JP4296114B2 - Air battery - Google Patents

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Description

本発明は、酸素を正極活物質として用いる空気電池に係り、特に電解質に非水電解質を用いる空気電池に好適なものである。   The present invention relates to an air battery using oxygen as a positive electrode active material, and is particularly suitable for an air battery using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte.

近年、携帯電話や電子メール端末などの携帯型情報機器の市場は急速に拡大しつつあり、これらの機器の小型軽量化が進むにつれて、電源にも小型かつ軽量であることが求められるようになった。現在これらの携帯機器には主として高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が使用されているが、さらに高容量化が求められている。   In recent years, the market for portable information devices such as mobile phones and e-mail terminals is rapidly expanding, and as these devices become smaller and lighter, power supplies are also required to be smaller and lighter. It was. Currently, lithium ion secondary batteries having a high energy density are mainly used in these portable devices, but higher capacity is demanded.

空気中の酸素を正極活物質に用いる空気電池は、活物質を電池に内蔵する必要がないため、高容量化が期待できる。負極活物質に金属リチウム、正極活物質に酸素を用いるリチウム二次電池として、非特許文献1には、以下に説明するような構成を有する空気リチウム二次電池が開示されている。   An air battery that uses oxygen in the air as the positive electrode active material does not need to contain the active material in the battery, and thus can be expected to have a higher capacity. As a lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode active material and oxygen as a positive electrode active material, Non-Patent Document 1 discloses an air lithium secondary battery having a configuration as described below.

ここに開示される空気リチウム二次電池は、触媒層と、正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に介装されたポリマー電解質膜と、前記正極上に積層された酸素透過膜とを備えるものである。触媒層は、コバルトを含有するアセチレンブラックから形成されている。正極は、ポリアクリルニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びLiPF6からなるポリマー電解質フィルムをニッケル網もしくはアルミニウム網に圧着させたものである。一方、負極は、リチウム箔から形成されている。このような4層積層物は、ラミネート製袋に封入されている。 The air lithium secondary battery disclosed herein includes a catalyst layer, a positive electrode, a negative electrode, a polymer electrolyte membrane interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an oxygen permeable membrane laminated on the positive electrode. Is provided. The catalyst layer is formed from acetylene black containing cobalt. The positive electrode is obtained by pressure-bonding a polymer electrolyte film made of polyacrylonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, and LiPF 6 to a nickel net or an aluminum net. On the other hand, the negative electrode is formed from lithium foil. Such a four-layer laminate is enclosed in a laminate bag.

この空気リチウム二次電池においては、正極と負極とを粘度の高いポリマー電解質膜により密着させているため、正極の炭素1g当りの容量が1600mAh/gと高く、リチウムイオン二次電池の一般的な正極活物質であるコバルト酸リチウムが160mAh/gの容量を示すのと比較してもある程度大きな容量を得ている。   In this air lithium secondary battery, since the positive electrode and the negative electrode are closely adhered to each other by a polymer electrolyte membrane having a high viscosity, the capacity per 1 g of carbon of the positive electrode is as high as 1600 mAh / g, which is a typical lithium ion secondary battery. Even when lithium cobaltate, which is a positive electrode active material, has a capacity of 160 mAh / g, a certain large capacity is obtained.

空気リチウム電池の正極活物質は空気中の酸素であり、コバルトを含有するアセチレンブラックは酸素をイオン化する触媒であるため、理論的には正極炭素の重量当りの放電容量は非常に大きいことが期待されるものの、実際にはコバルト酸リチウムの10倍程度と制限されている。実用電池では重量容量密度より体積容量密度が重視されるため、比重の軽い炭素材を正極触媒とする空気リチウム電池とコバルト酸リチウムを正極とする二次電池との体積容量密度の差は更に小さい。   The positive electrode active material of air lithium batteries is oxygen in the air, and acetylene black containing cobalt is a catalyst that ionizes oxygen, so it is theoretically expected that the discharge capacity per weight of positive electrode carbon is very large. However, it is actually limited to about 10 times that of lithium cobalt oxide. In practical batteries, volume capacity density is more important than weight capacity density, so the difference in volume capacity density between an air lithium battery using a carbon material with a light specific gravity as a positive electrode catalyst and a secondary battery using lithium cobaltate as a positive electrode is even smaller. .

そのうえ、電解質に有機電解液を用いた空気リチウム電池では、正極と負極の間のセパレータ層に密着性がないため、層間の密着性にむらが生じやすいという欠点がある。この欠点を解消して正極と負極の密着性を確保するため、非特許文献2には、ポリプロピレンブロック基板の上に正極、セパレータ及び負極からなる3層積層物を絶縁したニッケルワイヤーで縛りつけた電池が開示されている。なお、密着性が低下した場合、出力特性は大きく低下し、長時間の使用に耐えられなくなる。
J.Electrochem.Soc.、Vol.143、No.1、1-5(1996)、1996年1月発行 J.Electrochem.Soc.、Vol.149、No.9、A1190-A1195(2002)、2002年9月発行
In addition, the air lithium battery using an organic electrolyte as an electrolyte has a drawback in that unevenness in the adhesion between the layers tends to occur because the separator layer between the positive electrode and the negative electrode has no adhesion. In order to eliminate this defect and secure the adhesion between the positive electrode and the negative electrode, Non-Patent Document 2 describes a battery in which a three-layer laminate composed of a positive electrode, a separator and a negative electrode is bound on a polypropylene block substrate with an insulated nickel wire. Is disclosed. In addition, when adhesiveness falls, an output characteristic will fall large and it cannot endure use for a long time.
J. Electrochem. Soc., Vol.143, No.1, 1-5 (1996), published in January 1996 J. Electrochem. Soc., Vol. 149, No. 9, A1190-A1195 (2002), issued in September 2002

本発明は、大気中で長期間の使用が可能な空気電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the air battery which can be used for a long time in air | atmosphere.

本発明に係る空気電池は、内面が熱可塑性樹脂層からなるラミネートフィルムからなり、かつ空気取り入れ孔を有する電池容器と、
前記電池容器内に収納され、酸素を活物質とする正極、リチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を含む負極および前記正極と前記負極の間に配置されたセパレータを含む電極群と、
前記電極群に保持される非水電解質と、
前記電池容器の前記空気取り入れ孔が形成されている面と前記電極群の正極との間に配置され、酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Pa以下の熱可塑性樹脂製で無孔性のバリア膜と、前記バリア膜の前記正極と対向している面に積層され、多孔性フィルム、不織布および織布よりなる群から選択される少なくとも1種類からなる熱可塑性樹脂製の第1の空隙保持部材と、前記電池容器の前記空気取り入れ孔が形成されている面と前記バリア膜との間に配置され、多孔性フィルム、不織布および織布よりなる群から選択される少なくとも1種類からなる熱可塑性樹脂製の第2の空隙保持部材とからなる積層膜とを具備し、
前記電池容器の前記内面に前記積層膜が熱融着されることにより、前記電池容器の前記空気取り入れ孔前記積層膜で封止されており、
連続放電時における電池容器内の圧力は大気圧より0.1〜80kPa低いことを特徴とするものである。
Air battery Ru engaged to the present invention comprises a laminated film whose inner surface made of a thermoplastic resin layer, and a battery container having an air intake hole,
An electrode group including a positive electrode containing oxygen as an active material, a negative electrode including a negative electrode active material that absorbs and releases lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte held in the electrode group;
Thermoplastic having an oxygen transmission coefficient of 1 × 10 −14 mol · m / m 2 · sec · Pa or less, disposed between the surface of the battery container where the air intake hole is formed and the positive electrode of the electrode group . a non-porous barrier film made of resin is laminated on the positive electrode opposed to that surface of the barrier film, porous film, the thermoplastic resin comprising at least one selected from the group consisting of nonwoven and woven fabrics The first air gap holding member made of metal, the surface of the battery container where the air intake hole is formed, and the barrier film, and selected from the group consisting of a porous film, a nonwoven fabric and a woven fabric A laminated film comprising a second gap holding member made of at least one kind of thermoplastic resin ,
Said by the fact that the laminated film is heat-sealed to the inner surface of the battery container, the air intake hole of the battery container is sealed by the laminated film,
The pressure in the battery container during continuous discharge is 0.1 to 80 kPa lower than the atmospheric pressure .

本発明によれば、電極群の密着に優れ、電池容量が大きく、大気下で長期間の使用特性に優れた空気電池を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the air battery which was excellent in the close_contact | adherence of an electrode group, the battery capacity was large, and was excellent in the long-term use characteristic in air | atmosphere.

リチウムなどのアルカリ金属、アルカリ土類金属あるいはこれら金属元素を含有する合金を負極活物質とする非水電解質系空気電池においては、負極表面から順次電池反応により活物質が消費されていくため、セパレータを介して正極と負極との十分な密着性を確保することは困難で、正極とセパレータと負極を含む電極群の外部から機械的に圧力をかけることが望ましい。   In a non-aqueous electrolyte air battery using an alkali metal such as lithium, an alkaline earth metal, or an alloy containing these metal elements as a negative electrode active material, the active material is consumed sequentially by the battery reaction from the negative electrode surface. It is difficult to ensure sufficient adhesion between the positive electrode and the negative electrode through the electrode, and it is desirable to apply mechanical pressure from the outside of the electrode group including the positive electrode, the separator, and the negative electrode.

前述した非特許文献1に開示されるように、空気電池は一般的に正極単位面積当りの電流密度が低い。このため、空気電池の実用化のためには正極面積を大きくすることが望ましい。   As disclosed in Non-Patent Document 1 described above, an air battery generally has a low current density per unit area of the positive electrode. For this reason, it is desirable to increase the positive electrode area in order to put the air battery into practical use.

本発明者らは、電極群に空隙保持部材を積層し、電池容器の空気孔形成面と空隙保持部材との間に無孔性で酸素透過性の高分子膜をバリア膜として設けることにより、電池容器の空気孔を被覆する空気遮蔽用のシールテープを引き剥がして連続放電を行なった際に電池容器内の気圧が大気圧よりも低くなって電極群の密着性が向上されることを見出したのである。   The present inventors laminated a gap holding member on the electrode group, and provided a nonporous oxygen-permeable polymer film as a barrier film between the air hole forming surface of the battery container and the gap holding member, It has been found that when the air shielding seal tape covering the air holes of the battery container is peeled off and the continuous discharge is performed, the pressure inside the battery container becomes lower than the atmospheric pressure and the adhesion of the electrode group is improved. It was.

正極と負極を含む電極群の密着性を保つためには、外部応力として0.1〜80kPa加えることが好適である。これは以下に説明する理由によるものである。外部応力を0.1kPa未満にすると、正極とセパレータと負極との密着性が不十分になる恐れがある。一方、80kPaを超える応力を加えると、正極と負極の間に位置するセパレータが部分的に薄くなって内部短絡を生じる可能性がある。   In order to maintain the adhesion of the electrode group including the positive electrode and the negative electrode, it is preferable to add 0.1 to 80 kPa as external stress. This is due to the reason explained below. If the external stress is less than 0.1 kPa, the adhesion between the positive electrode, the separator and the negative electrode may be insufficient. On the other hand, when a stress exceeding 80 kPa is applied, the separator located between the positive electrode and the negative electrode may be partially thinned to cause an internal short circuit.

酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Pa以下の無孔性高分子膜をバリア膜として用いることにより、電池容器内の気圧の低下を放電開始と共に徐々に進行させることができ、電池容器内の気圧を連続放電時に大気圧より0.1〜80kPa低くすることができ、正極とセパレータと負極との十分な密着性を確保することが可能である。但し、バリア膜の厚さが1〜100μmである際の酸素透過係数を5×10-17mol・m/m2・sec・Pa未満にすると、正極への酸素供給量が不十分になる恐れがあることから、バリア膜の酸素透過係数は厚さを1〜100μmとした際に1×10-16mol・m/m2・sec・Pa以上とすることが望ましい。 By using a non-porous polymer film with an oxygen permeability coefficient of 1 × 10 -14 mol · m / m 2 · sec · Pa or less as a barrier film, the pressure drop in the battery container gradually proceeds with the start of discharge. The pressure inside the battery container can be 0.1 to 80 kPa lower than the atmospheric pressure during continuous discharge, and sufficient adhesion between the positive electrode, the separator, and the negative electrode can be ensured. However, if the oxygen permeability coefficient when the thickness of the barrier film is 1 to 100 μm is less than 5 × 10 −17 mol · m / m 2 · sec · Pa, the oxygen supply amount to the positive electrode may be insufficient. Therefore, the oxygen permeability coefficient of the barrier film is desirably 1 × 10 −16 mol · m / m 2 · sec · Pa or more when the thickness is 1 to 100 μm.

また、バリア膜より内側の空隙率を5〜40%とすることが電池容器内の気圧を維持するのに好適である。これは以下に説明する理由によるものである。空隙率を5%未満にすると、電池容器内の気圧が変動し易い。また、空隙率が40%を超えると、電池容器内の気圧が大気圧より0.1〜80kPa低い範囲に低下するのに時間がかかるため、電池性能が低下する可能性がある。   Moreover, it is suitable for maintaining the atmospheric pressure in the battery container that the porosity inside the barrier film is 5 to 40%. This is due to the reason explained below. When the porosity is less than 5%, the air pressure in the battery container tends to fluctuate. On the other hand, if the porosity exceeds 40%, it takes time for the air pressure in the battery container to fall to a range lower than the atmospheric pressure by 0.1 to 80 kPa, so that the battery performance may be lowered.

多孔性フィルム、不織布及び織布よりなる群から選択される少なくとも1種類を空隙保持部材としてバリア膜の電極群側の面に配置することによって、電極群の空隙が大気圧により縮壊しないように維持することができる。また、空隙保持部材の替りに微粒子状のスペーサを用いても良い。   By disposing at least one type selected from the group consisting of a porous film, a nonwoven fabric and a woven fabric as a gap holding member on the surface on the electrode group side of the barrier film, the gap of the electrode group is prevented from being collapsed by atmospheric pressure. Can be maintained. Further, a fine particle spacer may be used instead of the gap holding member.

多孔性フィルム、不織布及び織布よりなる群から選択される少なくとも1種類からなる第2の空隙保持部材を、電池容器の空気孔形成面とバリア膜との間にも配置することにより、バリア膜の全面を酸素拡散膜として有効に利用することができる。   By disposing a second gap holding member made of at least one selected from the group consisting of a porous film, a nonwoven fabric and a woven fabric also between the air hole forming surface of the battery container and the barrier film, Can be used effectively as an oxygen diffusion film.

また、空気電池の電池容器をアルミニウム含有ラミネートのような包材で形成し、包材の内面に前記バリア膜端部を接着剤による接着、圧着或いは融着することにより、バリア膜付の空気電池を容易に作製することができる。さらに、包材のヤング率と厚さが(1)式を満足することにより、正極と負極を含む電極群の密着性を維持することができる。   Also, an air battery with a barrier film is formed by forming a battery container of an air battery with a packaging material such as an aluminum-containing laminate, and bonding, pressing or fusing the end of the barrier film to the inner surface of the packaging material with an adhesive. Can be easily manufactured. Furthermore, the adhesiveness of the electrode group containing a positive electrode and a negative electrode is maintainable when the Young's modulus and thickness of a packaging material satisfy | fill a (1) type | formula.

(Y×T)<102 (1)
但し、Yは包材のヤング率(MPa)で、Tは包材の厚さ(m)である。
(Y × T) <10 2 (1)
However, Y is the Young's modulus (MPa) of the packaging material, and T is the thickness (m) of the packaging material.

(Y×T)で算出される値が102より大きいと、電池容器内が負圧になった際の包材の変形が不十分となるため、電極群の密着性が低下する恐れがある。 If the value calculated by (Y × T) is larger than 10 2 , the packaging material is not sufficiently deformed when the inside of the battery container becomes negative pressure, so that the adhesion of the electrode group may be reduced. .

また、本発明の非水電解質系の空気電池は、負極に金属イオンを吸蔵・放出する能力を有するものを使用することによって、二次電池として使用され得る。   Moreover, the nonaqueous electrolyte type air battery of the present invention can be used as a secondary battery by using a negative electrode having the ability to occlude and release metal ions.

以下、本発明の空気電池の一例を図面を参照して説明する。   Hereinafter, an example of the air battery of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1及び図2に示すように、ラミネートフィルムからなる電池容器1内には、電極群2が収納されている。ラミネートフィルムは、熱可塑性樹脂層を含むものであり、さらにアルミニウム層を含有することが望ましい。電池容器1は、ラミネートフィルムをその熱可塑性樹脂層を用いてヒートシールで袋状に張り合わせることにより形成されたものである。電極群2は、例えば多孔質な導電性基板からなる正極集電体3にガス拡散正極層4が担持された構造を有する正極と、例えば多孔質な導電性基板からなる負極集電体5に負極活物質層6が担持された構造を有する負極と、正極及び負極の間に配置されるセパレータ7とから構成される。なお、電解質は、正極とセパレータと負極に保持されている。   As shown in FIG.1 and FIG.2, the electrode group 2 is accommodated in the battery container 1 which consists of laminate films. The laminate film includes a thermoplastic resin layer, and preferably further includes an aluminum layer. The battery container 1 is formed by laminating a laminate film in a bag shape by heat sealing using the thermoplastic resin layer. The electrode group 2 includes a positive electrode having a structure in which a gas diffusion positive electrode layer 4 is supported on a positive electrode current collector 3 made of, for example, a porous conductive substrate, and a negative electrode current collector 5 made of, for example, a porous conductive substrate. It is comprised from the negative electrode which has the structure where the negative electrode active material layer 6 was carry | supported, and the separator 7 arrange | positioned between a positive electrode and a negative electrode. The electrolyte is held by the positive electrode, the separator, and the negative electrode.

電池容器1の正極と対向する面には空気取り入れ孔8(以下、空気孔と称す)が複数開口されている。図3に示すように、例えば疎水性の熱可塑性樹脂からなる酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Pa以下のバリア膜9は、例えば疎水性の熱可塑性樹脂製の微多孔膜からなる空隙保持部材10を二つに折ったものの間に挟まれている。図4に示すように、得られたバリア膜群11の空隙保持部材10の端部が電池容器1の内面の熱可塑性樹脂層にヒートシールされることにより、空気孔8がバリア膜群11で塞がれると共に、空隙保持部材10とバリア膜9が一体化される。図4のバリア膜9の四辺と空隙保持部材10の四辺とで囲まれた領域がヒートシール部12である。ヒートシールを行なう場合、空隙保持部材10の熱可塑性樹脂とバリア膜9の熱可塑性樹脂は同種類であるか、異種の熱可塑性樹脂であっても互いに相溶することが好ましい。また、空隙保持部材10の熱可塑性樹脂とバリア膜9の熱可塑性樹脂が互いに相溶しない場合には、任意の接着剤を用いて接合を行うと良い。 A plurality of air intake holes 8 (hereinafter referred to as air holes) are opened on the surface of the battery case 1 facing the positive electrode. As shown in FIG. 3, the barrier film 9 made of, for example, a hydrophobic thermoplastic resin having an oxygen permeability coefficient of 1 × 10 −14 mol · m / m 2 · sec · Pa or less is made of, for example, a hydrophobic thermoplastic resin. The gap holding member 10 made of a microporous film is sandwiched between two folded pieces. As shown in FIG. 4, the end of the gap holding member 10 of the obtained barrier film group 11 is heat sealed to the thermoplastic resin layer on the inner surface of the battery container 1, so that the air holes 8 are formed in the barrier film group 11. While being closed, the gap holding member 10 and the barrier film 9 are integrated. A region surrounded by the four sides of the barrier film 9 and the four sides of the gap holding member 10 in FIG. When performing heat sealing, it is preferable that the thermoplastic resin of the gap holding member 10 and the thermoplastic resin of the barrier film 9 are the same type or compatible with each other even if they are different types of thermoplastic resins. Moreover, when the thermoplastic resin of the space | gap holding member 10 and the thermoplastic resin of the barrier film 9 are mutually incompatible, it is good to join using arbitrary adhesive agents.

正極集電体3とバリア膜9の間の空隙保持部材10aは、第1の空隙保持部材であり、電極群の密着性の改善に寄与することができる。一方、電池容器1の空気孔形成面とバリア膜9の間の空隙保持部材10bは、第2の空隙保持部材であり、バリア膜9の保護層及び電池内部でのガス拡散層として機能することができる。   The gap holding member 10a between the positive electrode current collector 3 and the barrier film 9 is a first gap holding member, and can contribute to improving the adhesion of the electrode group. On the other hand, the gap holding member 10b between the air hole forming surface of the battery container 1 and the barrier film 9 is a second gap holding member and functions as a protective layer for the barrier film 9 and a gas diffusion layer inside the battery. Can do.

バリア膜群11は、電極群2を大気から遮蔽しており、これにより電極群2の大気との直接的な接触が回避される。正極端子13は、一端が正極集電体3に電気的に接続されており、かつ他端が電池容器1の外部に突き出ている。一方、負極端子14は、一端が負極集電体5に電気的に接続されており、かつ他端が電池容器1の外部に突き出ている。   The barrier film group 11 shields the electrode group 2 from the atmosphere, so that direct contact of the electrode group 2 with the atmosphere is avoided. One end of the positive electrode terminal 13 is electrically connected to the positive electrode current collector 3, and the other end protrudes outside the battery container 1. On the other hand, one end of the negative electrode terminal 14 is electrically connected to the negative electrode current collector 5, and the other end protrudes outside the battery container 1.

さらに、電池容器1の外表面には、空気孔8を閉塞するシールテープを本図には記載していないが、電池未使用時には配置しておく。   Further, a sealing tape for closing the air holes 8 is not shown on the outer surface of the battery container 1 but is placed when the battery is not used.

以上説明したような構成を有する空気電池では、空気孔8から電池容器1内に空気が供給され、供給された空気は第2の空隙保持部材10bを拡散することで面上に広がる。バリア膜9は、酸素を選択的に透過させるため、第2の空隙保持部材10bを通過した空気がバリア膜9を透過することによって、水分や窒素などの不要な成分を除去することができ、酸素が富化された気体が第1の空隙保持部材10aを通してガス拡散正極層4に供給され、放電反応を生じる。放電の進行に伴って負極活物質層6が消費される一方で、電池容器1内が負圧になる。負圧になる詳しい機構は不明であるが、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で空気電池を製造する際に空隙保持部材10に保持されたガスが、放電により大気中に放出された結果、電池容器の内圧が大気圧より低くなるものと推測される。   In the air battery having the configuration as described above, air is supplied from the air hole 8 into the battery container 1, and the supplied air spreads on the surface by diffusing the second gap holding member 10b. Since the barrier film 9 selectively transmits oxygen, the air that has passed through the second gap holding member 10b passes through the barrier film 9, thereby removing unnecessary components such as moisture and nitrogen. A gas enriched with oxygen is supplied to the gas diffusion positive electrode layer 4 through the first gap holding member 10a to cause a discharge reaction. While the negative electrode active material layer 6 is consumed as the discharge proceeds, the inside of the battery container 1 becomes negative pressure. Although the detailed mechanism of the negative pressure is unknown, the gas held in the gap holding member 10 when the air battery is manufactured in an inert gas atmosphere such as argon gas is released into the atmosphere by discharge, It is estimated that the internal pressure of the battery container is lower than atmospheric pressure.

電池容器1内が負圧になることによって、大気圧との圧力差でバリア膜群11が電極群2の表面を均一に加圧することができるため、正極とセパレータと負極との接触を良好に保つことができ、長期間の使用において高い放電容量を維持することができる。また、第1,第2の空隙保持部材を設けることによって、酸素ガスを正極の面内方向に均一に拡散させることができるため、正極と負極の反応斑を少なくすることができる。   Since the inside of the battery container 1 has a negative pressure, the barrier film group 11 can uniformly pressurize the surface of the electrode group 2 due to a pressure difference from the atmospheric pressure, so that the positive electrode, the separator, and the negative electrode are in good contact with each other. Can be maintained, and a high discharge capacity can be maintained over a long period of use. Further, by providing the first and second gap holding members, the oxygen gas can be uniformly diffused in the in-plane direction of the positive electrode, so that reaction spots between the positive electrode and the negative electrode can be reduced.

なお、前述した図1〜4では、電極群2の片面のみが正極である例を説明したが、電極群の両面を正極とすることが可能である。この一例を図5及び図6に示す。図5,図6では、前述した図1〜4で説明したのと同様な部材に同符号を付して説明を省略する。   In addition, in FIGS. 1 to 4 described above, an example in which only one surface of the electrode group 2 is the positive electrode has been described, but both surfaces of the electrode group can be the positive electrode. An example of this is shown in FIGS. 5 and 6, the same members as those described in FIGS. 1 to 4 described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

また、前述した図1〜図6では、電池容器1の内面にバリア膜群11を固定して空気孔8をバリア膜群11で塞ぐ例を説明したが、バリア膜群11の袋で電極群2を収納した際には、電池容器1の内面にバリア膜群11を固定しなくても良い。この例を図7〜図10に示す。図7〜図10では、前述した図1〜4で説明したのと同様な部材に同符号を付して説明を省略する。   1 to 6 described above, an example in which the barrier film group 11 is fixed to the inner surface of the battery container 1 and the air holes 8 are blocked by the barrier film group 11 has been described. When 2 is stored, the barrier film group 11 does not have to be fixed to the inner surface of the battery case 1. Examples of this are shown in FIGS. 7-10, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to having demonstrated in FIGS. 1-4 mentioned above, and description is abbreviate | omitted.

図7,8に示す空気電池は、第1の電極群2aと第2の電極群2bを備える。第1の電極群2aと第2の電極群2bは、それぞれ、負極集電体5の両面に負極活物質層6を配置し、得られた負極をセパレータ7で被覆した後、正極層4及び正極集電体3を積層することによって得られる。第1の電極群2aと第2の電極群2bは、それぞれ、バリア膜群11で形成された袋内に収容されている。この袋は、電極群2をバリア膜群11で被覆し、バリア膜群11の端部をヒートシールで張り合わせることによって形成される。第1の電極群2aを被覆するバリア膜群11と、第2の電極群2bを被覆するバリア膜群11との間には、スペーサ粒子15が配置されている。これにより、単位セル間に隙間を設けることができるため、電池容器内の空気の流通を良好にすることができる。   The air battery shown in FIGS. 7 and 8 includes a first electrode group 2a and a second electrode group 2b. In each of the first electrode group 2a and the second electrode group 2b, the negative electrode active material layer 6 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 5, and the obtained negative electrode is covered with the separator 7, and then the positive electrode layer 4 and It is obtained by laminating the positive electrode current collector 3. The first electrode group 2a and the second electrode group 2b are each accommodated in a bag formed of the barrier film group 11. This bag is formed by covering the electrode group 2 with the barrier film group 11 and bonding the ends of the barrier film group 11 together by heat sealing. Spacer particles 15 are arranged between the barrier film group 11 covering the first electrode group 2a and the barrier film group 11 covering the second electrode group 2b. Thereby, since a clearance gap can be provided between unit cells, the distribution | circulation of the air in a battery container can be made favorable.

一方、図9,10に示す空気電池の電極群2は、負極集電体5の両面に負極活物質層6を配置し、各負極活物質層6にセパレータ7を積層し、それぞれのセパレータ7に正極層4と正極集電体3を積層した後、得られた積層物をU字形に折り曲げることによって得られる。電極群2はバリア膜群11で被覆された後、バリア膜群11の端部がヒートシールで張り合わされる。バリア膜群11同士が対向する箇所においては、バリア膜群11同士の間にスペーサ粒子15が介在されている。   On the other hand, in the electrode group 2 of the air battery shown in FIGS. 9 and 10, the negative electrode active material layers 6 are arranged on both surfaces of the negative electrode current collector 5, and the separators 7 are laminated on the respective negative electrode active material layers 6. After the positive electrode layer 4 and the positive electrode current collector 3 are laminated on each other, the obtained laminate is bent into a U shape. After the electrode group 2 is covered with the barrier film group 11, the end portions of the barrier film group 11 are bonded together by heat sealing. In the locations where the barrier film groups 11 face each other, spacer particles 15 are interposed between the barrier film groups 11.

図7〜図10に示す空気電池においては、放電が進行するとバリア膜群11で形成された袋内が負圧になるため、大気圧との圧力差で電極群の表面を全体に亘って均一に加圧することができるため、正極とセパレータと負極との接触を良好に保つことができ、長期間の使用において高い放電容量を維持することができる。   In the air battery shown in FIGS. 7 to 10, since the inside of the bag formed of the barrier film group 11 becomes a negative pressure as the discharge proceeds, the surface of the electrode group is uniform over the entire surface due to the pressure difference from the atmospheric pressure. Therefore, the contact between the positive electrode, the separator and the negative electrode can be kept good, and a high discharge capacity can be maintained over a long period of use.

なお、空気亜鉛電池のように、コイン型の金属容器を電池容器とする場合には、正極容器の内面にバリア膜群を配置して空気孔を塞ぎ、バリア膜群の端部を正極容器と負極容器の間に挟んだ状態で正極容器と負極容器をカシメ固定することによって、正極容器にバリア膜群を固定しても良い。   When a coin-type metal container is used as a battery container, such as an air zinc battery, a barrier film group is arranged on the inner surface of the positive electrode container to close the air hole, and the end of the barrier film group is connected to the positive electrode container. The barrier film group may be fixed to the positive electrode container by caulking and fixing the positive electrode container and the negative electrode container while being sandwiched between the negative electrode containers.

次に、正極、負極、セパレータ、及びバリア膜群について詳しく説明する。   Next, the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the barrier film group will be described in detail.

1)正極
正極は、正極集電体と、この正極集電体に担持されたガス拡散正極層とを備える。
1) Positive electrode The positive electrode includes a positive electrode current collector and a gas diffusion positive electrode layer carried on the positive electrode current collector.

正極集電体としては、酸素の拡散を速やかに行わせるために多孔質の導電性基板(メッシュ、パンチドメタル、エクスパンディドメタル等)を用いることが好ましい。前記導電性基板の材質としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタンなどを挙げることができる。なお、前記集電体は、酸化を抑制するために表面に耐酸化性の金属または合金を被覆しても良い。   As the positive electrode current collector, it is preferable to use a porous conductive substrate (mesh, punched metal, expanded metal, etc.) in order to allow oxygen to diffuse quickly. Examples of the material of the conductive substrate include stainless steel, nickel, aluminum, iron, and titanium. The current collector may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy on the surface in order to suppress oxidation.

前記ガス拡散正極層は、例えば、炭素質物と結着剤とを混合し、この混合物をフィルム状に圧延して製膜し、乾燥することで形成することができる。   The gas diffusion positive electrode layer can be formed, for example, by mixing a carbonaceous material and a binder, rolling the mixture into a film, forming a film, and drying.

あるいは、炭素質物と結着剤とを溶媒中で混合し、これを集電体に塗布し、乾燥した後、圧延することによっても正極を得ることができる。   Alternatively, the positive electrode can also be obtained by mixing a carbonaceous material and a binder in a solvent, applying the mixture to a current collector, drying, and rolling.

また、本発明に係る炭素質物の表面にコバルトフタロシアニンなどの酸素発生過電圧を低下させる機能を有する微粒子を担持させ、酸素の還元反応の効率を高めることも可能である。   It is also possible to increase the efficiency of the oxygen reduction reaction by supporting fine particles having a function of reducing the oxygen generation overvoltage such as cobalt phthalocyanine on the surface of the carbonaceous material according to the present invention.

また、炭素物質にアセチレンブラックなどの高導電性炭素質物を添加し、正極層の導電性を高めることも可能である。   It is also possible to increase the conductivity of the positive electrode layer by adding a highly conductive carbonaceous material such as acetylene black to the carbon material.

炭素質物を層状に形状維持するとともに、集電体に付着させるための結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)などを用いることができる。   As a binder for maintaining the shape of the carbonaceous material in a layered manner and adhering it to the current collector, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), Styrene-butadiene rubber (SBR) or the like can be used.

前記炭素質物および前記結着剤の配合割合は、炭素質物70〜98重量%、結着剤2〜30重量%の範囲であることが好ましい。   The blending ratio of the carbonaceous material and the binder is preferably in the range of 70 to 98% by weight of the carbonaceous material and 2 to 30% by weight of the binder.

2)負極
負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質層とを備える。
2) Negative electrode The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer carried on the negative electrode current collector.

負極集電体としては、正極集電体のように多孔質構造の導電性基板に限らず、無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。   The negative electrode current collector is not limited to a conductive substrate having a porous structure like the positive electrode current collector, and a nonporous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, copper, stainless steel, or nickel.

負極活物質層には、負極活物質と併せて結着剤を含有させることができる。   The negative electrode active material layer can contain a binder together with the negative electrode active material.

負極は、例えば、負極活物質と結着剤とを溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、所望の圧力で1回プレスもしくは2〜5回多段階プレスすることにより作製することができる。   For example, the negative electrode is obtained by kneading a negative electrode active material and a binder in the presence of a solvent, applying the obtained suspension to a current collector, drying, and then pressing once at a desired pressure or 2 to 2. It can be produced by multi-stage pressing 5 times.

負極活物質としては、例えばリチウムイオンを吸蔵放出することが可能な材料を使用することができる。前記リチウムイオンを吸蔵放出する材料としては、例えば、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウム金属、リチウム合金、リチウム複合酸化物、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物などを挙げることができるが、これに限らず、リチウムイオン電池またはリチウム電池に従来より使用されている材料がすべて使用可能である。また、使用する負極活物質の種類は、1種類に限らず、2種類以上にしても良い。   As the negative electrode active material, for example, a material capable of occluding and releasing lithium ions can be used. Examples of the material that occludes and releases lithium ions include metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, lithium metals, lithium alloys, lithium composite oxides, and carbonaceous materials that occlude and release lithium ions. However, the present invention is not limited to this, and all materials conventionally used for lithium ion batteries or lithium batteries can be used. Moreover, the kind of negative electrode active material to be used is not limited to one, and may be two or more.

リチウムイオンを吸蔵放出することが可能な炭素質物としては、例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料、熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体などに500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料を挙げることができる。   Examples of carbonaceous materials capable of occluding and releasing lithium ions include graphite materials, carbonaceous materials such as graphite, coke, carbon fiber, and spherical carbon, thermosetting resins, isotropic pitches, mesophase pitches, and mesophases. Mention may be made of graphitic materials or carbonaceous materials obtained by subjecting pitch-based carbon fibers, mesophase spherules and the like to heat treatment at 500 to 3000 ° C.

前記金属酸化物としては、例えば、スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などを挙げることができる。   Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide.

前記金属硫化物としては、例えば、スズ硫化物、チタン硫化物などを挙げることができる。   Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide.

前記金属窒化物としては、例えば、リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物リチウムマンガン窒化物などを挙げることができる。   Examples of the metal nitride include lithium cobalt nitride and lithium iron nitride lithium manganese nitride.

前記リチウム合金としては、例えば、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金などを挙げることができる。   Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy.

前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)などを用いることができる。   Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC), and the like. Can do.

前記炭素質物および前記結着剤の配合割合は、炭素質物80〜98重量%、結着剤2〜20重量%の範囲であることが好ましい。   The blending ratio of the carbonaceous material and the binder is preferably in the range of 80 to 98% by weight of the carbonaceous material and 2 to 20% by weight of the binder.

また、負極活物質として、リチウムイオンやリチウム合金などの金属材料を使用すれば、これらの金属材料は単独でもシート形状に加工することが可能なため、結着剤を使用せずに負極活物質層を形成することができる。また、これらの金属材料で形成された負極活物質層は直接負極端子に接続することもできる。   In addition, if a metal material such as lithium ion or lithium alloy is used as the negative electrode active material, these metal materials can be processed into a sheet shape by themselves, so that the negative electrode active material can be used without using a binder. A layer can be formed. Moreover, the negative electrode active material layer formed of these metal materials can be directly connected to the negative electrode terminal.

なお、本発明の空気電池を一次電池として使用する際には、負極活物質としては、金属イオンの放出能のみ有していれば良い。   When the air battery of the present invention is used as a primary battery, the negative electrode active material only needs to have a metal ion releasing ability.

3)非水電解質
非水電解質層には液体系と固体電解質系と二通りの形状が採用可能である。
3) Non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte layer can employ two types of shapes, a liquid system and a solid electrolyte system.

まず液体系の場合、非水電解質には非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調整される液体状のものを用いることができる。非水溶媒としてはリチウム二次電池の溶媒として公知の非水溶媒を用いることができる。例えば、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)、またはその両者の混合溶媒(第1溶媒と称す)と前記PCやECより低粘度でありかつドナー数が18以下である1種以上の非水溶媒(以下第2溶媒と称す)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。   First, in the case of a liquid system, the nonaqueous electrolyte may be a liquid that is prepared by dissolving a lithium salt in a nonaqueous solvent. As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as a solvent for the lithium secondary battery. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), or a mixed solvent of both of them (referred to as a first solvent) and one or more non-solvents having a viscosity lower than that of the PC or EC and a donor number of 18 or less. It is preferable to use a non-aqueous solvent mainly composed of a mixed solvent with an aqueous solvent (hereinafter referred to as a second solvent).

第2溶媒としては、分子内に炭酸エステル結合あるいはエステル結合を含む鎖状カーボネートが好ましく、中でもジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、イソプロピオメチルカーボネート、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、酢酸エチル、酢酸メチルなどが挙げられる。これらの第2溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。特に、第2種溶媒は沸点が90℃以上であることが好ましい。   As the second solvent, a carbonate ester bond or a chain carbonate containing an ester bond in the molecule is preferable. Among them, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate (MPC), Examples include isopropiomethyl carbonate, ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone (γ-BL), ethyl acetate, and methyl acetate. These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more. In particular, the second type solvent preferably has a boiling point of 90 ° C. or higher.

前記混合溶媒中の前記ECまたはPCの配合量は、体積比で10〜80%であることが好ましい。より好ましいECまたはPCの配合量は体積比率で20〜75%である。   The blending amount of the EC or PC in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume ratio. A more preferable blending amount of EC or PC is 20 to 75% by volume ratio.

前記混合溶媒の具体的な例は、ECとPC、ECとDEC、ECとPCとDEC、ECとγ−BL、ECとγ−BLとDEC、ECとPCとγ−BL、ECとPCとγ−BLとDECで、これら混合溶媒中のECの体積比率は10〜80%としたものが好ましい。より好ましいECの体積比率は、25〜65%の範囲である。   Specific examples of the mixed solvent include EC and PC, EC and DEC, EC and PC and DEC, EC and γ-BL, EC and γ-BL and DEC, EC and PC and γ-BL, EC and PC, In γ-BL and DEC, the volume ratio of EC in the mixed solvent is preferably 10 to 80%. A more preferred EC volume ratio is in the range of 25-65%.

電解質であるリチウム塩としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム[LiN(CF3SO22]などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the lithium salt that is an electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ). , Bistrifluoromethanesulfonylamide lithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] and the like, but are not limited thereto.

電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.5モル/lとすることが望ましい。   The amount of electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.5 mol / l.

また、液体系の非水電解質層を用いる場合、液状非水電解質をセパレータに含浸・保持することで非水電解質層を形成することができる。   When a liquid nonaqueous electrolyte layer is used, the nonaqueous electrolyte layer can be formed by impregnating and holding a liquid nonaqueous electrolyte in a separator.

セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはPVdFを含む多孔質フィルムや、合成樹脂製不織布、あるいはガラス繊維製不織布などを用いることができる。   As the separator, for example, a porous film containing polyethylene, polypropylene, or PVdF, a synthetic resin nonwoven fabric, a glass fiber nonwoven fabric, or the like can be used.

セパレータは、多孔度を30〜90%の範囲にすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。多孔度を30%未満にすると、セパレータにおいて高い電解液保持性を得ることが困難になる恐れがある。一方、多孔度が90%を越えると、十分なセパレータ強度を得られなくなる恐れがある。多孔度のより好ましい範囲は、35〜60%である。   The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 90%. This is due to the following reason. If the porosity is less than 30%, it may be difficult to obtain high electrolyte retention in the separator. On the other hand, if the porosity exceeds 90%, sufficient separator strength may not be obtained. A more preferable range of the porosity is 35 to 60%.

固体電解質系の非水電解質層を用いる場合は、リチウム塩を溶解した高分子材料を含むフィルムを高分子固体電解質として用いることができる。高分子材料としては、例えば、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)等を挙げることができる。リチウム塩には前記と同様の、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化硼酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO22]等を挙げることができる。 When using a solid electrolyte nonaqueous electrolyte layer, a film containing a polymer material in which a lithium salt is dissolved can be used as the polymer solid electrolyte. Examples of the polymer material include polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and the like. Examples of the lithium salt include lithium perchlorate, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN ( CF 3 SO 2 ) 2 ] and the like.

また、固体電解質層には、イオン導電性を向上させるために有機溶媒を添加することが好ましい。かかる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、フッ素含有のカーボネート類、鎖状カーボネート類等を挙げることができる。前記有機溶媒は、これらを単独で用いてもよいが、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。   Moreover, it is preferable to add an organic solvent to the solid electrolyte layer in order to improve ionic conductivity. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), fluorine-containing carbonates, chain carbonates, and the like. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.

4)バリア膜群
バリア膜群は、酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Pa以下のバリア膜と、バリア膜と正極の間に配置される第1の空隙保持部材とを備えるものである。
4) Barrier film group The barrier film group includes a barrier film having an oxygen permeability coefficient of 1 × 10 −14 mol · m / m 2 · sec · Pa or less, and a first void retention disposed between the barrier film and the positive electrode. And a member.

バリア膜は薄いほどガス透過量は大きくなるが、その機械的強度が低下するため、バリア膜の保護層およびガス拡散層として機能する第2の空隙保持部材を、バリア膜と電池容器の間に配置してもよい。   The thinner the barrier film, the greater the amount of gas permeation. However, the mechanical strength of the barrier film decreases. You may arrange.

第1の空隙保持部材の空隙部分に電解質が充填されると、第1の空隙保持部材のガス拡散機能が低下するため、第1の空隙保持部材に溌油処理など表面処理を施しても良い。   Since the gas diffusion function of the first gap holding member is degraded when the gap portion of the first gap holding member is filled with the electrolyte, the first gap holding member may be subjected to a surface treatment such as a soot treatment. .

(バリア膜)
バリア膜は、酸素を選択的に透過させる機能を有しているため、空気中の酸素を富化させて電池内部の電極群に供給することができ、これにより空気中の水分や窒素と負極活物質層との副反応を防止することができる。よって、バリア膜の酸素ガスのガス透過係数は、窒素ガスのガス透過係数よりも2倍以上大きいことが望ましい。さらに好適には2.2倍以上であることが好ましい。
(Barrier film)
Since the barrier film has a function of selectively permeating oxygen, the oxygen in the air can be enriched and supplied to the electrode group inside the battery. Side reactions with the active material layer can be prevented. Therefore, it is desirable that the gas permeability coefficient of oxygen gas in the barrier film is twice or more larger than the gas permeability coefficient of nitrogen gas. More preferably, it is 2.2 times or more.

バリア膜は、空気中の水分の電極群への浸透を阻止するために疎水性が高いことが望ましい。疎水性の熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエンやポリメチルペンテンなどのポリオレフィン類;ポリフッ化ビニリデンや3フッ化ビニル−フッ化ビニリデン共重合体などのフッ素系樹脂;ポリフェニレンスルフィド;などを挙げることができる。これらの熱可塑性樹脂は非水電解質中の有機溶媒への耐性を高くするために電子線照射などで部分的に架橋されていても良い。   The barrier film is desirably highly hydrophobic in order to prevent moisture in the air from penetrating into the electrode group. Examples of the hydrophobic thermoplastic resin include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polybutadiene and polymethylpentene; fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and vinyl trifluoride-vinylidene fluoride copolymer; polyphenylene sulfide; Can be mentioned. These thermoplastic resins may be partially crosslinked by electron beam irradiation or the like in order to increase the resistance to the organic solvent in the nonaqueous electrolyte.

また、非水電解質に接する層が耐有機溶剤性が高い熱可塑性樹脂で形成された多層膜を用いることも有効である。   It is also effective to use a multilayer film in which the layer in contact with the nonaqueous electrolyte is formed of a thermoplastic resin having high organic solvent resistance.

バリア膜の厚さは、1μm〜100μmの範囲にすることが好ましい。これは以下に説明する理由によるものである。バリア膜の厚さを1μm未満にすると、機械的強度が劣るために気温の変化や取り扱いの際にバリア膜が断裂してしまう恐れが有る。また、バリア膜の厚さが100μmを超えると、バリア膜の酸素透過度が小さいために電池の出力が十分に取れない恐れがある。バリア膜のより好ましい厚さの範囲は、2〜20μmである。   The thickness of the barrier film is preferably in the range of 1 μm to 100 μm. This is due to the reason explained below. When the thickness of the barrier film is less than 1 μm, the mechanical strength is inferior, so that the barrier film may be broken during the change in temperature or handling. On the other hand, when the thickness of the barrier film exceeds 100 μm, there is a possibility that the output of the battery cannot be sufficiently obtained because the oxygen permeability of the barrier film is small. A more preferable thickness range of the barrier film is 2 to 20 μm.

(空隙保持部材)
空隙保持部材として使用可能な材料としては、少なくとも厚さ方向に貫通孔を有する多孔性フィルム;織布、不織布、紙などの平面形状で通気性を持つ材料;などを挙げることができる。
(Gap retaining member)
Examples of the material that can be used as the gap holding member include a porous film having a through-hole at least in the thickness direction; a planar shape such as a woven fabric, a nonwoven fabric, and paper;

空隙保持部材を形成する原材料としては非水電解質で溶解、膨潤及び分解しないものが好ましく、このような材料として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンおよびこれらの変性共重合体などのポリオレフィン類;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素系樹脂類;ポリフェニレンスルフィド(PPS)、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)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などのエンジニアリングプラスチックス類;セルロースやそのホルマール変性物;などを挙げることが出来る。   As the raw material for forming the void-holding member, a non-aqueous electrolyte that does not dissolve, swell, or decompose is preferable. Examples of such a material include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, and modified copolymers thereof; Polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE), poly Fluorine resins such as vinylidene fluoride (PVDF) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE); polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), poly Engineering plastics such as polyetheretherketone (PEEK); cellulose and its formal modified product; and the like.

空隙保持部材の厚さは10〜500μmの範囲にすることが好適である。これは以下に説明する理由によるものである。厚さを10μm未満にすると、空隙保持部材の剛性が小さく変形し易くなるためにバリア膜とガス拡散正極との間に空隙を確保することが困難となる。一方、厚さが500μmを超える空隙保持部材を用いることは、電池の体積容量密度を低下させるという点で好ましくない。空隙保持部材の厚さのより好ましい範囲は、15〜300μmである。   The thickness of the gap holding member is preferably in the range of 10 to 500 μm. This is due to the reason explained below. When the thickness is less than 10 μm, the rigidity of the gap holding member is small and easily deformed, so that it is difficult to secure a gap between the barrier film and the gas diffusion positive electrode. On the other hand, it is not preferable to use a gap holding member having a thickness exceeding 500 μm in terms of reducing the volume capacity density of the battery. A more preferable range of the thickness of the gap holding member is 15 to 300 μm.

空隙保持部材の空隙率は10〜90%の範囲にすることが好適である。これは以下に説明する理由によるものである。空隙率を10%未満にすると、空隙保持部材を酸素ガスが拡散する速度が遅くなって電池の放電レート特性が低下する恐れがある。また、空隙保持部材としての能力が低いためにその機能が十分に発揮されない可能性がある。一方、空隙率が90%を超えると、機械的強度が劣るために気温の変化や取り扱いの際に空隙保持部材が断裂してしまう恐れが有る。空隙保持部材の空隙率のより好ましい範囲は、20〜80%である。   The void ratio of the void holding member is preferably in the range of 10 to 90%. This is due to the reason explained below. If the porosity is less than 10%, the rate at which oxygen gas diffuses through the gap holding member is slow, and the discharge rate characteristics of the battery may be degraded. Moreover, since the capability as a space | gap holding member is low, the function may not fully be exhibited. On the other hand, if the porosity exceeds 90%, the mechanical strength is inferior, so that the air gap holding member may be torn during temperature change or handling. A more preferable range of the porosity of the gap holding member is 20 to 80%.

空隙保持部材の透気度は1000秒/100cm3以下であることが好ましい。これは、透気度が1000秒/100cm3を超えると、空隙保持部材を酸素ガスが拡散する速度が遅くなって電池の放電レート特性が低下する恐れがあるからである。透気度の値が小さくなるほど空隙保持部材の酸素拡散速度が速くなるものの、透気度を1秒/100cm3未満にすると、空隙保持部材で隔てられた内部と外部の流通が良くなって内部の方を負圧に保てなくなる恐れがあることから、透気度は1〜1000秒/100cm3の範囲にすることがより好ましい。空隙保持部材の透気度のさらに好ましい範囲は、2〜800秒/100cm3である。 The air permeability of the gap holding member is preferably 1000 seconds / 100 cm 3 or less. This is because if the air permeability exceeds 1000 seconds / 100 cm 3 , the rate at which the oxygen gas diffuses through the gap holding member becomes slow, and the discharge rate characteristics of the battery may be degraded. The smaller the air permeability value, the faster the oxygen diffusion rate of the gap holding member. However, when the air permeability is less than 1 second / 100 cm 3 , the flow between the inside and the outside separated by the gap holding member is improved. Therefore, the air permeability is more preferably in the range of 1 to 1000 seconds / 100 cm 3 . A more preferable range of the air permeability of the gap holding member is 2 to 800 seconds / 100 cm 3 .

また、高分子バリア膜とガス拡散正極との間に、空隙保持部材の代わりにあるいは空隙保持部材と一緒にスペーサー粒子を配置することも有効である。このようなスペーサー粒子の形状は、高分子バリア膜を傷つけないようにするために球状もしくは破砕状にすることが望ましい。また、スペーサー粒子の粒径は10〜500μmのものが好適である。これは以下に説明する理由によるものである。粒径を10μm未満にすると、粒子がガス拡散正極に埋没し易くなるため、バリア膜とガス拡散正極との間に空隙を設けることが困難となる。また、粒径が500μmを超えると、空隙部の体積が大きくなるため、電池の体積容量密度を低下させるという点で好ましくない。   It is also effective to place spacer particles between the polymer barrier film and the gas diffusion positive electrode instead of the gap holding member or together with the gap holding member. The shape of the spacer particles is preferably spherical or crushed so as not to damage the polymer barrier film. The spacer particles preferably have a particle size of 10 to 500 μm. This is due to the reason explained below. When the particle size is less than 10 μm, the particles are easily embedded in the gas diffusion positive electrode, and it becomes difficult to provide a gap between the barrier film and the gas diffusion positive electrode. On the other hand, when the particle size exceeds 500 μm, the volume of the void portion increases, which is not preferable in terms of reducing the volume capacity density of the battery.

更に、ガス拡散正極の高分子バリア膜との接触面に凹凸を形成することにより空隙保持層とすることも可能である。この時のガス拡散正極の凹凸の大きさも以下に説明する理由により10〜500μmのものが好適である。凹凸のサイズを10μm未満にすると、ガス拡散正極の表面の起伏によりバリア膜とガス拡散正極との間に空隙を形成することが困難となる。また、凹凸のサイズが500μmを超えると、空隙部の体積が大きくなるため、電池の体積容量密度を低下させるという点で好ましくない。   Furthermore, it is also possible to form a void retaining layer by forming irregularities on the contact surface of the gas diffusion positive electrode with the polymer barrier film. The size of the irregularities of the gas diffusion positive electrode at this time is preferably 10 to 500 μm for the reason described below. When the size of the unevenness is less than 10 μm, it becomes difficult to form a gap between the barrier film and the gas diffusion positive electrode due to the undulation of the surface of the gas diffusion positive electrode. Moreover, since the volume of a space | gap part will become large when the size of an unevenness | corrugation exceeds 500 micrometers, it is unpreferable at the point of reducing the volume capacity density of a battery.

なお、正極表面を粗面化する或いは微粒子をスペーサーとする場合、バリア膜の剛性が十分に大きければ空隙保持の機能を十分に果たすことができるものの、バリア膜の厚さを薄くすると、電池内部が負圧になった際にバリア膜が正極表面あるいはスペーサの形状をなぞらえるように変形して空隙部を保持できなくなる可能性がある。また、正極表面に粗面化処理を施した際には、高い体積容量密度を得られなかったり、正極密度が面積方向で不均一になる恐れもある。   When the positive electrode surface is roughened or fine particles are used as spacers, if the rigidity of the barrier film is sufficiently large, the function of holding the gap can be sufficiently achieved. When the negative pressure becomes negative, the barrier film may be deformed so as to resemble the shape of the positive electrode surface or the spacer, and the void portion may not be retained. In addition, when the surface of the positive electrode is roughened, there is a possibility that a high volume capacity density cannot be obtained or the positive electrode density is not uniform in the area direction.

以上、本発明の空気電池の一例として、非水電解質を用いる空気リチウム電池を挙げて説明したが、他の空気金属電池を作製する際には負極活物質としてナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、セシウムなどを、また、電解質としてナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、セシウムからなる金属塩を使用すればよい。更に、これらの空気金属電池は前述の負極活物質にこれらの金属を吸蔵・放出できる材料を使用することで、二次電池として用いることができる。   As described above, an air lithium battery using a non-aqueous electrolyte has been described as an example of the air battery of the present invention. However, when other air metal batteries are manufactured, sodium, aluminum, magnesium, cesium, or the like is used as a negative electrode active material. Moreover, a metal salt made of sodium, aluminum, magnesium, or cesium may be used as the electrolyte. Furthermore, these air metal batteries can be used as secondary batteries by using a material capable of occluding and releasing these metals in the negative electrode active material.

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施例1)
ポリプロピレン製の熱可塑性樹脂層とアルミニウム層を含有するアルミニウム含有ラミネートフィルムを用意した。アルミニウム含有ラミネートフィルムのヤング率Yは8×103MPaで、厚さTが100×10-6mのため、アルミニウム含有ラミネートフィルムは前述した(1)式{(Y×T)<102}を満たす。アルミニウム含有ラミネートフィルムを蓋付のカップ状に成形し、正極対向面である蓋部に直径2mmの空気孔を5箇所開けたものを電池容器として用意した。この際、ポリプロピレン層が電池容器の内面となるようにした。次いで、蓋部の外表面にシールテープを貼り付けて空気孔を塞いだ。
Example 1
An aluminum-containing laminate film containing a thermoplastic resin layer made of polypropylene and an aluminum layer was prepared. Since the Young's modulus Y of the aluminum-containing laminate film is 8 × 10 3 MPa and the thickness T is 100 × 10 −6 m, the aluminum-containing laminate film has the above-described formula (1) {(Y × T) <10 2 } Meet. An aluminum-containing laminate film was formed into a cup shape with a lid, and a battery container was prepared by opening five air holes with a diameter of 2 mm in the lid portion which is the positive electrode facing surface. At this time, the polypropylene layer was made to be the inner surface of the battery container. Next, a seal tape was applied to the outer surface of the lid to close the air holes.

バリア膜として、厚さ10μmで下記表1に示す酸素透過係数を有するポリエチレンフィルムを用意した。なお、バリア膜の酸素透過係数は、JIS K 7126に基づく方法で測定した。また、厚さ、空隙率及び透気度が下記表1に示す値であるポリエチレン微多孔膜を空隙保持部材として用意した。空隙保持部材の透気度は、JIS(日本工業規格)のP8117に規定する紙及び板紙の透気度試験方法により測定することができる。図3に示すように、空隙保持部材を二つに折り曲げ、この間にバリア膜を挟み、バリア膜群を得た。このバリア膜群の端部を熱融着処理により電池容器の蓋部の内面(ポリプロピレン層)に図4に示すように融着した。   As a barrier film, a polyethylene film having a thickness of 10 μm and having an oxygen permeability coefficient shown in Table 1 below was prepared. The oxygen permeability coefficient of the barrier film was measured by a method based on JIS K 7126. Moreover, the polyethylene microporous film whose thickness, porosity, and air permeability are values shown in the following Table 1 was prepared as a void holding member. The air permeability of the gap holding member can be measured by a paper and paperboard air permeability test method defined in JIS (Japanese Industrial Standard) P8117. As shown in FIG. 3, the gap holding member was folded in two, and a barrier film was sandwiched between them to obtain a barrier film group. The end portions of the barrier film group were fused to the inner surface (polypropylene layer) of the lid portion of the battery container by heat fusion treatment as shown in FIG.

ケッチェンブラック(EC600JDTM)90重量%と、ポリテトラフルオロエチレン10重量%を乾式混合し、圧延することにより、縦が50mmで横が30mmで厚さが200μmのフィルム状のガス拡散正極層を得た。この正極層を正極集電体であるチタン製メッシュに圧着し、正極を得た。得られた正極の正極集電体が露出した部分に正極端子の一端を接続した。 90% by weight of ketjen black (EC600JD ) and 10% by weight of polytetrafluoroethylene are dry mixed and rolled to form a film-like gas diffusion positive electrode layer having a length of 50 mm, a width of 30 mm and a thickness of 200 μm. Obtained. This positive electrode layer was pressure bonded to a titanium mesh as a positive electrode current collector to obtain a positive electrode. One end of the positive electrode terminal was connected to a portion of the obtained positive electrode where the positive electrode current collector was exposed.

また、負極端子の一端が電気的に接続されたニッケル製メッシュに金属リチウム箔を圧着したものを負極として用意すると共に、グラスフィルターからなるセパレータを準備した。   In addition, a negative electrode was prepared by bonding a metal lithium foil to a nickel mesh with one end of a negative electrode terminal electrically connected thereto, and a separator made of a glass filter was prepared.

負極、セパレータ、正極を順次積層し、この積層物を電池容器のカップ部に収納した。この際、正極が電池容器の空気孔と対向するように積層物を収納した。また、正極端子および負極端子の先端は、カップ部と蓋部の間から外部に延出させた。   A negative electrode, a separator, and a positive electrode were sequentially laminated, and this laminate was stored in the cup portion of the battery container. At this time, the laminate was stored so that the positive electrode faced the air hole of the battery container. Moreover, the front-end | tip of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal was extended outside between the cup part and a cover part.

エチレンカーボネート50体積%とプロピレンカーボネード50体積%を混合した非水溶媒に1.0モル/lの割合で過塩素酸リチウムからなる電解質を溶解させることにより液状の非水電解質を調製した。   A liquid non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving an electrolyte composed of lithium perchlorate at a rate of 1.0 mol / l in a non-aqueous solvent in which 50% by volume of ethylene carbonate and 50% by volume of propylene carbonate were mixed.

液状非水電解質をセパレータに注液してセパレータに含浸させた後、カップ部に蓋部を熱融着させて電池容器を封口することで、非水電解質電池を作製した。この熱融着直後の電池容器内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   A liquid nonaqueous electrolyte was poured into the separator and impregnated in the separator, and then the lid was thermally fused to the cup portion to seal the battery container, thereby producing a nonaqueous electrolyte battery. Although the pressure inside the battery case immediately after the heat fusion was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery case was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

この電池を、露点を65℃以下に保った乾燥空気が充填されたグローブボックス内で正極1cm2当たり0.02mAのレートの定電流で2.0Vまで連続放電を行なった後、2.0Vの定電圧放電を行ない、60日目の放電容量を測定した。また、温度25℃で湿度30%の定温定湿槽内で正極1cm2当たり0.02mAのレートの定電流で2.0Vまで連続放電を行なった後、2.0Vの定電圧放電を行ない、60日目の放電容量を測定した。さらに、温度25℃で湿度80%の定温定湿槽内で正極1cm2当たり0.02mAのレートの定電流で2.0Vまで連続放電を行なった後、2.0Vの定電圧放電を行ない、60日目の放電容量を測定した。 This battery was continuously discharged to 2.0 V at a constant current of 0.02 mA per 1 cm 2 of positive electrode in a glove box filled with dry air with a dew point kept at 65 ° C. or lower, and then 2.0 V A constant voltage discharge was performed, and the discharge capacity on the 60th day was measured. In addition, after performing continuous discharge to 2.0 V at a constant current of 0.02 mA per 1 cm 2 of positive electrode in a constant temperature and humidity chamber with a temperature of 25 ° C. and a humidity of 30%, a constant voltage discharge of 2.0 V is performed. The discharge capacity on the 60th day was measured. Furthermore, after performing a continuous discharge to 2.0 V at a constant current of 0.02 mA per 1 cm 2 of positive electrode in a constant temperature and humidity chamber at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 80%, a constant voltage discharge of 2.0 V is performed. The discharge capacity on the 60th day was measured.

その結果をグローブボックス内での放電で得られた容量を100%として下記表2に示す。   The results are shown in Table 2 below with the capacity obtained by discharge in the glove box as 100%.

(実施例2)
バリア膜として、酸素透過係数が下記表1に示す値である厚さ12μmのポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)3層フィルムを用い、空隙保持部材として厚さ、空隙率及び透気度が下記表1に示す値であるポリプロピレン不織布を用い、かつ電池構造を前述した図5,6に示すものにすること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Example 2)
As the barrier film, a 12 μm thick polyethylene (PE) / polypropylene (PP) / polyethylene (PE) three-layer film having an oxygen permeability coefficient shown in Table 1 below is used, and the thickness, porosity and An air battery having the same configuration as that described in Example 1 except that a polypropylene nonwoven fabric having an air permeability value shown in Table 1 below is used and the battery structure is as shown in FIGS. Was made.

電池作製直後の電池容器内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   Although the pressure inside the battery container immediately after the battery production was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery container was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。   The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

(実施例3)
バリア膜として厚さ10μmで下記表1に示す酸素透過係数のポリメチルペンテンフィルムを用い、かつ電池構造を前述した図7,8に示すものにすること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Example 3)
As described in Example 1, except that a polymethylpentene film having a thickness of 10 μm and having an oxygen permeability coefficient shown in Table 1 below is used as the barrier film and the battery structure is as shown in FIGS. An air battery having the same configuration was produced.

電池作製直後のバリア膜群から形成された袋内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   Although the pressure inside the bag formed from the barrier film group immediately after the battery production was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery container was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。   The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

(実施例4)
電池構造を前述した図9,10に示すものにすること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Example 4)
An air battery having the same configuration as that described in Example 1 was produced except that the battery structure was as shown in FIGS.

電池作製直後のバリア膜群から形成された袋内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   Although the pressure inside the bag formed from the barrier film group immediately after the battery production was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery container was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。   The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

(実施例5)
バリア膜として厚さ50μmで酸素透過係数が下記表1に示す値のポリブタジエンフィルムを用い、空隙保持部材として厚さ、空隙率及び透気度が下記表1に示す値であるポリプロピレン不織布を用い、かつ電池構造を前述した図5,6に示すものにすること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Example 5)
Using a polybutadiene film having a thickness of 50 μm as the barrier film and an oxygen permeability coefficient of the value shown in Table 1 below, and using a polypropylene nonwoven fabric having a thickness, a porosity and an air permeability of the values shown in Table 1 as the gap holding member, An air battery having the same configuration as that described in Example 1 was prepared except that the battery structure was as shown in FIGS.

電池作製直後の電池容器内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   Although the pressure inside the battery container immediately after the battery production was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery container was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。   The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

(比較例1)
バリア膜に厚さ50μmで酸素透過係数が下記表1に示す値のポリジメチルシロキサン膜を用いること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Comparative Example 1)
An air battery having the same configuration as that described in Example 1 was prepared, except that a polydimethylsiloxane film having a thickness of 50 μm and an oxygen permeability coefficient shown in Table 1 below was used as the barrier film.

電池作製直後の電池容器内の気圧は、電池容器がヒートシールにより封止されたために大気圧より僅かに低いものの、その気圧差は0.1kPa未満であった。   Although the pressure inside the battery container immediately after the battery production was slightly lower than the atmospheric pressure because the battery container was sealed by heat sealing, the pressure difference was less than 0.1 kPa.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。   The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

(比較例2)
バリア膜の代わりに、厚さ50μmで酸素透過係数が下記表1に示す値のポリテトラフルオロエチレン製多孔膜(商品名:ゴアテックス)を用いること以外は、実施例1で説明したのと同様な構成の空気電池を作製した。
(Comparative Example 2)
In place of the barrier membrane, a polytetrafluoroethylene porous membrane (trade name: GORE-TEX) having a thickness of 50 μm and an oxygen permeability coefficient shown in the following Table 1 is used, as described in Example 1. An air battery having a simple structure was produced.

比較例2の電池では多孔膜を通じて空気の移動が容易なため、電池作製直後の電池容器内の気圧は、大気圧と同じであった。   In the battery of Comparative Example 2, since the movement of air through the porous membrane was easy, the atmospheric pressure in the battery container immediately after the production of the battery was the same as the atmospheric pressure.

得られた電池の放電特性を実施例1で説明したのと同様な条件で測定し、その結果を下記表2に示す。

Figure 0004296114
The discharge characteristics of the obtained battery were measured under the same conditions as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.
Figure 0004296114

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実施例1の電池はグローブボックス内で60日間連続放電した際の放電容量が約420mAhであった。この値は正極炭素重量当りの容量で示すと約4000mAh/gと公知例の2倍程度の大容量である。また、表1及び表2から明らかなように、実施例1〜5の空気電池は、大気下で放電を行なった際の容量低下が少なく、特に実施例1,4の空気電池によるとグローブボックス内での放電とほぼ遜色ない性能が得られることが理解できる。   The battery of Example 1 had a discharge capacity of about 420 mAh when discharged continuously for 60 days in the glove box. This value is about 4000 mAh / g in terms of capacity per positive electrode carbon weight, which is about twice as large as the known example. Further, as is clear from Tables 1 and 2, the air batteries of Examples 1 to 5 have little capacity reduction when discharged in the atmosphere, and in particular, according to the air batteries of Examples 1 and 4, the glove box It can be understood that the performance almost equal to that of the internal discharge can be obtained.

さらに、実施例1〜5の空気電池では、前述した三つの条件それぞれでの放電時定常状態での電池内圧と大気圧との差が十分にあり、放電状態での電極群の密着性は良好であった。   Further, in the air batteries of Examples 1 to 5, there is a sufficient difference between the battery internal pressure and the atmospheric pressure in the steady state during discharge under each of the three conditions described above, and the adhesion of the electrode group in the discharged state is good. Met.

これに対し、バリア膜の酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Paよりも大きい比較例1の空気電池は、大気下での放電の際に水分の透過による電池容器の膨れが発生し、60日間の連続放電を行なえなかった。そのうえ、比較例1の空気電池では、前述した三つの条件それぞれでの放電時定常状態での電池内圧と大気圧との差が放電初期は0.1kPa未満と殆ど差がなく、水分の透過で電池電圧が低下するに従って電池内圧が大気圧よりも高くなった。また、放電状態での電極群の密着性は不良であった。 On the other hand, the air battery of Comparative Example 1 in which the oxygen permeability coefficient of the barrier film is larger than 1 × 10 −14 mol · m / m 2 · sec · Pa is a battery due to the permeation of moisture during discharge in the atmosphere. Swelling of the container occurred, and continuous discharge for 60 days could not be performed. In addition, in the air battery of Comparative Example 1, the difference between the battery internal pressure and the atmospheric pressure in the steady state at the time of discharge under each of the three conditions described above is almost the same as less than 0.1 kPa at the initial stage of discharge, and the moisture permeation. The battery internal pressure became higher than the atmospheric pressure as the battery voltage decreased. Further, the adhesion of the electrode group in the discharged state was poor.

一方、バリア膜の代わりに多孔質膜を用いた比較例2の空気電池は、安定性が比較例1と比較しても非常に劣り、グローブボックス内でも非水電解液が乾固して20日後には作動不良となった。また、定温定湿槽内では比較例1よりも速く水分の透過による電池の膨れが発生し、60日間の連続放電を行なえなかった。さらに、前述した三つの条件それぞれでの放電時定常状態での電池内圧と大気圧との差はほとんどなく、放電状態での電極群の密着性は不良であった。   On the other hand, the air battery of Comparative Example 2 using a porous film instead of the barrier film is very inferior in stability to Comparative Example 1, and the nonaqueous electrolyte solution is dried up in the glove box. After a day, it became malfunctioning. Further, in the constant temperature and humidity chamber, the battery swelled due to moisture permeation faster than Comparative Example 1, and continuous discharge for 60 days could not be performed. Furthermore, there was almost no difference between the battery internal pressure and the atmospheric pressure in the steady state during discharge under each of the three conditions described above, and the adhesion of the electrode group in the discharged state was poor.

実施例1の電池の電池容器にサイドポケットを設け、圧力センサーを埋め込み、試験用セルとした。この試験用セルを湿度90%で温度が23℃の多湿雰囲気で連続放電を行なった際の電圧、電流及び電池容器内の圧力の変化を図11に示す。図11では、横軸が放電時間、左側の縦軸が電圧値と電流値、右側の縦軸が電池容器内の圧力である。図11から明らかなように、放電初期は大気圧に対して正圧であった電池容器内の圧力が放電が進行するにつれて徐々に低下し、最終的には負圧を示していることが理解できる。また、放電中、電流と電圧はほぼ一定値を示し、実施例1の電池の電流電圧特性の安定性が高いことがわかる。   A side pocket was provided in the battery container of the battery of Example 1, a pressure sensor was embedded therein, and a test cell was obtained. FIG. 11 shows changes in voltage, current, and pressure in the battery container when the test cell is subjected to continuous discharge in a humid atmosphere with a humidity of 90% and a temperature of 23 ° C. In FIG. 11, the horizontal axis is the discharge time, the left vertical axis is the voltage value and the current value, and the right vertical axis is the pressure in the battery container. As is clear from FIG. 11, it is understood that the pressure inside the battery container, which was positive with respect to the atmospheric pressure at the beginning of discharge, gradually decreases as discharge progresses, and finally shows negative pressure. it can. In addition, during discharge, the current and voltage show almost constant values, indicating that the stability of the current-voltage characteristics of the battery of Example 1 is high.

また、金属製容器内にアルゴンガスを充填し、その開口部を前述した実施例1で説明したのと同様な種類のバリア膜で塞いだ後、金属容器内部のガス圧力の変化を測定し、その結果を図12に示す。図12の縦軸は金属容器内の内圧で、横軸は経過時間を示す。図12から明らかなように、金属容器内の圧力は時間の進行と共に徐々に低下しており、アルゴンガスがバリア膜を透過する機構は不明であるが、金属容器内のアルゴンガスがバリア膜を通じて大気中に流出して大気圧よりも負圧になる現象が示されている。   Further, after filling the metal container with argon gas and closing the opening with the same kind of barrier film as described in Example 1, the change in gas pressure inside the metal container was measured, The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 12 represents the internal pressure in the metal container, and the horizontal axis represents the elapsed time. As is clear from FIG. 12, the pressure in the metal container gradually decreases with time, and the mechanism by which argon gas permeates the barrier film is unknown, but the argon gas in the metal container passes through the barrier film. Phenomenon that flows out into the atmosphere and becomes negative pressure than atmospheric pressure is shown.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明に係わる空気電池の一例の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of an example of the air battery concerning this invention. 図1の空気電池をII−II線に沿って切断した断面図。Sectional drawing which cut | disconnected the air battery of FIG. 1 along the II-II line. 図1の空気電池に用いられるバリア膜群を模式的に示した断面図。Sectional drawing which showed typically the barrier film group used for the air battery of FIG. 図1の空気電池における空気取り入れ孔とバリア膜と空隙保持部材との位置関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the positional relationship of the air intake hole, barrier film | membrane, and space | gap holding member in the air battery of FIG. 本発明に係わる空気電池の別な例の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of another example of the air battery concerning this invention. 図5の空気電池をVI−VI線に沿って切断した断面図。Sectional drawing which cut | disconnected the air battery of FIG. 5 along the VI-VI line. 本発明に係わる空気電池のさらに別な例の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of another example of the air battery concerning this invention. 図7の空気電池をVIII−VIII線に沿って切断した断面図。Sectional drawing which cut | disconnected the air battery of FIG. 7 along the VIII-VIII line. 本発明に係わる空気電池のさらに別な例の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of another example of the air battery concerning this invention. 図9の空気電池をX−X線に沿って切断した断面図。Sectional drawing which cut | disconnected the air battery of FIG. 9 along XX. 試験セルを定温定湿度槽内にて放電させた際の電圧、電流及び内圧の経時変化を示す特性図。The characteristic view which shows the time-dependent change of the voltage at the time of discharging a test cell in a constant temperature constant humidity tank, an electric current, and an internal pressure. アルゴンガスが充填された金属製容器の開口部をバリア膜で被覆したものを実験室空気雰囲気に保管した際の前記容器内の内圧の経時変化を示す特性図。The characteristic view which shows a time-dependent change of the internal pressure in the said container at the time of storing what coat | covered the opening part of the metal container filled with argon gas with the barrier film | membrane in a laboratory air atmosphere.

符号の説明Explanation of symbols

1…電池容器、2…電極群、3…正極集電体、4…ガス拡散正極層、5…負極集電体、6…負極活物質層、7…セパレータ、8…空気取り入れ孔、9…バリア膜、10…空隙保持部材、10a…第1の空隙保持部材、10b…第2の空隙保持部材、11…バリア膜群、12…ヒートシール部、13…正極端子、14…負極端子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Battery container, 2 ... Electrode group, 3 ... Positive electrode collector, 4 ... Gas diffusion positive electrode layer, 5 ... Negative electrode collector, 6 ... Negative electrode active material layer, 7 ... Separator, 8 ... Air intake hole, 9 ... Barrier film, 10 ... gap holding member, 10a ... first gap holding member, 10b ... second gap holding member, 11 ... barrier film group, 12 ... heat seal part, 13 ... positive electrode terminal, 14 ... negative electrode terminal.

Claims (5)

内面が熱可塑性樹脂層からなるラミネートフィルムからなり、かつ空気取り入れ孔を有する電池容器と、
前記電池容器内に収納され、酸素を活物質とする正極、リチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を含む負極および前記正極と前記負極の間に配置されたセパレータを含む電極群と、
前記電極群に保持される非水電解質と、
前記電池容器の前記空気取り入れ孔が形成されている面と前記電極群の正極との間に配置され、酸素透過係数が1×10-14mol・m/m2・sec・Pa以下の熱可塑性樹脂製で無孔性のバリア膜と、前記バリア膜の前記正極と対向している面に積層され、多孔性フィルム、不織布および織布よりなる群から選択される少なくとも1種類からなる熱可塑性樹脂製の第1の空隙保持部材と、前記電池容器の前記空気取り入れ孔が形成されている面と前記バリア膜との間に配置され、多孔性フィルム、不織布および織布よりなる群から選択される少なくとも1種類からなる熱可塑性樹脂製の第2の空隙保持部材とからなる積層膜とを具備し、
前記電池容器の前記内面に前記積層膜が熱融着されることにより、前記電池容器の前記空気取り入れ孔前記積層膜で封止されており、
連続放電時における電池容器内の圧力は大気圧より0.1〜80kPa低いことを特徴とする空気電池。
A battery container having an air intake hole made of a laminate film having an inner surface made of a thermoplastic resin layer ;
An electrode group including a positive electrode containing oxygen as an active material, a negative electrode including a negative electrode active material that absorbs and releases lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte held in the electrode group;
Thermoplastic having an oxygen transmission coefficient of 1 × 10 −14 mol · m / m 2 · sec · Pa or less, disposed between the surface of the battery container where the air intake hole is formed and the positive electrode of the electrode group . a non-porous barrier film made of resin is laminated on the positive electrode opposed to that surface of the barrier film, porous film, the thermoplastic resin comprising at least one selected from the group consisting of nonwoven and woven fabrics The first air gap holding member made of metal, the surface of the battery container where the air intake hole is formed, and the barrier film, and selected from the group consisting of a porous film, a nonwoven fabric and a woven fabric A laminated film composed of at least one kind of thermoplastic resin-made second void holding member ,
Said by the fact that the laminated film is heat-sealed to the inner surface of the battery container, the air intake hole of the battery container is sealed by the laminated film,
An air battery characterized in that the pressure in the battery container during continuous discharge is 0.1 to 80 kPa lower than atmospheric pressure .
前記電池容器内の空隙率(前記積層膜の空隙を含む)は5〜40%であることを特徴とする請求項1記載の空気電池。 2. The air battery according to claim 1, wherein a porosity of the battery container (including a gap of the laminated film) is 5 to 40% . 前記ラミネートフィルムは、アルミニウムを含有すると共に、下記(1)式を満足することを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の空気電池。
(Y×T)<10 2 (1)
但し、Yは前記ラミネートフィルムのヤング率(MPa)で、Tは前記ラミネートフィルムの厚さ(m)である。
The air battery according to any one of claims 1 to 2 , wherein the laminate film contains aluminum and satisfies the following expression (1) .
(Y × T) <10 2 (1)
However, Y is the Young's modulus (MPa) of the laminate film, and T is the thickness (m) of the laminate film.
前記負極活物質は、リチウム金属もしくはリチウム合金であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の空気電池。The air battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material is lithium metal or a lithium alloy. 前記バリア膜の厚さは2〜100μmであることを特徴とする請求項1〜いずれか1項記載の空気電池。 Claim 1-4 The air battery according to any one of the preceding, wherein the thickness of the barrier layer is 2 to 100 m.
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