種々の検討を行ったところ、多孔炭素膜を製造するための組成物中に、多孔炭素粒子及びバインダー用高分子材料と共に、不融化処理又は炭素化処理において分解する熱分解性有機化合物を含有させることで、細孔容積の大きな多孔炭素膜が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor conducted various studies to solve the above problems, and found that a composition for producing a porous carbon film, together with porous carbon particles and a polymer material for a binder, was subjected to infusibilization treatment or carbonization. The inventors have found that a porous carbon film with a large pore volume can be obtained by incorporating a thermally decomposable organic compound that decomposes during treatment, and have completed the present invention.

すなわち、前記課題を解決するための本発明の一側面は、多孔炭素粒子、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%未満であるバインダー用高分子材料、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%以上である熱分解性有機化合物、並びに任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれかを含有する多孔炭素膜製造用組成物である。 That is, one aspect of the present invention for solving the above problems is porous carbon particles, a polymer material for a binder having a mass reduction rate of less than 90% when heated to 800 ° C. in an inert atmosphere, and an inert atmosphere A composition for producing a porous carbon film containing at least one selected from a thermally decomposable organic compound having a mass reduction rate of 90% or more when heated to 800° C. in a medium, and optionally carbon fibers and carbon nanotubes. It is a thing.

また、前記課題を解決するための本発明の他の一側面は、前記多孔炭素膜製造用組成物で形成された多孔炭素膜製造用シートである。 Another aspect of the present invention for solving the above problems is a porous carbon membrane-producing sheet formed from the porous carbon membrane-producing composition.

また、前記課題を解決するための本発明の他の一側面は、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法であって、前記多孔炭素膜製造用組成物を含有する合剤スラリーを調製すること、前記合剤スラリーを成型すること、前記成型することによって得られた成型体を、前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒に浸漬すること、前記浸漬して得られた試料を乾燥すること、及び前記乾燥して得られた試料を、不活性ガス雰囲気中で炭素化することを含む、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法である。 Another aspect of the present invention for solving the above problems is a method for producing a porous carbon film for an air battery positive electrode, comprising preparing a mixture slurry containing the composition for producing a porous carbon film. molding the mixture slurry; immersing the molded body obtained by the molding in a solvent in which the polymer material for a binder has a low solubility; and drying the sample obtained by the immersion. and carbonizing the dried sample in an inert gas atmosphere.

さらに、前記課題を解決するための本発明の他の一側面は、空気電池の製造方法であって、前記多孔炭素膜の製造方法により多孔炭素膜を製造すること、前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、前記正極及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに前記セパレータに電解液を充填することを含む、空気電池の製造方法である。 Furthermore, another aspect of the present invention for solving the above problems is a method for manufacturing an air battery, comprising manufacturing a porous carbon film by the method for manufacturing a porous carbon film, and forming a positive electrode from the porous carbon film. A method for manufacturing an air battery, comprising: forming an air battery, preparing a negative electrode and a separator, laminating the positive electrode and the negative electrode with the separator interposed therebetween, and filling the separator with an electrolytic solution.

本発明によれば、大きな細孔容積を有する空気電池正極用の多孔炭素膜が得られるので、高い酸素透過性と高いイオン輸送効率が得られ、かつ、多くの反応場及び反応物貯蔵スペースが得られるから、小型・軽量で大容量化に適した空気電池を提供することができる。 According to the present invention, a porous carbon membrane for an air battery positive electrode having a large pore volume can be obtained, so that high oxygen permeability and high ion transport efficiency can be obtained, and many reaction fields and reactant storage spaces can be obtained. Therefore, it is possible to provide an air battery that is compact, lightweight, and suitable for increasing the capacity.

本発明の一側面に係る多孔炭素膜の製造方法のフローチャート図FIG. 1 is a flow chart diagram of a method for producing a porous carbon membrane according to one aspect of the present invention. 多孔炭素膜を備える空気電池の一例である、コインセルの構造を示す断面模式図A cross-sectional schematic diagram showing the structure of a coin cell, which is an example of an air battery with a porous carbon membrane. 多孔炭素膜を備える空気電池の他の一例である、積層型空気電池の構造を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing the structure of a laminated air battery, which is another example of an air battery with a porous carbon membrane.

以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、数値範囲の記載(2つの数値を「~」でつないだ記載)については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。 Hereinafter, with reference to the drawings, the configuration and effects of the present invention will be described along with technical ideas. However, the mechanism of action is presumed, and whether it is correct or not does not limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, those constituent elements that are not described in the claims representing the highest concept will be described as optional constituent elements. It should be noted that the description of a numerical range (a description in which two numerical values are connected by "-") is meant to include numerical values described as lower and upper limits.

[多孔炭素膜製造用組成物]
本発明の一側面に係る多孔炭素膜製造用組成物(以下、単に「第1側面に係る組成物」と記載することがある)は、多孔炭素粒子、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%未満であるバインダー用高分子材料、及び不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%以上である熱分解性有機化合物、並びに任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれかを含有する。以下、前記各成分及びこれら以外の任意成分について詳述する。
[Composition for producing porous carbon membrane]
The composition for producing a porous carbon film according to one aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as the "composition according to the first aspect") consists of porous carbon particles heated to 800°C in an inert atmosphere. A polymer material for a binder having a weight loss rate of less than 90% when heated, a thermally decomposable organic compound having a weight loss rate of 90% or more when heated to 800°C in an inert atmosphere, and optional components It contains at least one selected from carbon fibers and carbon nanotubes. Hereinafter, each component and optional components other than these will be described in detail.

(多孔炭素粒子)
多孔炭素粒子は、炭素を主成分とする粒子で、表面に多数の微細な孔を有する。多孔炭素粒子の例としては、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラック、その他テンプレート法にて形成された炭素粒子等が挙げられる。
(Porous carbon particles)
A porous carbon particle is a particle containing carbon as a main component and has a large number of fine pores on its surface. Examples of porous carbon particles include carbon black such as Ketjenblack (registered trademark), carbon particles formed by a template method, and the like.

(バインダー用高分子材料)
バインダー用高分子材料は、多孔炭素粒子同士を結着するバインダーとして機能する。また、後述する多孔炭素膜の製造方法における炭素化処理によって炭素化物を生成し、該処理を経て得られる多孔炭素膜中で、多孔炭素粒子同士を接合して膜の形状を保持する機能も発揮する。多孔炭素膜の形状保持機能を発揮させるため、バインダー用高分子としては、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%未満であるものを用いる。前記質量減少率は、自立性を有する高強度の多孔炭素膜を得る点からは、85%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましい。前記質量減少率の下限値は特に限定されないが、工業的に使用されるバインダー用高分子材料においては、通常70%程度である。バインダー用高分子材料の例としては、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルフォン、溶媒可溶型ポリイミド等が挙げられる。
(Polymer material for binder)
The polymeric binder material functions as a binder that binds the porous carbon particles together. In addition, a carbonized product is produced by a carbonization treatment in the method for producing a porous carbon film to be described later, and in the porous carbon film obtained through the treatment, the porous carbon particles are bonded to each other to exhibit the function of maintaining the shape of the film. do. In order to exhibit the function of retaining the shape of the porous carbon film, a binder polymer having a mass reduction rate of less than 90% when heated to 800° C. in an inert atmosphere is used. The mass reduction rate is preferably 85% or less, more preferably 80% or less, from the viewpoint of obtaining a self-supporting and high-strength porous carbon film. Although the lower limit of the mass reduction rate is not particularly limited, it is usually about 70% in industrially used binder polymeric materials. Examples of binder polymeric materials include polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride, polysulfone, and solvent-soluble polyimide.

(熱分解性有機化合物)
熱分解性有機化合物は、多孔炭素粒子の表面に付着し、後述する多孔炭素膜の製造方法における不融化処理又は炭素化処理によって熱分解することで、多孔炭素粒子の表面を、粒子間の空隙又は多孔炭素膜の表面に露出させる機能を発揮する。これにより、露出した表面に存在する細孔の分だけ、多孔炭素膜の細孔容積が増加する。多孔炭素粒子の表面を露出させる機能を発揮させるため、熱分解性有機化合物としては、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%以上であるものを用いる。前記質量減少率は、多孔炭素粒子の表面をより多く露出させる点からは、95%以上が好ましく、98%以上がより好ましい。前記質量減少率は高い方が好ましいため、100%、すなわち熱分解性有機化合物が、不活性雰囲気中で800℃に加熱した際に完全に分解するものであってもよい。
(thermally decomposable organic compound)
The thermally decomposable organic compound adheres to the surface of the porous carbon particles, and is thermally decomposed by the infusibilization treatment or carbonization treatment in the method for producing a porous carbon film described later, thereby reducing the surface of the porous carbon particles to the voids between the particles. Alternatively, it exhibits the function of exposing on the surface of the porous carbon membrane. As a result, the pore volume of the porous carbon membrane increases by the amount of pores present on the exposed surface. In order to exhibit the function of exposing the surfaces of the porous carbon particles, a thermally decomposable organic compound having a mass reduction rate of 90% or more when heated to 800° C. in an inert atmosphere is used. The mass reduction rate is preferably 95% or more, more preferably 98% or more, from the viewpoint of exposing more of the surface of the porous carbon particles. Since the mass reduction rate is preferably as high as possible, it may be 100%, that is, the thermally decomposable organic compound may be completely decomposed when heated to 800° C. in an inert atmosphere.

また、熱分解性有機化合物は、質量減少率が90%となる温度が100℃以上700℃以下であることが好ましい。前記温度が100℃以上であることで、不融化処理又は炭素化処理前に行われる、乾燥等の各処理において、熱分解性有機化合物の分解に起因する変形等を抑制することができる。この点からは、前記温度は150℃以上であることがより好ましい。また、前記温度が200℃以上であると、不融化処理又は炭素化処理でバインダー用高分子が軟化した際の残存量が多くなり、バインダー用高分子が流動して多孔炭素粒子表面を被覆することによる細孔の閉塞を効果的に抑制することもできるため、さらに好ましい。この点からは、前記温度は250℃以上であることが特に好ましい。他方、前記温度が700℃以下であることで、炭素化処理においてバインダー用高分子が炭素化する前に熱分解性有機化合物が分解し、分解により発生するガスによってバインダー用高分子中に気道が形成されることで、得られる多孔炭素膜の空隙が増加する。この点からは、前記温度は650℃以下であることがより好ましく、600℃以下であることがさらに好ましい。 In addition, the thermally decomposable organic compound preferably has a temperature of 100° C. or higher and 700° C. or lower at which the mass reduction rate becomes 90%. When the temperature is 100° C. or higher, deformation or the like due to decomposition of the thermally decomposable organic compound can be suppressed in each treatment such as drying performed before the infusibilization treatment or carbonization treatment. From this point of view, the temperature is more preferably 150° C. or higher. Further, when the temperature is 200° C. or higher, the remaining amount of the binder polymer softened by the infusibility treatment or carbonization treatment increases, and the binder polymer flows to coat the surface of the porous carbon particles. It is further preferable because it is possible to effectively suppress the clogging of pores caused by the From this point of view, it is particularly preferable that the temperature is 250° C. or higher. On the other hand, when the temperature is 700° C. or less, the thermally decomposable organic compound is decomposed before the binder polymer is carbonized in the carbonization treatment, and the gas generated by the decomposition causes the airway to open in the binder polymer. The formation increases the voids of the resulting porous carbon film. From this point of view, the temperature is more preferably 650° C. or lower, and even more preferably 600° C. or lower.

バインダー用高分子材料及び熱分解性有機化合物の不活性雰囲気中での各温度における質量減少率は、熱重量分析(TGA)装置、示差熱重量分析(TG-DTA)装置などの熱分析機器を用いて、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で800℃位まで昇温させて測定する。 Thermal analysis equipment such as thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermogravimetric analysis (TG-DTA) equipment is used to determine the mass reduction rate at each temperature in an inert atmosphere for polymer materials for binders and thermally decomposable organic compounds. The temperature is raised to about 800° C. in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon, and the measurement is performed.

ただし、前述した熱分析機器が利用できない場合には、以下の方法で得られた値を質量減少率としてもよい。
まず、測定対象とするバインダー用高分子材料又は熱分解性有機化合物(以下、当段落では「測定対象材料」と記載する)の室温での質量を測定する。
次いで、不活性雰囲気中での加熱処理が可能な加熱装置を用いて、測定対象材料を、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で所定の温度まで昇温し、該温度にて30分程度保持した後、降温する。前記所定の温度は、測定対象材料の800℃に加熱した際の質量減少率を得る場合には、800℃とする。他方、測定対象材料の質量減少率が90%になる温度が特定の温度以下であることを確認する場合には、前記所定の温度は当該特定の温度とする。
次いで、降温後の測定対象材料の質量を測定する。
次いで、測定対象材料の室温での質量及び降温後の質量の値から、次記の計算により得られた値を、不活性ガス雰囲気中での前記所定の温度における質量減少率(%)とする。
(室温での質量(g)-降温後の質量(g))/室温での質量(g)×100
なお、本明細書における質量減少率(%)は、測定対象材料の残留する炭素の割合である残炭率(%)と以下の関係にある。
質量減少率(%)=100-残炭率(%)
However, if the thermal analysis equipment described above cannot be used, the value obtained by the following method may be used as the mass reduction rate.
First, the mass at room temperature of a polymer material for binder or a thermally decomposable organic compound to be measured (hereinafter referred to as "material to be measured" in this paragraph) is measured.
Next, using a heating device capable of heat treatment in an inert atmosphere, the material to be measured is heated to a predetermined temperature in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon, and maintained at that temperature for about 30 minutes. After holding, the temperature is lowered. The predetermined temperature is set to 800° C. when obtaining the mass reduction rate when the material to be measured is heated to 800° C. On the other hand, in the case of confirming that the temperature at which the mass reduction rate of the material to be measured reaches 90% is equal to or lower than a specific temperature, the predetermined temperature is the specific temperature.
Next, the mass of the material to be measured after cooling is measured.
Then, the value obtained by the following calculation from the mass of the material to be measured at room temperature and the mass after cooling is taken as the mass reduction rate (%) at the predetermined temperature in an inert gas atmosphere. .
(mass at room temperature (g) - mass after cooling (g))/mass at room temperature (g) x 100
Note that the mass reduction rate (%) in this specification has the following relationship with the residual carbon rate (%), which is the percentage of carbon remaining in the material to be measured.
Mass reduction rate (%) = 100 - residual coal rate (%)

熱分解性有機化合物は、多孔炭素粒子間、若しくは多孔炭素粒子と後述する任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれかの間を結合するバインダーとしても作用し得る。これにより、バインダー用高分子材料の量を減らすことができ、得られる多孔炭素膜における多孔炭素粒子の割合を高めることができる。 The thermally decomposable organic compound can also act as a binder that binds between porous carbon particles or between porous carbon particles and at least one selected from carbon fibers and carbon nanotubes, which are optional components described later. This makes it possible to reduce the amount of the polymer material for the binder and increase the ratio of the porous carbon particles in the resulting porous carbon film.

熱分解性有機化合物の例としては、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリエチレン(PE)、ポリイソブチレン(PIB)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリスチレン(PS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。中でも、ポリエチレンオキサイド(PEO)が好ましい。ポリエチレンオキサイド(PEO)は、種々の分子量のものが入手可能であり、その分子量は特に限定されないが、好ましくは粘度平均分子量が10,000以上100,000以下である。粘度平均分子量が10,000以上であることで、低温での熱分解が十分に抑制される。他方、粘度平均分子量が100,000以下であることで、合剤スラリーを作製した際に良好な分散性が得られる。 Examples of thermally decomposable organic compounds include polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), polyethylene (PE), polyisobutylene (PIB), styrene butadiene rubber (SBR), polystyrene (PS), polytetrafluoroethylene ( PTFE) and the like. Among them, polyethylene oxide (PEO) is preferred. Polyethylene oxide (PEO) is available with various molecular weights, and although the molecular weight is not particularly limited, it preferably has a viscosity average molecular weight of 10,000 or more and 100,000 or less. When the viscosity-average molecular weight is 10,000 or more, thermal decomposition at low temperatures is sufficiently suppressed. On the other hand, when the viscosity-average molecular weight is 100,000 or less, good dispersibility can be obtained when the mixture slurry is prepared.

熱分解性有機化合物の配合量は、特に限定されないが、多孔炭素粒子に対して、質量比で0.001以上10以下であることが好ましい。前記質量比が前記下限値以上であることで、不融化処理又は炭素化処理で熱分解性有機化合物の分解により露出する多孔炭素粒子表面の空孔量、及び該分解により形成されるバインダー用高分子材料の炭素化物中の気道量が、共に十分なものとなりやすい。この点からは、前記質量比は0.005以上であることがより好ましく、0.01以上であることがさらに好ましく、0.02以上であることが特に好ましい。他方、前記質量比が前記上限値以下であることで、原料コストを低減できるとともに、不融化処理又は炭素化処理で熱分解性有機化合物の分解により発生するガス量が抑制され、排ガス処理に要するコストも低減できる。これらの点からは、前記質量比は5以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。 The amount of the thermally decomposable organic compound to be added is not particularly limited, but it is preferably 0.001 or more and 10 or less in mass ratio with respect to the porous carbon particles. When the mass ratio is equal to or higher than the lower limit, the amount of pores on the surface of the porous carbon particles exposed by decomposition of the thermally decomposable organic compound in the infusibilization treatment or carbonization treatment, and the amount of pores for the binder formed by the decomposition The amount of airways in carbonized molecular materials tends to be both sufficient. From this point of view, the mass ratio is more preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, and particularly preferably 0.02 or more. On the other hand, since the mass ratio is equal to or less than the upper limit, the raw material cost can be reduced, and the amount of gas generated by the decomposition of the thermally decomposable organic compound in the infusibilization treatment or carbonization treatment is suppressed, which is required for exhaust gas treatment. Costs can also be reduced. From these points, the mass ratio is more preferably 5 or less, more preferably 2 or less.

また、熱分解性有機化合物の配合量は、該有機化合物のバインダーとしての作用を十分に発揮させる点からは、例えば、前述した多孔質炭素粒子及びバインダー用高分子材料、並びに後述する任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブの合計100質量部に対して、0.5質量部以上90質量部以下としてもよい。この場合の熱分解性有機化合物の配合量は、前記各成分の合計100質量部に対して、1質量部以上80質量部以下が好ましく、3質量部以上70質量部以下がより好ましい。 In addition, the amount of the thermally decomposable organic compound to be blended is, from the viewpoint of sufficiently exhibiting the action of the organic compound as a binder, for example, the porous carbon particles and the polymeric material for the binder described above, and the optional components described later. It may be 0.5 parts by mass or more and 90 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass of certain carbon fibers and carbon nanotubes. In this case, the content of the thermally decomposable organic compound is preferably 1 part by mass or more and 80 parts by mass or less, more preferably 3 parts by mass or more and 70 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass of the above components.

(カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブ)
第1側面に係る組成物は、任意成分として、カーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれかを含んでもよい。カーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれかを含むことで、得られる多孔炭素膜を高強度とすることができる。カーボンファイバーとしては、例えば、直径が0.1μm以上20μm以下、長さが1mm以上20mm以下のものを用いることができる。また、カーボンナノチューブとしては、例えば、直径が0.5nm以上20nm以下、長さが1μm以上20μm以下のものを用いることができる。
(Carbon nanofibers and carbon nanotubes)
The composition according to the first aspect may optionally contain at least one selected from carbon fibers and carbon nanotubes. By containing at least one selected from carbon fibers and carbon nanotubes, the resulting porous carbon film can have high strength. For example, carbon fibers having a diameter of 0.1 μm or more and 20 μm or less and a length of 1 mm or more and 20 mm or less can be used. Carbon nanotubes having a diameter of 0.5 nm or more and 20 nm or less and a length of 1 μm or more and 20 μm or less can be used, for example.

前述した多孔炭素粒子、バインダー用高分子材料、カーボンファイバー及びカーボンナノチューブの配合量は、例えば、50質量%以上90質量%以下の多孔質炭素粒子、5質量%以上49質量%以下のバインダー用高分子材料、0質量%以上15質量%以下のカーボンファイバー、及び0質量%以上10質量%以下のカーボンナノチューブとすることができる。また、熱分解性有機化合物の配合量は、上述したとおり、多孔炭素粒子に対して、質量比で0.001以上10以下、又は多孔炭素粒子、バインダー用高分子材料、カーボンファイバー及びカーボンナノチューブの合計100質量部に対して0.5質量部以上、90質量部以下とすることができる。 The blending amounts of the porous carbon particles, the polymer material for the binder, the carbon fibers and the carbon nanotubes described above are, for example, 50% by mass or more and 90% by mass or less of the porous carbon particles and 5% by mass or more and 49% by mass or less of the binder binder. It can be a molecular material, 0% to 15% by weight carbon fiber, and 0% to 10% by weight carbon nanotube. As described above, the amount of the thermally decomposable organic compound is 0.001 or more and 10 or less with respect to the porous carbon particles, or the ratio of the porous carbon particles, the polymer material for the binder, the carbon fiber, and the carbon nanotube. It can be 0.5 parts by mass or more and 90 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass.

(溶剤)
第1側面に係る組成物は、前述した各成分を分散させる溶剤を含んでもよい。
多孔炭素粒子及びバインダー用高分子材料を分散させる溶剤としては、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)などを用いることができる。
(solvent)
The composition according to the first aspect may contain a solvent for dispersing the components described above.
As a solvent for dispersing the porous carbon particles and the polymeric binder material, for example, dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), etc. can be used.

[多孔炭素膜製造用シート]
本発明の他の一側面に係る多孔炭素膜製造用シート(以下、単に「第2側面に係るシート」と記載することがある)は、第1側面に係る多孔炭素膜製造用組成物で形成される。第1側面に係る多孔炭素膜製造用組成物をシート状とすることで、厚みの揃った多孔炭素膜の量産が容易となる。
[Sheet for producing porous carbon membrane]
A sheet for producing a porous carbon membrane according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "a sheet according to the second aspect") is formed from the composition for producing a porous carbon membrane according to the first aspect. be done. Forming the composition for producing a porous carbon membrane according to the first aspect into a sheet facilitates mass production of porous carbon membranes having a uniform thickness.

第2側面に係るシートの厚みは、特に限定されないが、50μm以上1mm以下が例示される。シート厚みが50μm以上であることで、得られる多孔炭素膜がハンドリング性に優れたものとなる。この点からは、シート厚みは100μm以上であることが好ましく、150μm以上であることがより好ましい。他方、シート厚みが1mm以下であることで、得られる多孔炭素膜を正極に用いた空気電池を小型化できる。この点からは、シート厚みは900μm以下であることが好ましく、800μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the sheet relating to the second side is not particularly limited, but is exemplified from 50 μm to 1 mm. When the sheet thickness is 50 μm or more, the resulting porous carbon membrane has excellent handleability. From this point of view, the sheet thickness is preferably 100 μm or more, more preferably 150 μm or more. On the other hand, since the sheet thickness is 1 mm or less, it is possible to miniaturize the air battery using the resulting porous carbon film as the positive electrode. From this point of view, the sheet thickness is preferably 900 μm or less, more preferably 800 μm or less.

第2側面に係るシートの製造方法は、特に限定されないが、第1側面に係る組成物を含有する合剤スラリーを、ドクターブレード法、ロールコーター法、ダイコーター法、スピンコート法、スプレーコーティング法等の湿式製膜法にて成型する方法が例示される。 The method for producing the sheet according to the second aspect is not particularly limited, but the mixture slurry containing the composition according to the first aspect is coated by a doctor blade method, a roll coater method, a die coater method, a spin coat method, or a spray coating method. A method of molding by a wet film-forming method such as the above is exemplified.

[空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法]
本発明の他の一側面に係る空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法(以下、単に「第3側面に係る製造方法」と記載することがある)は、図1に示すように、第1側面に係る多孔炭素膜製造用組成物を含有する合剤スラリーを調製すること(S1)、前記合剤スラリーを成型すること(S2)、前記成型することによって得られた成型体を、前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒に浸漬すること(S3)、前記浸漬して得られた試料を乾燥すること(S4)、及び前記乾燥して得られた試料を、不活性ガス雰囲気中で炭素化すること(S6)を含む。なお、第3側面に係る製造方法は、前記S6の前に、前記S4で得られた試料を、空気中で不融化すること(S5)をさらに含んでもよい。
以下、各工程について詳述する。
[Manufacturing method of porous carbon membrane for positive electrode of air battery]
A method for producing a porous carbon film for an air battery positive electrode according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "a production method according to the third aspect") comprises, as shown in FIG. Preparing a mixture slurry containing the composition for producing a porous carbon film according to one aspect (S1), molding the mixture slurry (S2), forming a molded body obtained by the molding, immersing in a solvent in which the polymer material for a binder has a low solubility (S3); drying the sample obtained by the immersion (S4); (S6). The manufacturing method according to the third aspect may further include making the sample obtained in S4 infusible in air (S5) before S6.
Each step will be described in detail below.

(S1:合剤スラリー調製)
合剤スラリーは、第1側面に係る多孔炭素膜製造用組成物を含有する。前記組成物の各成分を混合してスラリーを調製する方法は特に限定されず、インペラーやブレードを持った混合機、容器自身が自公転する混合機及びボールミル混合機等を採用できる。
(S1: mixture slurry preparation)
The mixture slurry contains the porous carbon membrane-producing composition according to the first aspect. The method of mixing each component of the composition to prepare a slurry is not particularly limited, and a mixer having an impeller or blades, a mixer in which the container itself revolves, a ball mill mixer, or the like can be employed.

(S2:成型)
前記合剤スラリーを成型する方法は、所定の寸法の成型体が得られるものであれば限定されず、例えば、ドクターブレード法、ロールコーター法、ダイコーター法、スピンコート法、スプレーコーティング法などの湿式成膜法を採用できる。
成型後の成型体の形状は、目的に応じたものであればよい。空気電池の小型化のためには、均一な厚みのシート状とすることが好ましい。
(S2: molding)
The method for molding the mixture slurry is not limited as long as a molded body having a predetermined size can be obtained. A wet film-forming method can be employed.
The shape of the molded body after molding may be any shape as long as it meets the purpose. In order to miniaturize the air battery, it is preferable to form a sheet having a uniform thickness.

(S3:溶媒浸漬)
溶媒浸漬は、工程S2で成型した成型体を、バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒中に浸漬する非溶媒誘起相分離法により行う。非溶媒誘起相分離法とは、高分子溶液を高分子の貧溶媒に浸漬して高分子を相分離析出させる方法である。非溶媒誘起相分離法により、バインダー用高分子材料が多孔炭素粒子同士を結合した状態で相分離析出し、多孔炭素粒子並びに任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブを骨格とする多孔炭素膜を生成することができる。このとき、合剤スラリーの溶剤のほとんどは、上記の貧溶媒と相溶する。
前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒としては、例えば、水、及びエチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール、並びにこれらの混合溶媒などを挙げることができる。
(S3: solvent immersion)
Solvent immersion is performed by a non-solvent induced phase separation method in which the molded body molded in step S2 is immersed in a solvent in which the polymer material for a binder has a low solubility. The non-solvent-induced phase separation method is a method in which a polymer solution is immersed in a poor solvent for the polymer to phase-separate and precipitate the polymer. By the non-solvent-induced phase separation method, the polymer material for the binder phase-separates and deposits in a state where the porous carbon particles are bonded to each other, and a porous carbon film with a framework of porous carbon particles and optionally carbon fibers and carbon nanotubes is produced. can do. At this time, most of the solvent of the mixture slurry is compatible with the poor solvent.
Examples of the solvent in which the binder polymeric material has low solubility include water, alcohol such as ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol, and butyl alcohol, and mixed solvents thereof.

(S4:乾燥)
乾燥工程は、合剤スラリーの調製に用いた溶剤及び工程S3で使用した貧溶媒を揮発除去するために行う。乾燥方法としては、乾燥空気環境下に置く方法、減圧乾燥法、真空乾燥法などを挙げることができる。この乾燥工程では、乾燥速度を速めるために、前記溶剤及び貧溶媒の沸点を超える程度の温度に加温してもよい。
(S4: drying)
The drying step is performed to evaporate and remove the solvent used in preparing the mixture slurry and the poor solvent used in step S3. Examples of the drying method include a method of placing in a dry air environment, a reduced pressure drying method, a vacuum drying method, and the like. In this drying step, in order to increase the drying speed, the temperature may be increased to a temperature exceeding the boiling points of the solvent and the poor solvent.

(S5:不融化)
不融化処理は、バインダー用高分子材料が、次の工程S6の炭素化処理で溶融分離して炭素粒子同士の結着を損ない、成型体の形状が崩れることを防止する目的で行なう。不融化処理は、使用するバインダー用高分子材料の種類等によっては、実施しないことも可能である。不融化処理が必要なバインダー用高分子材料は、そのまま加熱すると、溶融液状化してしまう構造の高分子であり、溶融液状化防止のため、酸素により分子間架橋を促進し、加熱で溶融液状化しない構造に変化させる必要がある。不融化処理が必要なバインダー用高分子材料の例としては、ポリ塩化ビニル(PVC)及びポリビニルアセテート等が挙げられる。一方、不融化処理が不要なバインダー用高分子材料は、酸素を導入しなくとも、加熱することで、自身の持つ官能基により分子間架橋が進行し、軟化はするが、液状にはならずに炭素化が進行するものである。不融化処理が不要なバインダー用高分子材料の例としては、フェノールホルムアルデヒド樹脂(PF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリフェニレン(PP)及びセルロース等が挙げられる。バインダー用高分子材料のうち、ポリアクリロニトリル(PAN)は、加熱により、軟化はするものの液状にならずに炭素化が進む高分子であるが、PANから炭素繊維を工業的に製造する場合、より架橋反応を進行させるため、空気中200~400℃で不融化処理を行い、高温でも溶融しない繊維に変えた上で炭素化を実施している。後述する実施例では、合剤スラリーの作製のしやすさ、非溶媒誘起相分離のしやすさから、PANを用いており、炭素繊維の工業的製法にならい、不融化を実施している。
(S5: infusibilization)
The infusibilizing treatment is performed for the purpose of preventing the polymer material for binder from being melted and separated in the carbonization treatment in the next step S6 to impair the bonding between the carbon particles and to prevent the shape of the molded body from collapsing. The infusibilizing treatment may be omitted depending on the type of binder polymeric material used. Polymer materials for binders that require infusibility treatment are polymers with a structure that melts and liquefies when heated as they are. It is necessary to change to a structure that does not Polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl acetate, and the like are examples of polymeric materials for binders that require infusibilizing treatment. On the other hand, polymer materials for binders, which do not require infusibility treatment, can be softened by intermolecular cross-linking due to their own functional groups when heated without the introduction of oxygen, but they do not become liquid. carbonization progresses in Examples of polymeric materials for binders that do not require infusibilization include phenol formaldehyde resin (PF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyphenylene (PP) and cellulose. Among polymer materials for binders, polyacrylonitrile (PAN) is a polymer that is softened by heating but does not become liquid and carbonizes. In order to promote the cross-linking reaction, infusibilization treatment is carried out at 200 to 400° C. in the air to convert the fibers into fibers that do not melt even at high temperatures, and then carbonization is carried out. In the examples described later, PAN is used because of the ease of preparation of mixture slurry and the ease of non-solvent-induced phase separation, and the infusibilization is carried out according to the industrial manufacturing method of carbon fibers.

不融化処理を行う際の雰囲気は、空気循環下、或いは空気流通下で行うことがコスト的に好ましいが、酸素に対して窒素やアルゴンなの不活性ガスを混合して用いることも可能である。空気を流通する場合の流量は、不融化を十分進行させる点からは、0.1mL/min以上であることが好ましく、1mL/min以上であることがより好ましい。また、製造コストを低減する点からは、100m/min以下であることが好ましく、50m/min以下であることがより好ましく、10m/min以下であることがさらに好ましい。 The atmosphere for the infusibilization treatment is preferably air circulation or air circulation in terms of cost, but it is also possible to use a mixture of oxygen with an inert gas such as nitrogen or argon. The flow rate when the air is circulated is preferably 0.1 mL/min or more, more preferably 1 mL/min or more, from the viewpoint of sufficiently advancing the infusibilization. From the viewpoint of reducing manufacturing costs, it is preferably 100 m 3 /min or less, more preferably 50 m 3 /min or less, and even more preferably 10 m 3 /min or less.

不融化処理を実施する温度は、不融化を十分に進行させる点からは、250℃以上が好ましく、260℃以上がより好ましく、270℃以上がさらに好ましい。不融化処理温度が前記下限値以上であると、十分な不融化により、次の炭素化工程で、バインダー用高分子材料が溶融して炭素粒子から離れてしまうことなく、多孔炭素膜の強度を維持することができる。また、不融化処理の温度は、350℃以下であることが好ましく、340℃以下であることがより好ましく、330℃以下であることがさらに好ましい。不融化処理の温度が前記上限値以下であると、適度な架橋反応を起こすことができ、空気中に21%存在する酸素との酸化反応によって架橋反応を通り越してバインダー用高分子材料が酸化燃焼により消失し、多孔膜が破損してしまう事態が生じにくくなる。
不融化での所定処理温度での保持時間は、不融化を十分進行させる点からは、下限は、1min以上が好ましく、10min以上がより好ましく、20min以上がさらに好ましい。また、保持時間の上限は、製造コストを低減する点からは、100hr以下が好ましく、10hr以下がより好ましく、5hr以下がさらに好ましい。
不融化処理での昇温速度の上限は、バインダー用高分子材料の不融化を十分に進行させる点からは、100℃/min以下であることが好ましく、50℃/min以下であることがより好ましく、30℃/min以下であることがさらに好ましい。昇温速度の下限は特に限定されないが、昇温時間を短縮して不融化処理を短時間で終える点からは、0.01℃/min以上であること好ましい。
The temperature at which the infusibilization treatment is performed is preferably 250° C. or higher, more preferably 260° C. or higher, and even more preferably 270° C. or higher, in order to sufficiently progress the infusibilization. When the infusibilization treatment temperature is at least the above lower limit, sufficient infusibilization prevents the polymeric binder material from melting and separating from the carbon particles in the subsequent carbonization step, thereby increasing the strength of the porous carbon film. can be maintained. The temperature of the infusibilization treatment is preferably 350° C. or lower, more preferably 340° C. or lower, and even more preferably 330° C. or lower. When the temperature of the infusibilization treatment is equal to or lower than the above upper limit, a moderate cross-linking reaction can occur, and the binder polymeric material is oxidized and burned through the cross-linking reaction due to the oxidation reaction with oxygen present at 21% in the air. , and the situation in which the porous membrane is damaged is less likely to occur.
The lower limit of the retention time at the predetermined treatment temperature for infusibilization is preferably 1 min or longer, more preferably 10 min or longer, and even more preferably 20 min or longer, from the viewpoint of sufficiently advancing the infusibilizing. The upper limit of the holding time is preferably 100 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less, from the viewpoint of reducing manufacturing costs.
The upper limit of the temperature increase rate in the infusibilization treatment is preferably 100° C./min or less, more preferably 50° C./min or less, in order to sufficiently progress the infusibilization of the polymer material for the binder. It is preferably 30° C./min or less, more preferably 30° C./min or less. Although the lower limit of the heating rate is not particularly limited, it is preferably 0.01° C./min or more from the viewpoint of shortening the heating time and finishing the infusibilization treatment in a short time.

不融化処理に使用する装置としては、オーブン炉、管状炉、ボックス炉及び赤外線炉などが例示される。 An oven furnace, a tubular furnace, a box furnace, an infrared furnace and the like are exemplified as apparatuses used for the infusibilization treatment.

(S6:炭素化)
炭素化処理の目的は、バインダー用高分子材料を炭素に変化させることにある。バインダー用高分子材料を炭素化することで、電気伝導性が向上し、さらには多孔炭素粒子やカーボンファイバー、カーンボンナノチューブとの結着性が増加し、多孔炭素膜の強度が増大する。
炭素化処理は、例えば、オーブン炉、管状炉、ボックス炉、赤外線炉及びベーク炉などを用いて行うことができる。炭素化処理の温度は、バインダー用高分子材料を十分に炭素化する点からは、600℃以上が好ましく、700℃以上がより好ましく、800℃以上がさらに好ましい。他方、汎用の処理装置を使用して処理コストを低減する点からは、炭酸化処理の温度は、3000℃以下が好ましく、2000℃以下がより好ましく、1500℃以下がさらに好ましい。
炭素化処理での昇温速度は、バインダー用高分子材料を十分に炭素化する点からは、100℃/min以下が好ましく、50℃/min以下がより好ましく、30℃/min以下がさらに好ましい。昇温速度の下限は特に定めないが、処理時間を短縮して処理コストを低減する点からは、0.01℃/min以上が好ましい。
炭素化処理の雰囲気はアルゴン(Ar)ガス、窒素(N)ガスなどによる不活性雰囲気が好ましい。不活性ガスは、上記炉に封入した状態でも良いが、フローしながら処理をしても良い。不活性ガスをフローする場合、流量は特に限定されないが、炉の構造に起因する外気の混入の影響を抑制する点からは、0.1mL/min以上が好ましく、1mL/min以上がより好ましく、10mL/min以上がさらに好ましい。他方、処理コストを低減する点からは、不活性ガスの流量は、100m/min以下が好ましく、50m/min以下がより好ましく、10m/min以下がさらに好ましい。
(S6: Carbonization)
The purpose of the carbonization treatment is to convert the polymeric binder material into carbon. By carbonizing the polymer material for the binder, the electrical conductivity is improved, and furthermore, the adhesiveness to porous carbon particles, carbon fibers, and carbon nanotubes is increased, and the strength of the porous carbon film is increased.
Carbonization treatment can be performed using, for example, an oven furnace, a tubular furnace, a box furnace, an infrared furnace, a baking furnace, or the like. The temperature of the carbonization treatment is preferably 600° C. or higher, more preferably 700° C. or higher, and even more preferably 800° C. or higher, from the viewpoint of sufficiently carbonizing the polymeric binder material. On the other hand, the temperature of the carbonation treatment is preferably 3,000° C. or lower, more preferably 2,000° C. or lower, and even more preferably 1,500° C. or lower, from the viewpoint of using a general-purpose treatment apparatus and reducing the treatment cost.
The rate of temperature increase in the carbonization treatment is preferably 100° C./min or less, more preferably 50° C./min or less, and even more preferably 30° C./min or less, from the viewpoint of sufficiently carbonizing the binder polymer material. . Although the lower limit of the heating rate is not specified, it is preferably 0.01° C./min or more from the viewpoint of shortening the processing time and reducing the processing cost.
The atmosphere for the carbonization treatment is preferably an inert atmosphere such as argon (Ar) gas or nitrogen (N 2 ) gas. The inert gas may be in a state of being sealed in the furnace, or may be processed while flowing. When the inert gas is flowed, the flow rate is not particularly limited, but from the viewpoint of suppressing the influence of outside air contamination due to the structure of the furnace, it is preferably 0.1 mL / min or more, and more preferably 1 mL / min or more. 10 mL/min or more is more preferable. On the other hand, from the viewpoint of reducing treatment costs, the flow rate of the inert gas is preferably 100 m 3 /min or less, more preferably 50 m 3 /min or less, and even more preferably 10 m 3 /min or less.

第3側面に係る製造方法では、不融化処理(S5)又は炭素化処理(S6)の間に、熱分解性有機化合物が分解する。これにより、粒子間の空隙内又は多孔炭素膜の表面に、熱分解性有機化合物と接触していた多孔炭素粒子の表面が露出し、露出した粒子表面に存在する細孔の分だけ、多孔炭素膜の細孔容積が増加する。また、熱分解性有機化合物の分解により発生したガスが外部に放出される際に、軟化したバインダー用高分子材料中に気道を形成することで、これが炭素化した炭素化物中にも細孔が形成される。このため、多孔炭素膜全体として細孔が増加する。この熱分解性有機化合物の分解は、該有機化合物の分解温度以上に昇温するだけで起こり、雰囲気や温度の厳密な制御を要しない。このため、第3側面に係る製造方法は、雰囲気中の酸素濃度や処理温度を精密に制御する設備が不要となる利点を有する。しかも、製造した多孔炭素構造体は、自立するに十分で実用的な機械的強度を有している。 In the manufacturing method according to the third aspect, the thermally decomposable organic compound is decomposed during the infusibilization treatment (S5) or the carbonization treatment (S6). As a result, the surfaces of the porous carbon particles that have been in contact with the thermally decomposable organic compound are exposed in the voids between the particles or on the surface of the porous carbon film, and the pores existing on the exposed particle surfaces The pore volume of the membrane increases. In addition, when the gas generated by the decomposition of the thermally decomposable organic compound is released to the outside, air passages are formed in the softened polymer material for binder, so that pores are also formed in the carbonized material. It is formed. As a result, the pores of the entire porous carbon membrane increase. Decomposition of the thermally decomposable organic compound occurs simply by raising the temperature to the decomposition temperature of the organic compound or higher, and strict control of atmosphere and temperature is not required. Therefore, the manufacturing method according to the third aspect has the advantage of not requiring equipment for precisely controlling the oxygen concentration in the atmosphere and the processing temperature. Moreover, the manufactured porous carbon structure has sufficient mechanical strength for practical use so that it can stand on its own.

[多孔炭素膜の物性]
第3側面に係る製造方法により得られる多孔炭素膜は、多数の空孔を有し、以下の(a)から(c)のすべての条件を満たすことが好ましい。
(a)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、3.6cm/g以上7.0cm/g以下
(b)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.8cm/g以上7.0cm/g以下
(c)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔比表面積が、1000m/g以上2000m/g以下
以下、条件(a)から(c)についてそれぞれ詳述する。
[Physical properties of porous carbon membrane]
The porous carbon membrane obtained by the manufacturing method according to the third aspect preferably has a large number of pores and satisfies all of the following conditions (a) to (c).
(a) Pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.6 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less (b) Pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2 .8 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less (c) The pore specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 1000 m 2 /g or more and 2000 m 2 /g or less, from condition (a) to ( c) will be described in detail.

条件(a)は、直径1nm以上1000nm以下の細孔径範囲の細孔容積がかなり大きいということを表している。この細孔容積は、窒素吸着測定より得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて得られる。
条件(a)を満たす多孔炭素膜を空気電池の正極として用いた場合、放電で生成する金属酸化物(リチウム空気電池では過酸化リチウム)をより多く蓄えることができるため、高い放電容量特性を持つ電池を提供できる。また、細孔容積に比例して、この細孔径範囲の細孔を通過する酸素の総量が増大することで、多孔炭素膜体内で空気の透過拡散がしやすくなる。このため、電池外部から正極内へ導入された酸素は、炭素骨格を形成している炭素粒子の隅々まで、高速でいきわたることができる。さらには、この細孔径範囲の細孔は、金属イオン(リチウム空気電池ではLiイオン)の移動経路となるため、その容積が大きいことで、金属イオンがスムーズに移動可能となり、空気や酸素の透過拡散性の高さと相まって、高速放電特性、すなわち高負荷特性に優れた空気電池を提供できる。
したがって、より大きな放電容量と高負荷特性に優れた空気電池を得る点からは、上記の細孔容積は3.6cm/g以上であることが好ましく、3.7cm/g以上であることがより好ましく、3.8cm/g以上であることがさらに好ましい。また、多孔炭素膜の強度を維持する点からは、上記の細孔容積は、7.0cm/g以下であることが好ましく、6.0cm/g以下であることがより好ましい。
Condition (a) expresses that the pore volume in the pore diameter range of 1 nm or more and 1000 nm or less is considerably large. This pore volume is obtained from the adsorption isotherm obtained from the nitrogen adsorption measurement using the BJH (Barrett-Joyner-Hallenda) method.
When a porous carbon film that satisfies the condition (a) is used as the positive electrode of an air battery, it can store a larger amount of metal oxide (lithium peroxide in a lithium-air battery) generated during discharge, resulting in high discharge capacity characteristics. Batteries can be provided. In addition, since the total amount of oxygen passing through pores within this range of pore diameters increases in proportion to the pore volume, permeation and diffusion of air within the porous carbon membrane is facilitated. Therefore, the oxygen introduced into the positive electrode from the outside of the battery can spread to every corner of the carbon particles forming the carbon skeleton at high speed. Furthermore, since the pores in this pore diameter range serve as a migration path for metal ions (Li ions in lithium-air batteries), the large volume allows the metal ions to move smoothly, allowing air and oxygen to permeate. Combined with high diffusivity, it is possible to provide an air battery with excellent high-speed discharge characteristics, that is, high-load characteristics.
Therefore, from the viewpoint of obtaining an air battery having a larger discharge capacity and excellent high-load characteristics, the pore volume is preferably 3.6 cm 3 /g or more, more preferably 3.7 cm 3 /g or more. is more preferable, and 3.8 cm 3 /g or more is even more preferable. From the viewpoint of maintaining the strength of the porous carbon membrane, the pore volume is preferably 7.0 cm 3 /g or less, more preferably 6.0 cm 3 /g or less.

条件(b)は、直径1nm以上200nm以下の比較的小さな範囲の細孔の占める細孔容積が大きく、より小さな細孔の数が多いことを表している。この細孔容積も、窒素吸着測定より得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて得られる。
条件(b)を満たす多孔炭素膜を空気電池の正極に用いた場合、放電で金属イオンと酸素と電子が反応して生成する酸化物を多く蓄えることが可能となり、高放電容量を示す電池を提供できる。
したがって、大きな放電容量を得る点からは、上記の細孔径範囲の細孔容積は2.8cm/g以上であることが好ましく、2.9cm/g以上であることがより好ましく、3.0cm/g以上であることがさらに好ましい。
また、より酸素透過拡散性が高い直径200nmを超える細孔の容積を確保し、高負荷での放電特性にも優れる、すなわち高速での放電容量も大きいものとする点からは、上記の細孔径範囲の細孔容積は、7.0cm/g以下であることが好ましく、6.0cm/g以下であることがより好ましく、5.0cm/g以下であることがさらに好ましい。
Condition (b) indicates that the pore volume occupied by relatively small pores having a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is large and the number of smaller pores is large. This pore volume is also obtained using the BJH (Barrett-Joyner-Hallenda) method from the adsorption isotherm obtained from the nitrogen adsorption measurement.
When a porous carbon film that satisfies the condition (b) is used for the positive electrode of an air battery, it becomes possible to store a large amount of oxide produced by the reaction of metal ions, oxygen, and electrons during discharge, resulting in a battery exhibiting high discharge capacity. can provide.
Therefore, from the viewpoint of obtaining a large discharge capacity, the pore volume in the above pore diameter range is preferably 2.8 cm 3 /g or more, more preferably 2.9 cm 3 /g or more. It is more preferably 0 cm 3 /g or more.
In addition, from the viewpoint of securing a volume of pores having a diameter of more than 200 nm with higher oxygen permeation and diffusibility and excellent discharge characteristics at high load, that is, a large discharge capacity at high speed, the above pore diameter The pore volume in the range is preferably 7.0 cm 3 /g or less, more preferably 6.0 cm 3 /g or less, and even more preferably 5.0 cm 3 /g or less.

条件(c)は、直径1m以上200nm以下の比較的小さい範囲の細孔の比表面積が大きいことを表す。この条件を満たすことにより、放電反応において金属イオンと酸素とが反応する際に、正極から供給される電子を酸素が受け取る反応場が多く、より多くの電子を受け渡すことができる。この条件(c)は、前記の条件(b)の「直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.8cm/g以上7.0cm/g以下」を満たすと、放電で生成する金属酸化物を多く蓄えることができることと相まって、高放電容量を示す電池の提供を可能とする。また、充電反応においても同様に、金属酸化物が正極に電子を渡して金属イオンと酸素になるための反応場を多く提供し、より多くの電子の受け渡しを可能とする。
上記の比表面積は、電子の受け渡しの反応場を確保するために、1000m/g以上であることが好ましい。また、金属イオンや酸素の侵入をスムーズに行うためには、上記の比表面積は1700m/g以下であることが好ましく、1400m/g以下であることがより好ましい。
Condition (c) indicates that the specific surface area of pores in a relatively small range of 1 m or more and 200 nm or less in diameter is large. By satisfying this condition, when metal ions and oxygen react in a discharge reaction, there are many reaction fields where oxygen receives electrons supplied from the positive electrode, and more electrons can be transferred. In this condition (c), when the above condition (b) “pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2.8 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less” is satisfied, discharge is possible. It is possible to provide a battery exhibiting a high discharge capacity coupled with the ability to store a large amount of the metal oxide produced. Similarly, in the charging reaction, the metal oxide provides a large number of reaction sites for transferring electrons to the positive electrode to become metal ions and oxygen, enabling transfer of more electrons.
The above specific surface area is preferably 1000 m 2 /g or more in order to secure a reaction field for transferring electrons. In order to allow metal ions and oxygen to enter smoothly, the specific surface area is preferably 1700 m 2 /g or less, more preferably 1400 m 2 /g or less.

第3側面に係る製造方法により得られる多孔炭素膜は、前記の条件(a)から(c)に加えて、次の条件(d)を満たすものであってもよい。
(d)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が、900m/g以上、1700m/g以下
この条件は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が大きいことを示している。空気電池の放電時の正極反応は、負極から移動してきた金属イオンと、正極の外気側から移動拡散してきた酸素とが、正極内部の細孔内で細孔内表面から電子を受け取って金属酸化物を生成する反応である。このため、上記の比表面積が大きいことで、空気電池の正極に用いた際にこの反応を生じる場が多くなり、放電がよりスムーズに行われる結果、高負荷特性に優れる電池が得られる。
前記の比表面積の下限は、反応場を確保する点からは、900m/g以上であることが好ましく、1000m/g以上であることがより好ましい。また、前記の比表面積の上限は、多孔炭素膜の強度を維持する点からは、1700m/g以下であることが好ましく、1400m/g以下であることがより好ましい。
The porous carbon membrane obtained by the manufacturing method according to the third aspect may satisfy the following condition (d) in addition to the above conditions (a) to (c).
(d) The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 900 m 2 /g or more and 1700 m 2 /g or less This condition indicates that the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is large. there is In the positive electrode reaction during discharge of an air battery, metal ions that have migrated from the negative electrode and oxygen that has migrated and diffused from the outside air side of the positive electrode receive electrons from the inner surface of the pores inside the positive electrode and undergo metal oxidation. It is a reaction that produces a substance. Therefore, the large specific surface area increases the number of places where this reaction occurs when it is used as the positive electrode of an air battery, and as a result, discharge is performed more smoothly, resulting in a battery with excellent high-load characteristics.
The lower limit of the specific surface area is preferably 900 m 2 /g or more, more preferably 1000 m 2 /g or more, from the viewpoint of securing a reaction field. The upper limit of the specific surface area is preferably 1700 m 2 /g or less, more preferably 1400 m 2 /g or less, from the viewpoint of maintaining the strength of the porous carbon membrane.

第3側面に係る製造方法により得られる多孔炭素膜は、前記の条件(a)から(c)又は前記条件(a)から(d)に加えて、次の条件(e)を満たすことが好ましい。
(e)見かけ密度が、0.10g/cm以上0.20cm/g以下
多孔炭素膜の見かけ密度がこの範囲であれば、多孔炭素膜は、酸素が透過拡散するのに必要な空孔を十分に有し、かつ、強度も十分である。したがって、自立性を有する多孔炭素膜とすることができ、金属メッシュ等を使用することなく、空気電池の正極に供することができる。これにより、電池の軽量化、小型化、生産性の向上、低コスト化を可能にする。見かけ密度は、多孔炭素膜の質量をその体積で割って求めることができる。
見かけ密度が小さすぎないことで、多孔炭素膜の強度が大きくなり、金属メッシュ等の集電体に付着させることなく正極とすることができる。この点からは、見かけ密度の下限は、0.10g/cm以上であることが好ましく、0.11g/cm以上であることがより好ましく、0.12g/cm以上であることがさらに好ましい。これにより、空孔を有し、かつ、高い強度を有する多孔炭素膜を得ることができる。
また、見かけ密度が小さいと、多孔炭素膜に存在する空孔量が多くなり、容量が大きく、負荷特性に優れる空気電池が得られる。この点からは、見かけ密度の上限は、0.20g/cm以下であることが好ましく、0.19g/cm以下であることがより好ましく、0.18g/cm以下であることがさらに好ましい。
The porous carbon membrane obtained by the manufacturing method according to the third aspect preferably satisfies the following condition (e) in addition to the conditions (a) to (c) or the conditions (a) to (d). .
(e) Apparent density of 0.10 g/cm 3 or more and 0.20 cm 3 /g or less If the apparent density of the porous carbon film is within this range, the porous carbon film has pores necessary for permeation and diffusion of oxygen. and sufficient strength. Therefore, a self-supporting porous carbon film can be obtained, and the positive electrode of an air battery can be provided without using a metal mesh or the like. This makes it possible to reduce the weight and size of the battery, improve productivity, and reduce the cost. The apparent density can be determined by dividing the mass of the porous carbon membrane by its volume.
When the apparent density is not too low, the strength of the porous carbon film increases, and it can be used as a positive electrode without adhering to a current collector such as a metal mesh. From this point, the lower limit of the apparent density is preferably 0.10 g/cm 3 or more, more preferably 0.11 g/cm 3 or more, and further preferably 0.12 g/cm 3 or more. preferable. As a result, a porous carbon film having pores and high strength can be obtained.
Also, when the apparent density is low, the amount of pores present in the porous carbon film increases, and an air battery with a large capacity and excellent load characteristics can be obtained. From this point, the upper limit of the apparent density is preferably 0.20 g/cm 3 or less, more preferably 0.19 g/cm 3 or less, and further preferably 0.18 g/cm 3 or less. preferable.

第3側面に係る製造方法により得られる多孔炭素膜は、前記の条件(a)から(c)、(a)から(d)又は前記条件(a)から(e)に加えて、次の条件(f)を満たすことが好ましい。
(f)空隙率が、90%以上99%以下
多孔炭素膜の空隙率は、見かけ密度と真密度とから、(1-多孔炭素膜の見かけ密度/多孔炭素膜の構成材料の真密度)により求めることができる。空隙率が上記下限以上であることは、十分に大きい空隙率を有することを表す。このような多孔炭素膜を空気電池の正極に用いた場合、放電で生成する金属酸化物を多く蓄えることができ、電池外部から正極内への空気や酸素の侵入が抵抗少なくスムーズに行われるため、高い放電容量を有し、かつ、高速での放電が可能な電池を提供できる。
また、空隙率が上記上限以下であることで、多孔炭素膜としての剛性及び強度を確保し、自立が可能となる。空隙率の上限は98%以下であることがより好ましい。
The porous carbon film obtained by the manufacturing method according to the third aspect has the following conditions in addition to the above conditions (a) to (c), (a) to (d), or the above conditions (a) to (e) (f) is preferably satisfied.
(f) Porosity is 90% or more and 99% or less The porosity of the porous carbon membrane is calculated from the apparent density and the true density by (1-apparent density of the porous carbon membrane / true density of the constituent material of the porous carbon membrane). can ask. A porosity equal to or higher than the above lower limit means having a sufficiently large porosity. When such a porous carbon film is used for the positive electrode of an air battery, it is possible to store a large amount of the metal oxide generated by discharge, and the intrusion of air and oxygen from the outside of the battery into the positive electrode occurs smoothly with little resistance. , it is possible to provide a battery that has a high discharge capacity and can be discharged at a high speed.
Further, when the porosity is equal to or less than the above upper limit, the rigidity and strength of the porous carbon membrane can be secured and the membrane can stand on its own. More preferably, the upper limit of the porosity is 98% or less.

[空気電池の製造方法]
本発明の他の一側面に係る空気電池の製造方法(以下、単に「第4側面に係る製造方法」と記載することがある)は、上述した方法で多孔炭素膜を製造すること、前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、前記正極及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに前記セパレータに電解液を充填することを含む空気電池の製造方法である。以下、第4側面に係る製造方法について、コインセル、及び積層型電池を製造する場合を例として挙げ、図面を参照しながら説明する。
[Method for manufacturing air battery]
A method for manufacturing an air battery according to another aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a “method for manufacturing according to the fourth aspect”) comprises manufacturing a porous carbon membrane by the method described above, A method for manufacturing an air battery, comprising forming a positive electrode from a carbon film, preparing a negative electrode and a separator, stacking the positive electrode and the negative electrode with the separator interposed therebetween, and filling the separator with an electrolytic solution. . Hereinafter, the manufacturing method according to the fourth aspect will be described with reference to the drawings, taking the case of manufacturing a coin cell and a laminated battery as an example.

(コインセル)
図2は、コインセルの一例を示す模式図である。
コインセル600は、負極構造体610と正極構造体620とがセパレータ660を介して積層された積層構造体で構成される。そして、この積層構造体はコインセル型拘束具630により拘束されている。なお、コインセル型拘束具630と金属メッシュ680の間には絶縁性のOリングが配置され(図示なし)、拘束具630と正極構造体620との絶縁性が確保されている。
(coin cell)
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a coin cell.
The coin cell 600 is composed of a laminated structure in which a negative electrode structure 610 and a positive electrode structure 620 are laminated with a separator 660 interposed therebetween. This laminated structure is then restrained by a coin cell type restraint 630 . An insulating O-ring (not shown) is arranged between the coin cell restraint 630 and the metal mesh 680 to ensure insulation between the restraint 630 and the positive electrode structure 620 .

負極構造体610は、集電体635と、集電体635上に配置された金属層640と、その両端に配置された柱状のスペーサ650とにより構成され、金属層640と、セパレータ660との間には、空間670が設けられ、電解液が充填されている。
金属層640は、アルカリ金属、及び/又は、アルカリ土類金属を含有することが好ましい。なかでも、リチウム金属からなる層が好ましい。
The negative electrode structure 610 includes a current collector 635, a metal layer 640 arranged on the current collector 635, and columnar spacers 650 arranged at both ends thereof. A space 670 is provided between them and is filled with an electrolytic solution.
Metal layer 640 preferably contains an alkali metal and/or an alkaline earth metal. Among them, a layer made of lithium metal is preferable.

正極構造体620は、集電体である金属含有のメッシュ(金属メッシュ)680に機械的及び電気的に接触した多孔炭素膜690を備える。この場合、金属メッシュ680は、正極基材となり、空気又は酸素が通る流路の機能も兼ね備える。
負極構造体610と正極構造体620の間には、セパレータ660が配置される。
The positive electrode structure 620 comprises a porous carbon membrane 690 in mechanical and electrical contact with a current collector metal containing mesh (metal mesh) 680 . In this case, the metal mesh 680 serves as a positive electrode base material and also functions as a channel through which air or oxygen passes.
A separator 660 is disposed between the negative electrode structure 610 and the positive electrode structure 620 .

以下、コインセル600の製造方法の一例について、説明する。
まず、負極構造体610を準備する。円盤状の集電体635の上に、集電体635と同心状で集電体635より径の小さな円盤状のリチウム等による金属層640を積層し、集電体635の上に柱状のスペーサ650を押し付け、負極構造体610を得る。
An example of a method for manufacturing the coin cell 600 will be described below.
First, the negative electrode structure 610 is prepared. A disk-shaped metal layer 640 made of lithium or the like, which is concentric with the current collector 635 and has a diameter smaller than that of the current collector 635 , is stacked on the disk-shaped current collector 635 , and a columnar spacer is formed on the current collector 635 . 650 is pressed to obtain the negative electrode structure 610 .

スペーサ650は、絶縁体である。素材としては、金属酸化物、金属窒化物、及び、金属酸窒化物等であってよい。例えば、Al、Ta、TiO、ZnO、ZrO、SiO、B、P、GeO、LiO、NaO、KO、MgO、CaO、SrO、BaO、Si、AlN、及び、AlO1-x(0<x<1)等であってもよい。なかでも、Al、及びSiOは、入手が容易であり、加工性に優れるため好ましい。 Spacer 650 is an insulator. The material may be metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, or the like. For example, Al2O3 , Ta2O5 , TiO2 , ZnO , ZrO2, SiO2 , B2O3 , P2O5 , GeO2, Li2O , Na2O , K2O , MgO, CaO, SrO, BaO, Si 3 N 4 , AlN, AlO x N 1-x (0<x<1), and the like. Among them, Al 2 O 3 and SiO 2 are preferable because they are easily available and excellent in workability.

スペーサ650は、樹脂であってもよい。樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂、及び、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)系樹脂等が挙げられる。ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、及び、ポリプロピレン等が挙げられる。ポリエステル系樹脂は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、及び、ポリトリブチレンテレフタレート(PTT)等が挙げられる。これらの樹脂は、入手が容易であり、加工性に優れるため好ましい。 The spacer 650 may be resin. Examples of resins include polyolefin-based resins, polyester-based resins, polyimide-based resins, and polyetheretherketone (PEEK)-based resins. Examples of polyolefin-based resins include polyethylene and polypropylene. Polyester-based resins include polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene naphthalate (PEN), and polytributylene terephthalate (PTT). These resins are easily available and excellent in workability, and thus are preferable.

次に、セパレータ660をスペーサ650上に押し付ける。
金属層640とスペーサ650とセパレータ660との間には、空間670が設けられる。
セパレータ660は、アルカリ金属イオン、及び/又はアルカリ土類金属イオンを通過させることが可能な多孔質の絶縁体である。セパレータ660は、金属層640、及び、電解液との反応性を有さない任意の無機材料(金属材料を含む)、及び、有機材料である。
セパレータ660の素材は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及び、ポリオレフィン等の樹脂、及び、ガラス等でよい。セパレータ660は、織布であっても、不織布であってもよい。
Separator 660 is then pressed onto spacer 650 .
A space 670 is provided between the metal layer 640 , the spacer 650 and the separator 660 .
Separator 660 is a porous insulator that allows the passage of alkali metal ions and/or alkaline earth metal ions. Separator 660 is any inorganic material (including metallic materials) and organic material that does not have reactivity with metal layer 640 and the electrolyte.
The material of the separator 660 may be a resin such as polyethylene, polypropylene, or polyolefin, glass, or the like. Separator 660 may be woven or non-woven.

その後、セパレータ660に電解液を充填する。このとき、併せて空間670にも電解液を充填する。 After that, the separator 660 is filled with an electrolytic solution. At this time, the space 670 is also filled with the electrolytic solution.

電解液としては、アルカリ金属塩、及び/又はアルカリ土類金属塩を含有する、水系又は非水系の任意の電解液が使用できる。水系電解液がリチウム塩を含む場合、リチウム塩としては、例えば、LiOH、LiCl、LiNO、及び、LiSO等が使用でき、溶媒としては水、又は、水溶性の溶媒を用いることができる。 As the electrolytic solution, any aqueous or non-aqueous electrolytic solution containing an alkali metal salt and/or an alkaline earth metal salt can be used. When the aqueous electrolyte contains a lithium salt, examples of the lithium salt that can be used include LiOH, LiCl, LiNO 3 , and Li 2 SO 4 , and water or a water-soluble solvent can be used as the solvent. can.

非水系電解液(非水電解液)がリチウム塩を含む場合、リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiSbF、LiSiF、LiAsF、LiN(SO、Li(FSON、LiCFSO(LiTfO)、Li(CFSON(LiTFSI)、LiCSO、LiClO、LiAlO、LiAlCl、及び、LiB(C等が使用できる。 When the non-aqueous electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution) contains a lithium salt, examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiSiF 6 , LiAsF 6 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li( FSO2 ) 2N , LiCF3SO3 ( LiTfO ) , Li( CF3SO2 ) 2N (LiTFSI), LiC4F9SO3 , LiClO4 , LiAlO2 , LiAlCl4 , and LiB(C 2 O 4 ) 2 and the like can be used.

非水電解液に用いる非水溶媒としては、グライム類(モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム)、メチルブチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルブチルエーテル、ジブチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノン、ジオキサン、ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、2,2-ジメチルテトラヒドロフラン、2,5-ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸ジメチル、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、デカノリド、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ニトロメタン、ニトロベンゼン、トリエチルアミン、トリフェニルアミン、テトラエチレングリコールジアミン、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホン、テトラメチレンスルホン、トリエチルホスフィンオキシド、1,3-ジオキソラン、及び、スルホラン等が挙げられる。 Non-aqueous solvents used in the non-aqueous electrolyte include glymes (monoglyme, diglyme, triglyme, tetraglyme), methylbutyl ether, diethyl ether, ethylbutyl ether, dibutyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, cyclohexanone, dioxane, Dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, 2,2-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, dimethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl formate , ethyl formate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, polyethylene carbonate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone , acetonitrile, benzonitrile, nitromethane, nitrobenzene, triethylamine, triphenylamine, tetraethylene glycol diamine, dimethylformamide, diethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfone, tetramethylene sulfone, triethylphosphine oxide, 1,3-dioxolane, and , sulfolane and the like.

しかる後、多孔炭素膜690上に金属メッシュ680が配置された正極構造体620を準備する。
金属メッシュ680としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)からなる群より選択される少なくとも1種の金属を有するメッシュが使用できる。すなわち、この群から選ばれる金属単体、この群から選ばれる金属を含む合金、この群から選ばれる金属と炭素(C)や窒素(N)などとの化合物からなるメッシュを挙げることができる。合金の場合、鉄(Fe)、クロム(Cr)を含むこともできる。メッシュは、例えば、厚さ0.2mm、目開き1mmとすることができる。
After that, a positive electrode structure 620 having a metal mesh 680 arranged on a porous carbon film 690 is prepared.
Examples of the metal mesh 680 include copper (Cu), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium. A mesh having at least one metal selected from the group consisting of (Pd) can be used. That is, a metal element selected from this group, an alloy containing a metal selected from this group, and a mesh composed of a compound of a metal selected from this group and carbon (C) or nitrogen (N) can be mentioned. In the case of alloys, iron (Fe) and chromium (Cr) may also be included. The mesh can have a thickness of 0.2 mm and an opening of 1 mm, for example.

その後、電解液で充填させた負極構造体610に正極構造体620がセパレータ660を介して貼り合わせ、拘束具630で拘束してコインセル600を得る。ここで、実装は乾燥空気下、例えば露点温度-50℃以下の乾燥空気下で行うことが好ましい。
以上の工程により、コインセル600が製造される。
なお、コインセル600は、正極構造体620として、多孔炭素膜690と、金属メッシュ680とを有しているが、本発明の空気電池は、上記のものに制限されず、正極構造体620として、多孔炭素膜690のみを有していてもよい。
After that, the positive electrode structure 620 is attached to the negative electrode structure 610 filled with the electrolytic solution with the separator 660 interposed therebetween, and is restrained by the restraint 630 to obtain the coin cell 600 . Here, the mounting is preferably performed under dry air, for example, under dry air with a dew point temperature of −50° C. or less.
Through the above steps, the coin cell 600 is manufactured.
The coin cell 600 has the porous carbon film 690 and the metal mesh 680 as the positive electrode structure 620, but the air battery of the present invention is not limited to the above, and the positive electrode structure 620 is composed of: It may have only the porous carbon film 690 .

製造されたコインセル600は、多孔炭素膜690を使用した正極構造体620が、優れた高い空気又は酸素透過性を有しており、多量の酸素を取り込むことが可能であり、高いイオン輸送効率を有しており、広い反応場を有しているため、小型、軽量でも大きな容量を有する優れた空気電池とすることができる。 In the manufactured coin cell 600, the positive electrode structure 620 using the porous carbon film 690 has excellent high air or oxygen permeability, can take in a large amount of oxygen, and has high ion transport efficiency. Since it has a wide reaction field, it can be an excellent air battery having a small size and light weight and a large capacity.

(積層型空気電池)
図3は、積層型空気電池の一例を示す模式図である。
積層型空気電池500は、正極構造体510と負極構造体100とがセパレータ540を介して積層された積層構造を備える。積層数は、正極構造体510と負極構造体100とが各々1からなる1対を単位として、1対以上複数対でよく、対数に特段の上限はない。
(Layered air battery)
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a stacked air battery.
The laminated air battery 500 has a laminated structure in which a positive electrode structure 510 and a negative electrode structure 100 are laminated with a separator 540 interposed therebetween. The number of laminations may be one or more pairs, with each positive electrode structure 510 and negative electrode structure 100 being one pair as a unit, and there is no particular upper limit to the logarithm.

負極構造体100は、一対の負極活物質層(金属層)と、それらにより挟まれる負極用集電体520から構成されている。 The negative electrode structure 100 is composed of a pair of negative electrode active material layers (metal layers) and a negative electrode current collector 520 sandwiched between them.

一方、正極構造体510は、多孔炭素膜550とガス拡散層560とからなる一対の積層体が、正極用集電体525を挟むように構成される。なお、正極用集電体525側から、順に、ガス拡散層560、多孔炭素膜550が配置されている。 On the other hand, the positive electrode structure 510 is configured such that a pair of laminated bodies each including a porous carbon film 550 and a gas diffusion layer 560 sandwich a positive electrode current collector 525 . A gas diffusion layer 560 and a porous carbon film 550 are arranged in this order from the positive electrode current collector 525 side.

正極構造体510のガス拡散層560は、これを通して空気、酸素、及びその他のガスを電池外部と多孔炭素膜550の間を行き来させる。またガス拡散層は、多孔炭素膜550と正極用集電体525との間での電子の移動路としても働く。ガス拡散層は、上記のガスの移動路として働くため、通気性を有する連通孔を有することが必要であり、また電子電導性を有することが必要となる。ガス拡散層としては、例えば、東レのカーボンペーパーTGP-H、クレハのクレカ(登録商標)E704等が使用できる。 Gas diffusion layer 560 of cathode structure 510 allows air, oxygen, and other gases to move between the cell exterior and porous carbon membrane 550 through it. The gas diffusion layer also functions as an electron migration path between the porous carbon film 550 and the positive electrode current collector 525 . Since the gas diffusion layer functions as a movement path for the gas, it is necessary to have communication holes with air permeability, and it is also necessary to have electronic conductivity. As the gas diffusion layer, for example, Toray's carbon paper TGP-H, Kureha's Kureka (registered trademark) E704, or the like can be used.

正極用集電体525は、外部との電気的接続機能と共に空気又は酸素の流路の機能も有しているため、本空気電池500はより単純な構造でより大きな容量が得られるようになっている。 Since the positive electrode current collector 525 has a function of electrical connection with the outside and a function of a flow path for air or oxygen, the present air battery 500 can obtain a larger capacity with a simpler structure. ing.

負極用集電体520、及び正極用集電体525としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、及び、パラジウム(Pd)、等の金属、並びに、これらの合金、及び、これらの化合物(例えば、炭素及び/又は窒素との化合物)が使用できる。合金の場合、鉄(Fe)、クロム(Cr)を含むこともできる。 Examples of the negative electrode current collector 520 and the positive electrode current collector 525 include copper (Cu), tungsten (W), aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), gold (Au), and silver. (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd), as well as alloys thereof and compounds thereof (eg, compounds with carbon and/or nitrogen) can be used. In the case of alloys, iron (Fe) and chromium (Cr) may also be included.

次に積層型空気電池500の製造方法について説明する。
負極構造体100を、一対の負極金属と、それらにより挟まれる負極用集電体520から構成し、負極用集電体520を外部に引き出すようにセパレータ540で囲み、セパレータ内の空間に電解液を充填する。
正極構造体510を、多孔炭素膜550とガス拡散層560とからなる一対の積層体と、それらにより挟まれる正極用集電体525から構成する。なお、正極用集電体525側から、順に、ガス拡散層560、多孔炭素膜550を配置する。
負極構造体100と、正極構造体510とをセパレータ540を介して積層し、積層型空気電池500を作製する。なお、この積層型空気電池500は、収納容器(図示せず)に収容されてもよい。
Next, a method for manufacturing the laminated air battery 500 will be described.
The negative electrode structure 100 is composed of a pair of negative electrode metals and a negative electrode current collector 520 sandwiched between them. to fill.
The positive electrode structure 510 is composed of a pair of laminates composed of a porous carbon film 550 and a gas diffusion layer 560 and a positive electrode current collector 525 sandwiched between them. Note that the gas diffusion layer 560 and the porous carbon film 550 are arranged in order from the positive electrode current collector 525 side.
The negative electrode structure 100 and the positive electrode structure 510 are laminated via the separator 540 to fabricate the laminated air battery 500 . Note that the stacked air battery 500 may be housed in a housing (not shown).

なお、本明細書では、図2及び図3を参照して、第4側面に係る製造方法について詳述したが、第4側面に係る製造方法は、他の任意の構造を有する空気電池の製造に適用できる。 In this specification, the manufacturing method according to the fourth aspect has been described in detail with reference to FIGS. can be applied to

以下、本実施形態を実施例により詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present embodiment will be described in detail below with reference to Examples, but the present embodiment is not limited to these.

以下の実施例及び比較例で使用した多孔炭素粒子、並びに得られた多孔炭素膜の物性は、以下の方法により測定した。
(1)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH(Barrett-Joyner-Hallenda)法を用いて求めた。
(2)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(3)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(4)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて、窒素吸着法により得られた吸着等温線からBJH法を用いて求めた。
(5)BET法比表面積
3Flex(Micromeritics Instrument Corp.製)を用いて窒素吸着法により得られた吸着等温線からBET(Brunauer―Emmett―Teller)法に従って求めた。
(6)見かけ密度
多孔炭素膜の質量をその体積で割って求めた。
(7)空隙率(%)
次記の計算により求めた。
(1-多孔炭素膜の見かけ密度/多孔炭素膜の構成材料の真密度)×100
(8)不融化収率(%)
次記の計算より求めた。
不融化後多孔質膜質量(g)/不融化前多孔質膜質量(g)×100
(9)炭素化収率(%)
次記の計算より求めた。
炭素化後多孔炭素膜質量(g)/不融化後多孔質膜質量(g)×100
(10)炭素膜の厚み維持率(%)
次記の計算より求めた。
炭化後多孔炭素膜厚み(μm)/塗布シート厚み(μm)×100
The physical properties of the porous carbon particles and the obtained porous carbon films used in the following examples and comparative examples were measured by the following methods.
(1) Pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less Using 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.), the BJH (Barrett-Joyner-Hallenda) method is used from the adsorption isotherm obtained by the nitrogen adsorption method. I asked.
(2) Pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less It was obtained by the BJH method from the adsorption isotherm obtained by the nitrogen adsorption method using 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(3) Specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less It was determined using the BJH method from the adsorption isotherm obtained by the nitrogen adsorption method using 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(4) Specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less It was determined using the BJH method from the adsorption isotherm obtained by the nitrogen adsorption method using 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(5) BET method specific surface area It was obtained according to the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method from the adsorption isotherm obtained by the nitrogen adsorption method using 3Flex (manufactured by Micromeritics Instrument Corp.).
(6) Apparent density It was obtained by dividing the mass of the porous carbon membrane by its volume.
(7) Porosity (%)
It was obtained by the following calculation.
(1-apparent density of porous carbon membrane/true density of constituent material of porous carbon membrane) x 100
(8) Infusibilization yield (%)
It was obtained from the following calculation.
Porous membrane mass after infusibility (g)/Porous membrane mass before infusibility (g) x 100
(9) Carbonization yield (%)
It was obtained from the following calculation.
Mass of porous carbon membrane after carbonization (g)/mass of porous membrane after infusibility (g) x 100
(10) Carbon film thickness retention rate (%)
It was obtained from the following calculation.
Porous carbon film thickness after carbonization (μm)/coated sheet thickness (μm)×100

また、以下の実施例及び比較例における多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の電池特性は、以下の方法により作製したコインセルを、以下の条件で得られる放電容量により評価した。
多孔炭素膜をφ16mmに切り出した正極、負極としての金属リチウム(φ16mm、厚さ0.2mm)、及び電解液LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)の1M-テトラエチレングリコールジメチルエーテル溶液100μLを浸漬させたセパレータであるガラス繊維ペーパ(Whatman(登録商標)、GF/A)を、露点温度-50℃以下のドライルーム(乾燥空気内)で、コインセルケース(CR2032型)に実装することで、図2に示すコインセル600を作製した。
このコインセル600を、純酸素雰囲気下、電流密度0.4mA/cmで放電し、電圧が2.3Vまで下がった時点を放電終点として、得られた放電容量を、正極として用いた多孔炭素膜の質量で割ることで、正極質量当りの放電容量(以下、「多孔炭素膜の放電容量」という。)を算出した。
In addition, the battery characteristics of the air battery using the porous carbon film as the positive electrode in the following examples and comparative examples were evaluated by the discharge capacity obtained under the following conditions for the coin cells produced by the following method.
A positive electrode obtained by cutting a porous carbon film into φ16 mm, metallic lithium (φ16 mm, thickness 0.2 mm) as a negative electrode, and a separator immersed in 100 μL of a 1M-tetraethylene glycol dimethyl ether solution of electrolyte LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate). Glass fiber paper (Whatman (registered trademark), GF / A) is mounted in a coin cell case (CR2032 type) in a dry room (in dry air) with a dew point temperature of -50 ° C. or less, as shown in FIG. A coin cell 600 was produced.
This coin cell 600 was discharged in a pure oxygen atmosphere at a current density of 0.4 mA/cm 2 , and the discharge capacity obtained was taken as the discharge end point when the voltage dropped to 2.3 V. The porous carbon membrane used as the positive electrode The discharge capacity per mass of the positive electrode (hereinafter referred to as "discharge capacity of the porous carbon film") was calculated by dividing by the mass of .

[実施例1]
以下の方法で、空気電池正極用の多孔炭素膜の作製し、上述した方法で評価を行った。
[Example 1]
A porous carbon film for an air battery positive electrode was produced by the following method, and evaluated by the method described above.

(合剤スラリー作製工程)
多孔質炭素粒子としてケッチェンブラックEC600JDを75質量部、繊維平均径6μm、平均長さ3mmのカーボンファイバーを5質量部、平均径1.6nm、長さ約5μmのカーボンナノチューブを5質量部、バインダー用高分子材料としてポリアクリロニトリル(PAN)を3質量部、ALDRICH社製の粘度平均分子量600,000のポリエチレンオキサイド(PEO)を12質量部用いると共に、これらを均一に分散する溶剤としてN-メチルピロリドンを加え、シンキー社製の自公転混錬機ARE310で混合し、合剤スラリーを作製した。このとき、多孔炭素粒子に対するポリエチレンオキサイド(PEO)の質量比は、0.16となる。使用したケッチェンブラックEC600JDの性状を表1に示す。
(Mixture slurry preparation process)
75 parts by mass of Ketjenblack EC600JD as porous carbon particles, 5 parts by mass of carbon fibers with an average fiber diameter of 6 μm and an average length of 3 mm, 5 parts by mass of carbon nanotubes with an average diameter of 1.6 nm and a length of about 5 μm, and a binder 3 parts by mass of polyacrylonitrile (PAN) and 12 parts by mass of polyethylene oxide (PEO) manufactured by ALDRICH with a viscosity average molecular weight of 600,000 are used as the polymer material, and N-methylpyrrolidone is used as a solvent to uniformly disperse them. was added and mixed with a rotating and revolving kneader ARE310 manufactured by Thinky to prepare a mixture slurry. At this time, the mass ratio of polyethylene oxide (PEO) to porous carbon particles is 0.16. Table 1 shows the properties of the Ketjenblack EC600JD used.

Figure 2023079085000003
Figure 2023079085000003

(成型工程)
前記合剤スラリーを、ドクターブレードを用いた湿式製膜法にて、厚み550μmに成型してシート化した。
(Molding process)
The mixture slurry was molded into a sheet having a thickness of 550 μm by a wet film forming method using a doctor blade.

(溶媒浸漬工程)
成型したシートをトレーに入れ、そこにメタノール220gを投入し静置した。2時間後、トレー中のメタノールを排出し、新たにメタノール220gを投入し17時間静置後、トレー中のメタノールを排出することで、成型シートを多孔質膜化した。
本工程では、PANのN-メチルピロリドン溶液中に多孔炭素粒子と炭素繊維とが分散した状態にある前記成型シートを、PANの非溶媒(貧溶媒)であるメタノールに浸漬することで、PANが炭素粒子及び炭素繊維を結合した状態で相分離析出し、炭素粒子を骨格とした多孔質膜が生成される。他方、成型シート中のN-メチルピロリドンは、ほとんどがメタノールと相溶し、除去される。
(Solvent immersion step)
The molded sheet was placed in a tray, and 220 g of methanol was added and allowed to stand. After 2 hours, the methanol in the tray was discharged, 220 g of methanol was newly added, and after standing still for 17 hours, the methanol in the tray was discharged to convert the molded sheet into a porous film.
In this step, the molded sheet in which porous carbon particles and carbon fibers are dispersed in an N-methylpyrrolidone solution of PAN is immersed in methanol, which is a non-solvent (poor solvent) for PAN. The carbon particles and the carbon fibers are bound together and phase-separated to form a porous film with the carbon particles as a skeleton. On the other hand, most of the N-methylpyrrolidone in the molded sheet is compatible with methanol and removed.

(乾燥工程)
トレーから溶媒浸漬後の多孔質膜を取り出し、50℃で2時間、80℃で10時間の乾燥を行い、多孔質膜に含まれている揮発性の溶媒を取り除いた。
(Drying process)
The porous membrane after immersion in the solvent was taken out from the tray and dried at 50° C. for 2 hours and at 80° C. for 10 hours to remove the volatile solvent contained in the porous membrane.

(不融化工程)
乾燥した多孔質膜に対して、ヤマトイナートオーブンDN411を用いて、大気循環雰囲気下、320℃で3時間の不融化処理を行い、多孔炭素膜中のPANを、不融樹脂に変化させた。多孔膜中のPEOは、この不融化工程で大部分が分解散逸する。この不融化工程での多孔膜収率は86.4%であった。
(Infusibilization step)
The dried porous film was subjected to infusibilization treatment at 320° C. for 3 hours in an air circulation atmosphere using a Yamato Inert Oven DN411 to convert PAN in the porous carbon film into an infusible resin. Most of the PEO in the porous membrane is decomposed and dissipated in this infusibilization step. The porous film yield in this infusibilization step was 86.4%.

(炭素化工程)
不融化処理で得られた長さ90mm、幅80mmの不融化多孔膜を、デンケンハイデンタル社のボックス型炉を用い、窒素ガスを600mL/minで流しながら、昇温速度10℃/minで1050℃まで昇温し、1050℃で3時間保持後、室温まで放冷することで、不融化されたPANを炭素化し、全炭素からなる多孔炭素膜を得た。この炭素化工程で、不融化処理後に多孔膜中に残存するPEOがさらに分解され、散逸する。この炭素化工程での多孔膜収率は、94.7%であった。
また、成形したシートの厚みに対する多孔炭素膜の厚みの百分率である、多孔炭素膜の厚み維持率は、51%であった。
さらに、合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量は、87%であった。
(Carbonization process)
An infusible porous film having a length of 90 mm and a width of 80 mm obtained by the infusible treatment was heated to 1050°C at a temperature elevation rate of 10°C/min using a box-type furnace manufactured by Denken High Dental Co., while flowing nitrogen gas at a rate of 600 mL/min. C., held at 1050.degree. C. for 3 hours, and then allowed to cool to room temperature to carbonize the infusibilized PAN to obtain a porous carbon film composed entirely of carbon. In this carbonization step, the PEO remaining in the porous membrane after the infusibilization treatment is further decomposed and dissipated. The porous film yield in this carbonization step was 94.7%.
The thickness retention rate of the porous carbon membrane, which is the percentage of the thickness of the porous carbon membrane relative to the thickness of the molded sheet, was 51%.
Furthermore, the amount of porous carbon particles in the porous carbon film calculated from the mix slurry was 87%.

(多孔炭素膜の物性)
得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.6cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.9cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が1066cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が1056cm/gと、何れも大きな値を示した。また、得られた多孔炭素膜のBET比表面積は1102m/g、見かけ密度は0.17g/cm、空隙率は91.2%であった。
(Physical properties of porous carbon membrane)
In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.6 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.9 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 1066 cm 2 /g, and the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 1056 cm 2 /g. The obtained porous carbon film had a BET specific surface area of 1102 m 2 /g, an apparent density of 0.17 g/cm 3 and a porosity of 91.2%.

(多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量)
次に、この多孔炭素膜を正極に用いたコインセルを、上述の方法で作製し、多孔炭素膜の放電容量を算出した。その結果、放電容量は、3350mAh/gと大きな値を示した。
(Discharge capacity of air battery using porous carbon film as positive electrode)
Next, a coin cell using this porous carbon film as a positive electrode was produced by the method described above, and the discharge capacity of the porous carbon film was calculated. As a result, the discharge capacity showed a large value of 3350 mAh/g.

[比較例1]
PEOを加えず、PANの量を15質量部(実施例1のPANとPEOの合計量と同じ量)とした以外は、実施例1と同様に行った。不融化工程での多孔膜収率は92.3%となり、実施例1の86.4%より高い値であった。これは、実施例1では不融化工程でPEOの分解散逸に相当する質量減少が起こるのに対し、比較例1ではPEOを含まないため、該質量減少が起こらないためと考えられる。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率及び合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Comparative Example 1]
The procedure of Example 1 was repeated except that PEO was not added and the amount of PAN was changed to 15 parts by mass (the same amount as the total amount of PAN and PEO in Example 1). The porous membrane yield in the infusibilizing step was 92.3%, which was higher than the 86.4% of Example 1. It is considered that this is because in Example 1, a mass reduction corresponding to the decomposition and dissipation of PEO occurs in the infusibilization step, whereas in Comparative Example 1, since PEO is not included, the mass reduction does not occur. Table 2 shows the yield of the porous carbon membrane, the thickness retention rate of the porous carbon membrane, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon membrane calculated from the mixture slurry composition in the carbonization step.

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.4cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.8cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が984cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が975cm/gであり、いずれも実施例1より小さな値となった。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量も、2671mAh/gと、実施例1より小さな値となった。この多孔炭素膜のBET比表面積、見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.4 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.8 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 984 cm 2 /g, and the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 975 cm 2 /g. Also, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode was 2671 mAh/g, which was smaller than that of Example 1. The BET specific surface area, apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

[実施例2]
合剤スラリー作製時のPANの使用量を7質量部、PEOの使用量を8質量部としたこと、及び合剤スラリーから成型するシートの厚みを200μmとしたこと以外は、実施例1と同様に行った。このとき、多孔炭素粒子に対するPEOの質量比は、0.107となる。不融化工程での多孔膜収率は90.3%であった。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率、及び合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Example 2]
Same as Example 1, except that the amount of PAN used when preparing the mixture slurry was 7 parts by mass, the amount of PEO used was 8 parts by mass, and the thickness of the sheet formed from the mixture slurry was 200 μm. went to At this time, the mass ratio of PEO to porous carbon particles is 0.107. The porous membrane yield in the infusibilizing step was 90.3%. In addition, the yield of the porous carbon film in the carbonization step, the thickness retention rate of the porous carbon film, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon film calculated from the mixture slurry mixture were as shown in Table 2. .

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.9cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が3.0cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が1049cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が1038cm/gと、何れも大きな値を示した。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量は、3512mAh/gと大きな値を示した。この多孔炭素膜のBET比表面積、見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.9 cm 3 /g, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 3.0 cm 3 /g, The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 1049 cm 2 /g, and the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 1038 cm 2 /g. In addition, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode showed a large value of 3512 mAh/g. The BET specific surface area, apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

[比較例2]
PEOを加えず、PANの量を15質量部(実施例1のPANとPEOの合計量と同じ量)とした以外は、実施例2と同様に行った。不融化工程での多孔膜収率は95.1%となり、実施例1の90.3%より高い値であった。これは、実施例2では不融化工程でPEOの分解散逸に相当する質量減少が起こるのに対し、比較例2ではPEOを含まないため、該質量減少が起こらないためと考えられる。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率及び、合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Comparative Example 2]
Example 2 was repeated except that PEO was not added and the amount of PAN was changed to 15 parts by mass (the same amount as the total amount of PAN and PEO in Example 1). The porous film yield in the infusibilizing step was 95.1%, which was higher than the 90.3% of Example 1. This is presumably because in Example 2, a mass decrease corresponding to the decomposition and dissipation of PEO occurs in the infusibilizing step, whereas in Comparative Example 2, since PEO is not included, the mass decrease does not occur. In addition, the porous membrane yield in the carbonization step, the thickness retention rate of the porous carbon membrane, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon membrane calculated from the blending of the mixture slurry were as shown in Table 2, respectively. .

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.8cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.6cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が1010cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が995cm/g、BET比表面積が1054m/gであり、いずれも実施例2より小さな値となった。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量も、2630mAh/gと、実施例2より小さな値となった。この多孔炭素膜の見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.8 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.6 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 1010 cm 2 /g, the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 995 cm 2 /g, and the BET specific surface area is 1054 m 2 /g. A smaller value than Example 2 was obtained. Also, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode was 2630 mAh/g, which was smaller than that of Example 2. The apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

[実施例3]
合剤スラリー作製時のPANの使用量を10質量部、PEOの使用量を5質量部としたこと以外は、実施例2と同様に行った。このとき、多孔炭素粒子に対するPEOの質量比は、0.067となる。不融化工程での多孔膜収率は92.4%であった。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率、及び合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Example 3]
The procedure was carried out in the same manner as in Example 2, except that 10 parts by mass of PAN and 5 parts by mass of PEO were used when preparing the mixture slurry. At this time, the mass ratio of PEO to porous carbon particles is 0.067. The porous membrane yield in the infusibilizing step was 92.4%. In addition, the yield of the porous carbon film in the carbonization step, the thickness retention rate of the porous carbon film, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon film calculated from the mixture slurry mixture were as shown in Table 2. .

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.8cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.9cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が1016cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が1004cm/gと、何れも大きな値を示した。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量は、3563mAh/gと大きな値を示した。この多孔炭素膜のBET比表面積、見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.8 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.9 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 1016 cm 2 /g, and the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 1004 cm 2 /g. Also, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode showed a large value of 3563 mAh/g. The BET specific surface area, apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

[実施例4]
合剤スラリー作製時の多孔炭素粒子の使用量を85質量部、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブの使用量をそれぞれ4質量部、PANの使用量を3質量部、PEOの使用量を4質量部としたこと、並びに合剤スラリーから成型するシートの厚みを300μmとしたこと以外は、実施例1と同様に行った。このとき、多孔炭素粒子に対するPEOの質量比は、0.047となる。不融化工程での多孔膜収率は93.4%であった。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率、及び合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Example 4]
85 parts by mass of porous carbon particles, 4 parts by mass of carbon nanofibers and 4 parts by mass of carbon nanotubes, 3 parts by mass of PAN, and 4 parts by mass of PEO when preparing the mixture slurry. The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the thickness of the sheet formed from the mixture slurry was 300 μm. At this time, the mass ratio of PEO to porous carbon particles is 0.047. The porous membrane yield in the infusibilizing step was 93.4%. In addition, the yield of the porous carbon film in the carbonization step, the thickness retention rate of the porous carbon film, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon film calculated from the mixture slurry mixture were as shown in Table 2. .

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.8cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.9cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が1096cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が1084cm/gと、何れも大きな値を示した。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量は、3912mAh/gと大きな値を示した。この多孔炭素膜のBET比表面積、見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.8 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.9 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 1096 cm 2 /g, and the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 1084 cm 2 /g. In addition, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode showed a large value of 3912 mAh/g. The BET specific surface area, apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

[比較例3]
PEOを加えず、PANの量を7質量部(実施例4のPANとPEOの合計量と同じ量)とした以外は、実施例4と同様に行った。不融化工程での多孔膜収率は97.2%となり、実施例4の93.4%より高い値であった。これは、実施例4では不融化工程でPEOの分解散逸に相当する質量減少が起こるのに対し、比較例3ではPEOを含まないため、該質量減少が起こらないためと考えられる。また、炭素化工程での多孔膜収率、多孔炭素膜の厚み維持率、及び合剤スラリーの配合から計算される多孔炭素膜中の多孔炭素粒子量はそれぞれ、表2に示すとおりであった。
[Comparative Example 3]
The procedure of Example 4 was repeated except that PEO was not added and the amount of PAN was changed to 7 parts by mass (the same amount as the total amount of PAN and PEO in Example 4). The porous film yield in the infusibilizing step was 97.2%, which was higher than the 93.4% of Example 4. This is probably because in Example 4, a mass decrease corresponding to the decomposition and dissipation of PEO occurs in the infusibilizing step, whereas in Comparative Example 3, since PEO is not included, the mass decrease does not occur. In addition, the yield of the porous carbon film in the carbonization step, the thickness retention rate of the porous carbon film, and the amount of porous carbon particles in the porous carbon film calculated from the mixture slurry mixture were as shown in Table 2. .

得られた多孔炭素膜は、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が3.6cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が2.7cm/g、直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める比表面積が994cm/g、直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が983cm/g、BET比表面積が1029m/gであり、いずれも実施例4より小さな値となった。また、この多孔炭素膜を正極に用いた空気電池の放電容量も、3372mAh/gと、実施例4より小さな値となった。この多孔炭素膜の見かけ密度及び空隙率はそれぞれ、表3に示すとおりであった。 In the obtained porous carbon membrane, the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less was 3.6 cm 3 /g, and the pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less was 2.7 cm 3 /g. The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 994 cm 2 /g, the specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 983 cm 2 /g, and the BET specific surface area is 1029 m 2 /g. A smaller value than Example 4 was obtained. Also, the discharge capacity of the air battery using this porous carbon film as the positive electrode was 3372 mAh/g, which was smaller than that of Example 4. The apparent density and porosity of this porous carbon film were as shown in Table 3, respectively.

以上に説明した実施例・比較例について、多孔炭素膜の製造条件を表2に、得られた多孔炭素膜の物性及び電池の放電容量を表3に、それぞれまとめて示す。 Regarding the examples and comparative examples described above, Table 2 summarizes the manufacturing conditions of the porous carbon membranes, and Table 3 summarizes the physical properties of the obtained porous carbon membranes and the discharge capacities of the batteries.

Figure 2023079085000004
Figure 2023079085000004

Figure 2023079085000005
Figure 2023079085000005

以上の結果から、合剤スラリーの成分として、ポリエチレンオキサイド(PEO)等の熱分解性有機化合物を配合して製造された多孔炭素膜は、これを配合せずに製造されたものよりも、細孔容積、細孔比表面積及びBET比表面積が大きくなり、空気電池の正極に用いた場合の電池の放電容量も大きくなるといえる。これは、合剤スラリー及びこれを成型したシート中の熱分解性有機化合物が、不融化工程、炭素化工程で加熱により分解散逸することで、多孔炭素膜中に空隙が形成されること、並びに熱分解性有機化合物が分解して発生するガスが膜外に散逸される際に、多孔炭素粒子を覆っているバインダー用高分子材料の結合を一部剥がしたり、バインダー用高分子材料中に気道を形成したりすることで、多孔炭素膜の細孔が増加したことによるものと推察される。 From the above results, the porous carbon membrane produced by blending a thermally decomposable organic compound such as polyethylene oxide (PEO) as a component of the mixture slurry was finer than that produced without blending it. The pore volume, pore specific surface area and BET specific surface area are increased, and it can be said that the discharge capacity of the battery when used for the positive electrode of the air battery is also increased. This is because the thermally decomposable organic compound in the mixture slurry and the sheet formed from the same is decomposed and dissipated by heating in the infusibilization step and the carbonization step, and voids are formed in the porous carbon film. When the gas generated by the decomposition of the thermally decomposable organic compound is dissipated outside the membrane, some of the bonds in the binder polymeric material covering the porous carbon particles are peeled off, and airways are formed in the binder polymeric material. It is speculated that this is due to the increase in pores of the porous carbon membrane due to the formation of

本発明によれば、同じ構造及び大きさを有する空気電池で比較したときに、従来は達成することができなかった高い放電容量を達成することができる。このため、従来は得られなかった高容量の空気電池が提供できる点、及び同じ放電容量を有する電池をより小型化できる点で、本発明は有用なものである。 According to the present invention, it is possible to achieve a high discharge capacity that could not be achieved conventionally when compared with air batteries having the same structure and size. Therefore, the present invention is useful in that it can provide a high-capacity air battery that could not be obtained conventionally, and in that it can make a battery with the same discharge capacity smaller.

600 コインセル
610 負極構造体
620 正極構造体
630 コインセル型拘束具
635 集電体
640 金属層
650 スペーサ
660 セパレータ
670 空間(電解質充填用空間)
680 金属メッシュ
690 多孔炭素膜
100 負極構造体
500 積層型空気電池
510 正極構造体
520 負極用集電体
525 正極用集電体
540 セパレータ
550 多孔炭素膜
560 ガス拡散層
600 coin cell 610 negative electrode structure 620 positive electrode structure 630 coin cell type restraint 635 current collector 640 metal layer 650 spacer 660 separator 670 space (electrolyte filling space)
680 Metal mesh 690 Porous carbon film 100 Negative electrode structure 500 Laminated air battery 510 Positive electrode structure 520 Negative electrode current collector 525 Positive electrode current collector 540 Separator 550 Porous carbon film 560 Gas diffusion layer

Claims (10)

多孔炭素粒子、
不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%未満であるバインダー用高分子材料、
不活性雰囲気中で800℃に加熱した際の質量減少率が90%以上である熱分解性有機化合物、並びに
任意成分であるカーボンファイバー及びカーボンナノチューブから選択される少なくともいずれか
を含有する、多孔炭素膜製造用組成物。
porous carbon particles,
A polymeric material for a binder having a mass reduction rate of less than 90% when heated to 800°C in an inert atmosphere;
Porous carbon containing at least one selected from a thermally decomposable organic compound having a mass reduction rate of 90% or more when heated to 800° C. in an inert atmosphere, and carbon fibers and carbon nanotubes as optional components. A composition for producing membranes.
前記熱分解性有機化合物が、ポリエチレンオキサイド(PEO)である、請求項1に記載の多孔炭素膜製造用組成物。 2. The composition for producing a porous carbon film according to claim 1, wherein said thermally decomposable organic compound is polyethylene oxide (PEO). 前記熱分解性有機化合物の含有量が、前記多孔炭素粒子、前記バインダー用高分子材料、前記カーボンナノファイバー及び前記カーボンナノチューブの合計を100質量部とした場合に、0.5質量部以上90質量部以下である、請求項1又は2に記載の多孔炭素膜製造用組成物。 The content of the thermally decomposable organic compound is 0.5 parts by mass or more and 90 parts by mass when the total of the porous carbon particles, the binder polymer material, the carbon nanofibers, and the carbon nanotubes is 100 parts by mass. 3. The composition for producing a porous carbon membrane according to claim 1 or 2, wherein the composition is at most parts. 請求項1から3のいずれか1項に記載の炭素多孔膜製造用組成物で形成された、多孔炭素膜製造用シート。 A porous carbon membrane-producing sheet formed from the porous carbon membrane-producing composition according to any one of claims 1 to 3. 空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法であって、
請求項1から3のいずれか1項に記載の多孔炭素膜製造用組成物を含有する合剤スラリーを調製すること、
前記合剤スラリーを成型すること、
前記成型することによって得られた成型体を、前記バインダー用高分子材料の溶解度が低い溶媒に浸漬すること、
前記浸漬して得られた試料を乾燥すること、及び
前記乾燥して得られた試料を、不活性ガス雰囲気中で炭素化すること
を含む、空気電池正極用の多孔炭素膜の製造方法。
A method for producing a porous carbon film for an air battery positive electrode, comprising:
preparing a mixture slurry containing the composition for producing a porous carbon membrane according to any one of claims 1 to 3;
molding the mixture slurry;
immersing the molded body obtained by molding in a solvent in which the polymer material for a binder has a low solubility;
A method for producing a porous carbon film for an air battery positive electrode, comprising drying the sample obtained by immersion, and carbonizing the sample obtained by drying in an inert gas atmosphere.
前記炭素化の前に、前記乾燥して得られた試料を、空気中で不融化することを含む、請求項5に記載の多孔炭素膜の製造方法。 6. The method for producing a porous carbon membrane according to claim 5, comprising making the sample obtained by drying infusible in the air before the carbonization. 前記多孔炭素膜が、以下の(a)から(c)のすべての条件を満たす、請求項5又は6に記載の多孔炭素膜の製造方法。
(a)直径1nm以上1000nm以下の細孔の占める細孔容積が、3.6cm/g以上7.0cm/g以下
(b)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める細孔容積が、2.8cm/g以上7.0cm/g以下
(c)直径1nm以上200nm以下の細孔の占める比表面積が、1000m/g以上2000m/g以下
7. The method for producing a porous carbon membrane according to claim 5, wherein said porous carbon membrane satisfies all of the following conditions (a) to (c).
(a) The pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less is 3.6 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less (b) The pore volume occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 2.8 cm 3 /g or more and 7.0 cm 3 /g or less (c) The specific surface area occupied by pores with a diameter of 1 nm or more and 200 nm or less is 1000 m 2 /g or more and 2000 m 2 /g or less
前記多孔炭素膜が、さらに以下の(e)の条件を満たす、請求項7に記載の多孔炭素膜の製造方法。
(e)見かけ密度が、0.10g/cm以上0.20g/cm以下
The method for producing a porous carbon membrane according to claim 7, wherein the porous carbon membrane further satisfies the following condition (e).
(e) Apparent density of 0.10 g/cm 3 or more and 0.20 g/cm 3 or less
前記多孔炭素素膜が、さらに以下の(f)の条件を満たす、請求項7又は8に記載の多孔炭素膜の製造方法。
(f)空隙率が、90%以上99%以下
9. The method for producing a porous carbon membrane according to claim 7, wherein said porous carbon base membrane further satisfies the following condition (f).
(f) Porosity is 90% or more and 99% or less
空気電池の製造方法であって、
請求項5から9のいずれか1項に記載の多孔炭素膜の製造方法により多孔炭素膜を製造すること、
前記多孔炭素膜から正極を形成すると共に、負極及びセパレータを準備すること、
前記正極及び負極を、セパレータを介して積層すること、並びに
前記セパレータに電解液を充填すること
を含む、空気電池の製造方法。
A method for manufacturing an air battery,
producing a porous carbon membrane by the method for producing a porous carbon membrane according to any one of claims 5 to 9;
forming a positive electrode from the porous carbon film and preparing a negative electrode and a separator;
A method for manufacturing an air battery, comprising: laminating the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween; and filling the separator with an electrolytic solution.
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