JP4298235B2 - Air secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電が可能な空気電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
空気電池は、一般的に正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として金属を用いる電池を総称するものであり、空気中の酸素を電池内に取り込むための空気極には触媒作用を有する多孔質炭素材料、多孔質金属材料、もしくは両者の複合材料が使用され、負極活物質には亜鉛、鉄あるいはアルミニウム、そして電解液に30%前後の水酸化カリウム水溶液、塩化アンモニウム溶液もしくは塩化亜鉛溶液が使用される電池である。これらは、負極活物質の違いによりそれぞれ空気−亜鉛電池、空気−鉄電池、空気−アルミニウム電池と呼ばれている。
【0003】
空気電池の特徴は、高エネルギー密度であるという点である。空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を使用するため電池内に正極活物質を充填しておく必要がなく、通常の電池では正極活物質の充填に使用されている空間にも負極活物質を充填できるのがその理由である。空気電池の放電では、空気中のO2 が空気極の触媒作用でOH- として電解液に溶け込み負極活物質と反応し起電力を発生する。
【0004】
現在、一般に市販される空気電池は、空気−亜鉛電池のみであるが、すべてコイン型の一次電池であり、補聴器用やポケットベル用として利用されている。
1970年代には、電気自動車用電源への利用を目的として、空気電池の二次電池化が研究されたが実用には至らなかった。空気−亜鉛電池で二次電池化が困難だった理由は、
(1)負極活物質である亜鉛が充電時にデンドライト成長を起こすため短絡を生ずる、
(2)充放電効率が悪い、
(3)電解液が大気中の二酸化炭素吸収によって劣化する、
(4)空気極に使用している炭素材料が充電時に酸化してしまう
など解決すべき課題が多かったためである。
【0005】
負極の亜鉛デンドライト防止に関しては、放電終了後に亜鉛極を新しい物と交換する機械式充電と呼ばれる電極交換型の二次電池が開発されている。さらに亜鉛粉末を電解液とともに循環し、放電生成物である水酸化亜鉛や酸化亜鉛の還元を外部で行い、再び電池内に戻す方式も検討されている。
一方、電解液の二酸化炭素吸収による劣化に関しては、効果的な改善手法が開発されていない。
【0006】
さらに、空気極の酸化消耗の防止に関しては、三電極方式と呼ばれる技術が開発されている。これは、放電では多孔質炭素材料が使用され、充電では非酸化性の多孔質金属材料が使用されるように通電回路が自動で切り替わる方式である。
また、空気極へWC、Coなど酸素過電圧を低下させる物質を添加したり、La0.5 Sr0.5 CoO3 のような耐酸化性のある触媒を添加する方法が開発されているが、いずれにおいても電極固定式で二次電池化を目指した解決手段ではない。
【0007】
なお、空気−鉄電池および空気−アルミニウム電池の二次電池も試作されたが、以下に記述する理由から実用に至っていない。
空気−鉄電池は、亜鉛のようにデンドライト発生の問題がなく、エネルギー密度が大きい反面、寿命が短く、電解液の定期交換が必要とされる。
空気−アルミニウム電池は、水溶液系電解液では充電不可能なために基本的に機械式充電以外に二次電池化が困難である。
【0008】
最近、特開2001−313093号で負極活物質として化学的に安定な活性炭、カーボンナノチューブもしくはグラファイトナノファイバーを使用することで充電可能とする空気電池が提案されたが、電気二重層を利用した電荷の蓄積を利用しているため、電気自動車や補聴器用電源として十分なエネルギー密度が確保できていない。さらに電解液にアルカリ金属水酸化物水溶液を使用しているため、大気中の二酸化炭素吸収による劣化が原因で長期間のサイクル安定性が得られない欠点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境に対する配慮からクリーンな電気エネルギーが求められているが、空気電池が電極固定式で二次電池化されることは、電気自動車のみならず補聴器用電源としても非常に好ましい。ところが空気二次電池のエネルギー密度は低く、電解液は大気中の二酸化炭素を吸収することで徐々にイオン伝導度が低下し、最終的に内部抵抗の増大によって充放電時の電圧降下が大きくなり、実用レベルのサイクル安定性を示す空気電池は未だ完成されていない。
【0010】
本発明は、空気電池の二次電池化における上記課題を解決するものであって、電極固定式で、サイクル安定性に優れ、大電流密度充電が可能な高エネルギー密度空気二次電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気二次電池は、正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として結合水または吸蔵水を有するVIII族金属酸化物あるいはII族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物、電解液にアルカリ性水溶液を使用することで上記課題を解決している。
【0012】
従来の空気電池の放電では、空気極で大気中のO2 がOH- に還元され、電解液中でOH- が負極の金属と反応して金属水酸化物になる。
このときの空気極と負極における反応式は、次の通りである。
空気極:
2 +2H2 O+4e- →4OH- ・・・・・・(1)
負 極:
2M+4OH- →2M(OH)2 +4e- ・・・(2)
(Mは2価金属と仮定)
上記反応式に関して、視点を負極に置くと、負極の金属が水で酸化される時にH+ が発生し、H+ が空気極で生成したOH- と反応し減極されると考えることができる。
【0013】
すなわち反応式は次の通りである。
空気極:
2 +2H2 O+4H+ +4e- →4OH- +4H+ →4H2 O・・(3)
負 極:
2M+4H2 O→2M(OH)2 +4H+ +4e- ・・・・・・・・(4)
(Mは2価金属と仮定)
したがって空気電池を二次電池化するために、負極活物質はH+ 吸蔵性もしくは吸着性を有し、なおかつアルカリ性水溶液と化学反応を起こさない材料が最適である。
【0014】
これら条件を満たす材料は、結合水または吸蔵水を有するVIII族金属酸化物あるいはII族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物であり、四三酸化鉄、二酸化ルテニウム、あるいはII族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物として、II族金属/VIII族金属モル比が1/6〜1/12であるSr−Fe、Ca−FeまたはBa−Feのいずれかの組み合わせからなる金属酸化物が最適である。比表面積は大きいほどH+ との反応面積が増加するため、大電流密度充電に適している。
【0015】
本発明の空気二次電池は、基本的にO2 のレドックス反応に対して触媒作用を有する空気極、結合水または吸蔵水を有するVIII族金属酸化物あるいはII族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物を使用した負極、空気極と負極を分けるセパレーター、そしてアルカリ性の水溶液で調製される電解液で構成した後、最初に充電を行う。
【0016】
充電では、負に分極した結合水または吸蔵水を有するVIII族金属酸化物あるいはII族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物結晶の表層部あるいは内部に、水の分解によって生成したH+ が吸着あるいはインタカレートする。このとき、空気極からはO2 が発生し大気中へ放出される。
一方、放電ではH+ が酸化物結晶の表層部あるいは内部から離脱またはデインタカレートし、空気極で生成したOH- と反応し水が生成する。
【0017】
反応式は、二酸化ルテニウムを例に挙げると次の通りである。
空気極:
δ/4O2 +δ/2H2 O+δe- ⇔δOH- ・・・・・・・・・・(5)
負 極:
RuOX- δ(OH)Y+ δ⇔RuOX (OH)Y +δH+ +δe- ・・(6)
(一般的にX≒2)
反応式(5)および(6)から、この反応は酸化物を水素貯蔵媒体とした水の分解、生成反応と捉えることができる。
【0018】
VIII族金属酸化物の四三酸化鉄は逆スピネル構造で高い電子伝導性を有し、二酸化ルテニウムはルチル構造であるが非常に高い電子伝導性を有している。四三酸化鉄および二酸化ルテニウムは、アルカリ性電解液中で充電するとH+ がオキソニウムイオン(H3 + )の形でこれら酸化物結晶の表層部もしくは内部に吸着あるいはインタカレートされる。このとき四三酸化鉄および二酸化ルテニウムは弱アルカリ性から弱酸性に変化するが、四三酸化鉄はpH9〜pH14の範囲で、二酸化ルテニウムはpH1〜pH14の範囲で安定であるためアルカリ性電解液への溶解が抑えられる。
【0019】
エネルギー密度を高めるためには、H+ の吸着量あるいはインタカレート量を多くすることが必要であるがそのために酸化物結晶は高いH+ 伝導性を有することが重要で、四三酸化鉄および二酸化ルテニウムは結合水や吸蔵水を有する状態であることで、結晶内にオキソニウムイオンが形成され易くなり、H+ 伝導度の向上が図れる。
【0020】
これら酸化物は各々金属の塩酸溶液、硝酸溶液または硫酸溶液とアルカリ水溶液を反応させる湿式法によって調製し、反応生成物の加熱乾燥温度は、300℃以下で行うのが良い。
このようにして得られた四三酸化鉄および二酸化ルテニウムのX線回折パターンは、ピークの半価幅が広く、結合水または吸蔵水が酸化物結晶内に存在することを示す。
【0021】
VIII族金属酸化物には二酸化オスミウムもあるが、比較的高い電子電導性と大きなH+ 吸着性を示すため負極活物質への適用も可能であるが、資源的に乏しく、原子量も大きな金属であるため、電池の軽量化および低コスト化の観点から利用価値が乏しい。
一方、II族金属とVIII族金属の組み合わせからなる複合酸化物として、Sr−Fe、Ca−FeまたはBa−Fe系酸化物は、II族金属/VIII族金属モル比が1/6〜1/12の範囲で四三酸化鉄に近似した結晶構造となり、四三酸化鉄よりH+ を多く吸着またはインタカレートすることができる。
【0022】
II族金属を添加することによる結晶格子の歪がH+ のインタカレート量増加に寄与していると考えられる。これらの複合酸化物のX線回折パターンも、ピークの半価幅が広い四三酸化鉄に近似したパターンとなる。
II族金属とVIII族金属のモル比を1/6より大きくすると水酸化ニッケル、水酸化ストロンチウム、水酸化カルシウム、および水酸化バリウムが第2相として析出し、H+ の吸着量またはインタカレート量を減少させてしまう。
【0023】
一方1/12より小さくすると四三酸化鉄と同等の物質となり、H+ の吸着量またはインタカレート量に優位性が表れない。
VIII族金属のFeに対しては、Be、MgおよびReの組み合わせもあるが、BeおよびMgのイオン半径は0.41Åおよび0.86Åと小さすぎるため四三酸化鉄に近似した結晶構造をとりがたい。またReは放射性物質であり、使用に適さない。
【0024】
VIII族金属のFeの代わりにRuまたはOsを使用する場合、二酸化ルテニウムおよび二酸化オスミウムそのものが高い電子伝導性とH+ の吸蔵性を示す物質であり、II族金属との複合化はH+ の吸着またはインタカレートを抑制するように結晶構造を変化させるためエネルギー密度増加の効果は小さいと考えられる。
【0025】
II族金属とVIII族金属からなる複合酸化物の調製法としては、四三酸化鉄および二酸化ルテニウムの調製法と同様に、所定の組成比に合わせた各種金属の塩酸溶液、硝酸溶液または硫酸溶液とアルカリ水溶液の反応で得られる沈殿生成物を400℃以下で乾燥する。ただし、結合水または吸蔵水を離脱させない他の方法があれば、この方法に限定されることはない。
【0026】
上記酸化物へのH+ 吸着、離脱またはインタカレート、デインタカレートは、電気化学的な酸化還元反応によって行われるが、反応速度が極めて速く、キャパシターで利用される電気二重層反応にならって疑似二重層反応と呼ばれる。したがって、高電流密度充電が可能であり、高いサイクル安定性を有する空気二次電池の作製が可能となる。
【0027】
空気極は、充電時に発生する活性なO2 によって酸化消耗しない耐酸化性を有する材料を使用し、O2 を大気中へ速やかに放出させることのできる高いガス透過性を有する電極構造とする。耐酸化性と高いガス透過性を持たせることにより高電流密度充電時の内部抵抗を低減することができる。
この条件に適した電極材料としては、触媒を担持したカーボンがある。カーボンに担持された触媒で反応式(1)で表される4電子還元が速い速度で進行し、カーボンの酸化消耗も抑制できる。一方、高いガス透過性を可能にするためには多孔質構造とする必要があり、その際電解液の漏液を防止するため撥水性が付与されなければならない。
【0028】
空気極の一例としては、白金担持活性炭粒子をポリテトラフルオロエチレンで結着したシートがあり、シートを保持するためステンレスなど耐酸性に優れた金属網に圧着して使用する。
触媒としては、白金の他、銀、二酸化マンガン、ニッケル−コバルト複合酸化物、フタロシアニン系化合物、WC、Co、FeWO4 、NiS、Co(OH)2 、La0.5 Sr0.5 CoO3 、Pr0.2 Ca0.8 Mn0.1 Fe0.9 3 、La0.8 Rb0.2 MnO3 などが知られており、これらを単独もしくは組み合わせて使用できるが、これらに限定されるものではない。
【0029】
またカーボンとしては、活性炭以外にカーボンブラックなどが適当である。ただしカーボンブラックは製法によって性質が異なり、例えば疎水性が強いアセチレンブラックは空気極のガス供給部分、疎水性が弱いカーボンブラックは酸化還元反応部分に使用すると良い。カーボンの代わりに導電性酸化物を使用すれば酸化消耗は防止可能であるが、大きな比表面積が得られがたく、比抵抗がカーボンより大きいため電池性能は低下する。導電性酸化物としては、SnO2 、Fe3 4 、RuO2 、MoO2 、LaNiO3 などが挙げられる。
【0030】
電解液には、アルカリ性水溶液を使用する。アルカリ性水溶液を使用することで、電解液中のOH- が増加し、空気極のレドックス反応が速やかに行われる。アルカリ性水溶液としては、アルカリ金属水酸化物の水溶液が一般的である。従来の空気電池の電解液には、イオン伝導度が高い水酸化カリウム水溶液が使用されており、本発明の空気電池にも当然適用可能であるが、二次電池の場合には使用期間が長期に渡るため電解液が大気中の二酸化酸素を吸収し劣化する。水酸化カリウム水溶液以外の塩化アンモニウム、塩化亜鉛など弱酸性電解液は二酸化炭素吸収の影響がないという特徴があるが、強負荷特性で劣り、出力密度が低く、充電時は塩素ガスを発生するので使用に適さない。
【0031】
それに対しアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液の多くは、アルカリ性をしめすが、同濃度のアルカリ金属水酸化物と比較すると弱アルカリ性を示すものが多く、大気の二酸化炭素分圧(101Pa)では二酸化炭素による劣化は抑制される。
例えば、アルカリ金属リン酸塩の一つであるピロリン酸カリウムの水溶液が二酸化炭素と接している時の反応式は次の通りである。
【0032】
ピロリン酸カリウムは、比較的加水分解し難い塩であり、水中で徐々にリン酸水素二カリウム水溶液になる。
4 2 7 +H2 O→2K2 HPO4 ・・・・・・・・・・(7)
リン酸水素二カリウム水溶液は、大気の二酸化炭素分圧(101Pa)下で、二酸化炭素との反応に関する標準自由エネルギー変化ΔGが正となり、アルカリ炭酸塩の析出は起こらない。反応式は次の通りである。
【0033】
2K2 HPO4 +CO2 +H2 O←2KH2 PO4 +K2 CO3 ・・(8)
ただし、実際の水溶液中において、アルカリ金属リン酸塩およびアルカリ金属ホウ酸塩のイオン状態は複雑であり、式(7)および(8)は代表的な反応を簡略し示したものである。
ここで例に挙げたピロリン酸カリウムは、溶解度が大きく、最適な電解質塩の一つである。
【0034】
アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液としては、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内いずれかの水溶液、あるいはリン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内いずれかと水酸化カリウム水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムの混合水溶液を使用するのが適している。
【0035】
リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウムおよびホウ酸リチウムとしては以下のような塩が一般的に知られている。
ピロリン酸カリウム(K4 2 7 )、第三リン酸カリウム(K3 PO4 )、リン酸水素二カリウム(K2 HPO4 )、リン酸二水素カリウム(KH2 PO4 )、ピロリン酸ナトリウム(Na4 2 7 )、第三リン酸ナトリウム(Na3 PO4 )、リン酸水素二ナトリウム(Na2 HPO4 )、リン酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 )、第三リン酸リチウム(Li3 PO4 )、リン酸水素二リチウム(Li2 HPO4 )、リン酸二水素リチウム(LiH2 PO4 )、メタホウ酸カリウム(K2 2 4 )、四ホウ酸カリウム(K2 4 7 )、五ホウ酸カリウム(KB5 8 )、六ホウ酸カリウム(K2 6 10)、八ホウ酸カリウム(K2 8 13)、メタホウ酸ナトリウム(Na2 2 4 )、四ホウ酸ナトリウム(Na2 4 7 )、五ホウ酸ナトリウム(Na2 5 8 )、六ホウ酸ナトリウム(Na2 8 13)、メタホウ酸リチウム(Li2 2 4 )、四ホウ酸リチウム(Li2 4 7 )、五ホウ酸リチウム(LiB5 8 )、過ホウ酸リチウム(Li2 2 5 )などが挙げられるが、これら以外の塩の存在も示唆されている。
【0036】
上記の塩の中では、リン酸水素二カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二リチウムは、その水溶液が弱酸性を示し、本発明の空気二次電池には適さない。
またアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩の中でリン酸フランシウム、リン酸セシウム、リン酸ルビジウム、ホウ酸フランシウム、ホウ酸セシウム、ホウ酸ルビジウムは、一般的に高価であり、電池用の電解質塩として有用ではない。
【0037】
塩濃度は、少なくとも室温で塩が析出しない濃度を選択するが、溶解度が小さい塩を使用すると電解液のイオン伝導度が低いため大電流密度充電ができず、電池の用途が大幅に制限される。
この問題を解決するためには、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内のいずれかに、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムを適量混合した水溶液を使用する。これにより、イオン伝導度が改善され、さらに二酸化炭素吸収による劣化はアルカリ金属水酸化物を使用する場合よりも緩和され、高イオン伝導度を有する電解液とすることが可能である。
【0038】
一般的には、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムを全電解質塩の5〜50質量%とするが、塩の種類によってイオン伝導度、化学的安定性は異なるので、電池が最も良好な特性を示す塩の組み合わせおよび混合比率は任意に求める必要がある。
【0039】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の一形態である空気二次電池の構成図である。
この空気二次電池は、空気孔8を設けたステンレス製の正極容器4に、空気拡散用不織布5、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6、集電網7を設けた空気極9、セパレーター用セロハン10、負極2、負極容器1を重ね合わせ、正極容器4と負極容器1との間をガスケット3で封止した構成となっている。
【0040】
負極2には、結合水または吸蔵水を有する四三酸化鉄、二酸化ルテニウムあるいはII族金属/VIII族金属モル比が1/6〜1/12であるSr−Fe、Ca−FeまたはBa−Feのいずれかの組み合わせからなる金属酸化物を使用する。
四三酸化鉄または二酸化ルテニウムは通常、塩化鉄または塩化ルテニウム水溶液に少量の塩酸を添加した後、アンモニア溶液またはKOHなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を少しづつ添加し、得られた反応生成物をNo.5Bろ紙で濾別し、300℃以下で乾燥して調製する。
【0041】
一方、Sr−Fe、Ca−FeまたはBa−Fe系酸化物は、塩化鉄とともに塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化バリウムをSr/Feモル比、Ca/Feモル比およびBa/Feモル比が1/6〜1/12となる質量比で秤量した後、水に溶解し、場合によっては塩酸を少量添加し酸性水溶液とする。この水溶液にアンモニア溶液またはKOH水溶液などのアルカリ金属水酸化物溶液を少しづつ添加し、得られた反応生成物をNo.5Bろ紙で濾別し、400℃以下で乾燥して調製する。
【0042】
いずれの負極活物質も導電補助剤であるカーボンブラックなどを2〜15質量%混合、分散し、4.9×107 Pa以上で所定の形状にプレス成形した後、電解液に1h以上浸漬し、表面を十分濡らしておく。電解液は加圧含浸させても構わない。また形状を維持するために、ポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤を負極活物質に対して2〜10質量%使用することに関して何ら支障はないが、ポリテトラフルオロエチレンは親水処理したものの方が電解液との濡れ性が向上し、放電容量は増加する。また、ポリテトラフルオロエチレン使用量が10質量%を超えると負極活物質表面の一部が完全に被覆されるので放電容量は低下する。
【0043】
空気極9は、大鋸屑やフェノール樹脂などを原料として低酸素雰囲気で焼成することによって得られる炭素質を水蒸気または二酸化炭素導入下で、あるいは塩化亜鉛、水酸化カリウムなどと混合した後、500〜1000℃で賦活し調製された活性炭に白金、二酸化マンガンなどの触媒を担持した物が最適である。その粒径は100μm以下で、比表面積は200〜1000m2 /gが適当であるが、これに限るものではない。白金、二酸化マンガンなどの触媒は、塩化白金あるいは硫酸マンガンなどの塩類をあらかじめ活性炭に含浸させ、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガス気流中で加熱分解することによって担持する。
【0044】
触媒を担持した活性炭は、繊維状、球状、粒状のいずれにおいても結着剤としてポリテトラフルオロエチレンなどを質量比で5〜10%混合した後、150℃で圧延ロールし、100μmのシート状に加工する。結着剤は、アルカリ金属リン酸塩、アルカリ金属ホウ酸塩水溶液およびアルカリ金属水酸化物水溶液に対して耐食性があり、電気的に安定な材料である必要があるが、粒子を完全に覆ってしまうようなものは使用できない。また結着剤の混合比はシートの形状が維持される範囲でできるだけ小さくなるようにすることが必要である。
【0045】
シート状に加工した活性炭は、ニッケル、ステンレスなどの集電網7(目開き150μm)に4.9×107 Pa以上で圧着し空気極9とする。
この空気極9の集電網7側には多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6を密着させ、大気からのO2 取り込み量を制御しながら電解液の漏液防止も行う。さらに空気極9全体へO2 を均一に供給するため、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6の上にはポリプロピレン製の空気拡散用不織布5を重ね合わせる。
【0046】
電解液は、例えばピロリン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウムまたはピロリン酸リチウムの5〜50%水溶液あるいはピロリン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸リチウムの内いずれかと水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムとの組み合わせで5〜50%水溶液を使用する。塩濃度は、電池の特性改善を考慮して任意に変更する。ただし、あまり希薄な溶液はイオン伝導度が低下し、大電流密度充電を不可能にするので避けなければならない。
【0047】
なお、上記各構成部材は、電池性能を低下させない範囲で変更可能である。
【0048】
【実施例】
〔実施例1〕
負極2には、30%塩化第二鉄水溶液へ30%水酸化カリウム水溶液を添加することで得られる沈殿をNo.5Bろ紙で濾別し、洗浄後、300℃で10h乾燥することで得られた四三酸化鉄を使用した。四三酸化鉄:ポリテトラフルオロエチレン粉末:カーボンブラックが85:10:5の質量比となるように混合し、圧延した厚さ1mmのシートをφ18mmに切り出し、40%ピロリン酸カリウム水溶液に1h浸漬したものを負極2とした。
【0049】
空気極9には、ヤシガラを原料とした炭素質を水蒸気導入下、900℃で賦活した活性炭で、触媒として白金と二酸化マンガンを担持した物を使用した。触媒を担持した活性炭の平均粒径は90μmで、比表面積は1000m2 /gであった。この活性炭にポリテトラフルオロエチレンを質量比で5%混合した後、150℃で圧延ロールし、100μmの厚みでシート状に加工した。
【0050】
シート状に加工した活性炭をφ18mmに切断し、ステンレス製集電網7(目開き150μm)に4.9×107 Paで圧着し空気極9とした。この空気極9の集電網7側にはポリテトラフルオロエチレン膜6を密着させ、その上にポリプロピレン製の不織布を重ね合わせた。
電解液は、40%ピロリン酸カリウム水溶液を使用した。
【0051】
以上の負極2、空気極9、電解液を使用し、図1に示す通り、空気孔8を設けたステンレス製の正極容器4に、空気拡散用不織布5、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜6、集電網7を設けた空気極9、セパレーター用セロハン10、負極2、負極容器1の順で重ね合わせ、空気二次電池を構成した。
空気二次電池は、0〜1.45Vの範囲で充電電流10mA、放電電流1mAの充放電を繰り返し行い、サイクル安定性を調べた。
【0052】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、14mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例2〕
負極2には、30%塩化ルテニウム水溶液へ30%水酸化カリウム水溶液を添加することで得られる沈殿をNo.5Bろ紙で濾別し、洗浄後、300℃で10h乾燥することで得られた二酸化ルテニウム水和物を使用した。二酸化ルテニウム:ポリテトラフルオロエチレン粉末:カーボンブラックが85:10:5の質量比となるように混合し、圧延した厚さ1mmのシートをφ18mmに切り出し、40%ピロリン酸カリウム水溶液に1h浸漬したものを負極2とした。
【0053】
それ以外は実施例1と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、165mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例3〕
電解液に50%リン酸水素二カリウム水溶液を使用する以外、実施例2と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0054】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、110mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例4〕
電解液に20%四ホウ酸カリウム水溶液を使用する以外、実施例2と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0055】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、120mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例5〕
電解液に5%リン酸水素二リチウム水溶液を使用する以外、実施例2と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0056】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、100mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例6〕
電解液に20%四ホウ酸カリウムと10%水酸化カリウムの混合水溶液を使用する以外、実施例2と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0057】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、160mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の99%を維持していた。
〔実施例7〕
負極2には、Sr/Feモル比が1/10となるように塩化ストロンチウムおよび塩化第二鉄を配合した30%水溶液へ30%水酸化カリウム水溶液を添加することで得られる沈殿をNo.5Bろ紙で濾別し、洗浄後、400℃で10h乾燥することで得られた複合酸化物を使用した。複合酸化物:ポリテトラフルオロエチレン粉末:カーボンブラックが85:10:5の質量比となるように混合し、圧延した厚さ1mmのシートをφ18mmに切り出し、40%ピロリン酸カリウム水溶液に1h浸漬したものを負極2とした。
【0058】
それ以外は実施例1と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、50mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例8〕
負極2には、Ca/Feモル比が1/10となるように塩化カルシウムおよび塩化第二鉄を配合した30%水溶液へ30%水酸化カリウム水溶液を添加することで得られる沈殿をNo.5Bろ紙で濾別し、洗浄後、400℃で10h乾燥することで得られた複合酸化物を使用した以外、実施例7と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0059】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、40mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
〔実施例9〕
負極2には、Ba/Feモル比が1/10となるように塩化バリウムおよび塩化第二鉄を配合した30%水溶液へ30%水酸化カリウム水溶液を添加することで得られる沈殿をNo.5Bろ紙で濾別し、洗浄後、300℃で10h乾燥することで得られた複合酸化物を使用した以外、実施例7と同様に空気二次電池を構成し、同様にサイクル安定性を調べた。
【0060】
図2に放電容量のサイクル変化を示す。初回放電容量は、48mAh/cm3 で、50サイクル後の放電容量は初回放電容量の100%を維持していた。
【0061】
【発明の効果】
本発明によれば、電極固定式で、サイクル安定性に優れ、大電流密度充電が可能な高エネルギー密度空気二次電池を得ることができ、電気自動車のみならず補聴器用電源として環境に対してクリーンな電気エネルギーを供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態である空気電池の構成図である。
【図2】実施例1から実施例9における空気電池の放電容量のサイクル変化を示す図である。
【符号の説明】
1 負極容器
2 負極
3 ガスケット
4 正極容器
5 空気拡散用不織布
6 多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜
7 集電網
8 空気孔
9 空気極
10 セパレーター用セロハン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rechargeable air battery.
[0002]
[Prior art]
An air battery generally refers to a battery using oxygen in the air as a positive electrode active material and a metal as a negative electrode active material, and the air electrode for taking oxygen in the air into the battery has a catalytic action. A porous carbon material, a porous metal material, or a composite material of both is used. The negative electrode active material is zinc, iron or aluminum, and the electrolyte is about 30% potassium hydroxide aqueous solution, ammonium chloride solution or zinc chloride solution. Is the battery used. These are called an air-zinc battery, an air-iron battery, and an air-aluminum battery, respectively, depending on the difference in the negative electrode active material.
[0003]
The feature of the air battery is that it has a high energy density. Since an air battery uses oxygen in the air as a positive electrode active material, it is not necessary to fill the battery with a positive electrode active material. In a normal battery, the negative electrode active material is also used in the space used for filling the positive electrode active material. The reason is that the substance can be filled. In the discharge of the air battery, O 2 in the air dissolves in the electrolyte as OH − by the catalytic action of the air electrode and reacts with the negative electrode active material to generate an electromotive force.
[0004]
At present, the air batteries generally available on the market are only air-zinc batteries, but they are all coin-type primary batteries and are used for hearing aids and pagers.
In the 1970s, research into the use of air batteries as secondary batteries was made for the purpose of use as a power source for electric vehicles, but it did not come into practical use. The reason why it was difficult to make secondary batteries with air-zinc batteries was
(1) Zinc, which is a negative electrode active material, causes dendritic growth during charging, resulting in a short circuit.
(2) Poor charge / discharge efficiency
(3) The electrolyte solution deteriorates due to absorption of carbon dioxide in the atmosphere.
(4) This is because there were many problems to be solved, such as the carbon material used for the air electrode being oxidized during charging.
[0005]
In order to prevent zinc dendrite of the negative electrode, an electrode exchange type secondary battery called mechanical charging in which the zinc electrode is exchanged for a new one after the discharge has been developed. Furthermore, a method of circulating zinc powder together with an electrolytic solution, reducing discharge products such as zinc hydroxide and zinc oxide outside, and returning them to the inside of the battery has been studied.
On the other hand, no effective improvement method has been developed for the deterioration of the electrolytic solution due to carbon dioxide absorption.
[0006]
Furthermore, a technique called a three-electrode system has been developed for preventing oxidation consumption of the air electrode. This is a method in which the energization circuit is automatically switched so that a porous carbon material is used for discharging and a non-oxidizing porous metal material is used for charging.
In addition, methods have been developed to add substances that reduce oxygen overvoltage such as WC and Co to the air electrode, or to add an oxidation-resistant catalyst such as La 0.5 Sr 0.5 CoO 3. It is not a solution that aims to use a fixed type secondary battery.
[0007]
A secondary battery of air-iron battery and air-aluminum battery was also prototyped, but has not been put into practical use for the reason described below.
The air-iron battery does not have the problem of dendrite generation like zinc and has a high energy density, but has a short life and requires regular replacement of the electrolyte.
Since an air-aluminum battery cannot be charged with an aqueous electrolyte, it is basically difficult to make a secondary battery other than mechanical charging.
[0008]
Recently, an air battery that can be charged by using chemically stable activated carbon, carbon nanotubes, or graphite nanofibers as a negative electrode active material has been proposed in JP 2001-313093. Therefore, sufficient energy density cannot be secured as a power source for electric vehicles and hearing aids. Further, since an alkali metal hydroxide aqueous solution is used as the electrolytic solution, there is a disadvantage that long-term cycle stability cannot be obtained due to deterioration due to absorption of carbon dioxide in the atmosphere.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, clean electric energy has been demanded in consideration of the environment. However, it is very preferable not only for an electric vehicle but also for a hearing aid power source that an air battery is used as a secondary battery with a fixed electrode. However, the energy density of the air secondary battery is low, and the electrolytic solution gradually reduces ionic conductivity by absorbing carbon dioxide in the atmosphere. Finally, the voltage drop during charging and discharging increases due to the increase in internal resistance. An air battery exhibiting a practical level of cycle stability has not yet been completed.
[0010]
The present invention provides a high energy density air secondary battery that solves the above-described problems in making a secondary battery of an air battery, is electrode fixed, has excellent cycle stability, and can be charged with a large current density. For the purpose.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The air secondary battery of the present invention includes a group VIII metal oxide having oxygen in the air as a positive electrode active material, combined water or occluded water as a negative electrode active material, or a composite oxide composed of a combination of a group II metal and a group VIII metal, The said subject is solved by using alkaline aqueous solution for electrolyte solution.
[0012]
In the discharge of a conventional air battery, O 2 in the atmosphere is reduced to OH at the air electrode, and OH reacts with the metal of the negative electrode in the electrolytic solution to become a metal hydroxide.
The reaction formula in the air electrode and the negative electrode at this time is as follows.
Air electrode:
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (1)
Negative pole:
2M + 4OH → 2M (OH) 2 + 4e (2)
(M is assumed to be a divalent metal)
With respect to the above reaction formula, placing the viewpoint to the negative electrode, H + is generated when the negative electrode metal is oxidized with water, H + is OH generated in the air electrode - can be considered to be depolarized reacted with .
[0013]
That is, the reaction formula is as follows.
Air electrode:
O 2 + 2H 2 O + 4H + + 4e → 4OH + 4H + → 4H 2 O (3)
Negative pole:
2M + 4H 2 O → 2M (OH) 2 + 4H + + 4e (4)
(M is assumed to be a divalent metal)
Therefore, in order to convert the air battery into a secondary battery, the negative electrode active material is optimally a material that has H + occlusion or adsorption and does not cause a chemical reaction with an alkaline aqueous solution.
[0014]
The material satisfying these conditions is a group VIII metal oxide having bound water or occluded water or a composite oxide composed of a combination of a group II metal and a group VIII metal, and includes iron tetroxide, ruthenium dioxide, or a group II metal. As a composite oxide comprising a combination of Group VIII metals, a metal comprising any combination of Sr—Fe, Ca—Fe or Ba—Fe having a Group II metal / Group VIII metal molar ratio of 1/6 to 1/12 An oxide is optimal. Since the reaction area with H + increases as the specific surface area increases, it is suitable for large current density charging.
[0015]
The air secondary battery of the present invention basically comprises an air electrode having a catalytic action for the redox reaction of O 2 , a group VIII metal oxide having combined water or occluded water, or a combination of a group II metal and a group VIII metal. After comprising the negative electrode using the composite oxide, the separator separating the air electrode and the negative electrode, and the electrolyte prepared with an alkaline aqueous solution, the battery is first charged.
[0016]
In charging, H + produced by the decomposition of water is formed on the surface layer or inside of a group VIII metal oxide having negatively polarized bound water or occluded water or a composite oxide crystal composed of a combination of a group II metal and a group VIII metal. Adsorbs or intercalates. At this time, O 2 is generated from the air electrode and released into the atmosphere.
On the other hand, in discharge, H + is separated or deintercalated from the surface layer or inside of the oxide crystal, and reacts with OH generated at the air electrode to generate water.
[0017]
The reaction formula is as follows when ruthenium dioxide is taken as an example.
Air electrode:
δ / 4O 2 + δ / 2H 2 O + δe ⇔δOH (5)
Negative pole:
RuO X- δ (OH) Y + δ ⇔RuO X (OH) Y + δH + + δe - ·· (6)
(Generally X≈2)
From the reaction formulas (5) and (6), this reaction can be regarded as a decomposition and formation reaction of water using an oxide as a hydrogen storage medium.
[0018]
The group VIII metal oxide, iron trioxide, has a reverse spinel structure and high electronic conductivity, and ruthenium dioxide has a rutile structure but has very high electronic conductivity. When iron trioxide and ruthenium dioxide are charged in an alkaline electrolyte, H + is adsorbed or intercalated on the surface layer or inside of these oxide crystals in the form of oxonium ions (H 3 O + ). At this time, triiron tetroxide and ruthenium dioxide change from weakly alkaline to weakly acidic. However, since triiron tetroxide is stable in the range of pH 9 to pH14 and ruthenium dioxide is stable in the range of pH1 to pH14, Dissolution is suppressed.
[0019]
In order to increase the energy density, it is necessary to increase the amount of H + adsorbed or intercalated. For this reason, it is important that the oxide crystal has high H + conductivity. Since ruthenium dioxide has bound water and occluded water, oxonium ions are easily formed in the crystal, and H + conductivity can be improved.
[0020]
These oxides are preferably prepared by a wet method in which a metal hydrochloric acid solution, a nitric acid solution or a sulfuric acid solution is reacted with an alkaline aqueous solution, and the heating and drying temperature of the reaction product is preferably 300 ° C. or less.
The X-ray diffraction patterns of triiron tetroxide and ruthenium dioxide obtained in this way have a wide peak half-value width, indicating that bound water or occluded water is present in the oxide crystal.
[0021]
There is osmium dioxide as a group VIII metal oxide, but it can be applied to a negative electrode active material because of its relatively high electronic conductivity and large H + adsorptivity. However, it is a resource-poor metal with a large atomic weight. Therefore, the utility value is poor from the viewpoint of weight reduction and cost reduction of the battery.
On the other hand, as a complex oxide composed of a combination of a Group II metal and a Group VIII metal, the Sr—Fe, Ca—Fe or Ba—Fe based oxide has a Group II metal / Group VIII metal molar ratio of 1/6 to 1 / In the range of 12, the crystal structure approximates that of iron trioxide, and more H + can be adsorbed or intercalated than iron trioxide.
[0022]
It is considered that the distortion of the crystal lattice due to the addition of the group II metal contributes to an increase in the amount of intercalation of H + . The X-ray diffraction patterns of these composite oxides are also patterns similar to iron trioxide having a wide peak half width.
When the molar ratio of the Group II metal to the Group VIII metal is greater than 1/6, nickel hydroxide, strontium hydroxide, calcium hydroxide, and barium hydroxide precipitate as the second phase, and the amount of H + adsorbed or intercalated Reduce the amount.
[0023]
On the other hand, if it is smaller than 1/12, it becomes a substance equivalent to iron trioxide, and no superiority appears in the amount of H + adsorbed or intercalated.
For the group VIII metal Fe, there are combinations of Be, Mg, and Re, but the ionic radii of Be and Mg are too small, 0.41 and 0.86, so that they have a crystal structure similar to that of iron trioxide. It ’s hard. Re is a radioactive substance and is not suitable for use.
[0024]
When Ru or Os is used in place of Fe of the Group VIII metal, ruthenium dioxide and osmium dioxide itself are substances exhibiting high electronic conductivity and H + storage, and the complexation with the Group II metal is H + It is considered that the effect of increasing the energy density is small because the crystal structure is changed so as to suppress adsorption or intercalation.
[0025]
As a method for preparing a composite oxide composed of a Group II metal and a Group VIII metal, a hydrochloric acid solution, a nitric acid solution or a sulfuric acid solution of various metals in accordance with a predetermined composition ratio, as in the preparation method of iron trioxide and ruthenium dioxide. The precipitated product obtained by the reaction between the aqueous solution and the alkaline aqueous solution is dried at 400 ° C. or lower. However, there is no limitation to this method as long as there is another method that does not allow the bound water or the occluded water to be removed.
[0026]
H + adsorption, desorption or intercalation, deintercalation on the oxide is performed by electrochemical redox reaction, but the reaction rate is extremely fast, following the electric double layer reaction used in capacitors. This is called a pseudo double layer reaction. Therefore, high current density charging is possible, and an air secondary battery having high cycle stability can be manufactured.
[0027]
The air electrode is made of an oxidation-resistant material that is not oxidized and consumed by active O 2 generated during charging, and has an electrode structure with high gas permeability that can quickly release O 2 into the atmosphere. By providing oxidation resistance and high gas permeability, the internal resistance during high current density charging can be reduced.
An electrode material suitable for this condition is carbon carrying a catalyst. The four-electron reduction represented by the reaction formula (1) proceeds at a high rate with the catalyst supported on the carbon, and the oxidative consumption of the carbon can be suppressed. On the other hand, in order to enable high gas permeability, it is necessary to have a porous structure, and water repellency must be imparted in order to prevent leakage of the electrolyte.
[0028]
As an example of the air electrode, there is a sheet in which platinum-supported activated carbon particles are bound with polytetrafluoroethylene. The sheet is held by being pressed against a metal net having excellent acid resistance such as stainless steel.
As a catalyst, in addition to platinum, silver, manganese dioxide, nickel-cobalt composite oxide, phthalocyanine compound, WC, Co, FeWO 4 , NiS, Co (OH) 2 , La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 , Pr 0.2 Ca 0.8 Mn 0.1 Fe 0.9 O 3 , La 0.8 Rb 0.2 MnO 3 and the like are known, and these can be used alone or in combination, but are not limited thereto.
[0029]
As carbon, carbon black or the like is suitable in addition to activated carbon. However, carbon black has different properties depending on the production method. For example, acetylene black having strong hydrophobicity may be used for the gas supply portion of the air electrode, and carbon black having weak hydrophobicity may be used for the redox reaction portion. If a conductive oxide is used instead of carbon, oxidation consumption can be prevented, but it is difficult to obtain a large specific surface area, and the battery performance is lowered because the specific resistance is larger than that of carbon. Examples of the conductive oxide include SnO 2 , Fe 3 O 4 , RuO 2 , MoO 2 , and LaNiO 3 .
[0030]
An alkaline aqueous solution is used as the electrolytic solution. By using the alkaline aqueous solution, OH in the electrolytic solution is increased, and the redox reaction of the air electrode is rapidly performed. As the alkaline aqueous solution, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide is generally used. A conventional potassium hydroxide aqueous solution with high ion conductivity is used for the electrolyte of the air battery, and it can be applied to the air battery of the present invention. Therefore, the electrolyte solution absorbs oxygen dioxide in the atmosphere and deteriorates. Weakly acidic electrolytes such as ammonium chloride and zinc chloride other than aqueous potassium hydroxide are not affected by carbon dioxide absorption, but they are inferior in heavy load characteristics, have low output density, and generate chlorine gas during charging. Not suitable for use.
[0031]
In contrast, many aqueous solutions based on alkali metal phosphates or alkali metal borates show alkalinity, but many of them show weak alkalinity compared to alkali metal hydroxides of the same concentration. With carbon partial pressure (101 Pa), deterioration due to carbon dioxide is suppressed.
For example, the reaction formula when an aqueous solution of potassium pyrophosphate, which is one of alkali metal phosphates, is in contact with carbon dioxide is as follows.
[0032]
Potassium pyrophosphate is a salt that is relatively difficult to hydrolyze, and gradually becomes a dipotassium hydrogen phosphate aqueous solution in water.
K 4 P 2 O 7 + H 2 O → 2K 2 HPO 4 (7)
In the dipotassium hydrogen phosphate aqueous solution, the standard free energy change ΔG related to the reaction with carbon dioxide is positive under the atmospheric partial pressure of carbon dioxide (101 Pa), and precipitation of alkali carbonate does not occur. The reaction formula is as follows.
[0033]
2K 2 HPO 4 + CO 2 + H 2 O ← 2KH 2 PO 4 + K 2 CO 3 .. (8)
However, in an actual aqueous solution, the ionic state of the alkali metal phosphate and the alkali metal borate is complicated, and formulas (7) and (8) simply show representative reactions.
The potassium pyrophosphate exemplified here is one of the most suitable electrolyte salts because of its high solubility.
[0034]
As an aqueous solution mainly composed of alkali metal phosphate or alkali metal borate, any one of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate, Alternatively, it is suitable to use a mixed aqueous solution of any one of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate and potassium hydroxide sodium hydroxide or lithium hydroxide.
[0035]
The following salts are generally known as potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate and lithium borate.
Potassium pyrophosphate (K 4 P 2 O 7 ), tribasic potassium phosphate (K 3 PO 4 ), dipotassium hydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), pyrophosphate Sodium (Na 4 P 2 O 7 ), tribasic sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), disodium hydrogen phosphate (Na 2 HPO 4 ), sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ), tertiary phosphate Lithium (Li 3 PO 4 ), dilithium hydrogen phosphate (Li 2 HPO 4 ), lithium dihydrogen phosphate (LiH 2 PO 4 ), potassium metaborate (K 2 B 2 O 4 ), potassium tetraborate (K 2 B 4 O 7 ), potassium pentaborate (KB 5 O 8 ), potassium hexaborate (K 2 B 6 O 10 ), potassium octaborate (K 2 B 8 O 13 ), sodium metaborate (Na 2) B 2 O 4), sodium tetraborate (Na 2 B 4 7), sodium pentaborate (Na 2 B 5 O 8) , sodium hexaborate acid (Na 2 B 8 O 13) , lithium metaborate (Li 2 B 2 O 4) , lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ), lithium pentaborate (LiB 5 O 8 ), lithium perborate (Li 2 B 2 O 5 ), and the like, and the presence of other salts are also suggested.
[0036]
Among the above-mentioned salts, dipotassium hydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, and dilithium hydrogen phosphate are not suitable for the air secondary battery of the present invention because their aqueous solutions exhibit weak acidity.
Among alkali metal phosphates or alkali metal borates, francium phosphate, cesium phosphate, rubidium phosphate, francium borate, cesium borate, and rubidium borate are generally expensive and are used for batteries. It is not useful as an electrolyte salt.
[0037]
The salt concentration is selected so that the salt does not precipitate at least at room temperature. However, if a salt with low solubility is used, the ionic conductivity of the electrolyte is low, so high current density charging cannot be performed, and the use of the battery is greatly limited. .
In order to solve this problem, any one of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, lithium borate, potassium hydroxide, sodium hydroxide or lithium hydroxide An aqueous solution in which an appropriate amount is mixed is used. Thereby, the ionic conductivity is improved, and further, deterioration due to carbon dioxide absorption is mitigated as compared with the case of using an alkali metal hydroxide, and an electrolytic solution having a high ionic conductivity can be obtained.
[0038]
Generally, potassium hydroxide, sodium hydroxide, or lithium hydroxide is 5 to 50% by mass of the total electrolyte salt, but the ion conductivity and chemical stability differ depending on the type of salt, so the battery is the best. It is necessary to arbitrarily determine the combination and mixing ratio of salts exhibiting excellent characteristics.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of an air secondary battery according to an embodiment of the present invention.
This air secondary battery includes a stainless steel positive electrode container 4 provided with air holes 8, an air diffusion nonwoven fabric 5, a porous polytetrafluoroethylene film 6, an air electrode 9 provided with a current collector network 7, and a separator cellophane 10. The negative electrode 2 and the negative electrode container 1 are superposed, and the gap between the positive electrode container 4 and the negative electrode container 1 is sealed with a gasket 3.
[0040]
The negative electrode 2 includes Sr—Fe, Ca—Fe, or Ba—Fe having a bound water or occluded water of triiron tetroxide, ruthenium dioxide, or a group II metal / group VIII metal molar ratio of 1/6 to 1/12. The metal oxide which consists of any combination of these is used.
For triiron tetroxide or ruthenium dioxide, a small amount of hydrochloric acid is usually added to an iron chloride or ruthenium chloride aqueous solution, and then an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as ammonia solution or KOH is added little by little. No. Prepare by filtering with 5B filter paper and drying at 300 ° C. or lower.
[0041]
On the other hand, Sr—Fe, Ca—Fe or Ba—Fe based oxides are composed of iron chloride and strontium chloride, calcium chloride, and barium chloride with a Sr / Fe molar ratio, a Ca / Fe molar ratio, and a Ba / Fe molar ratio of 1 / After weighing at a mass ratio of 6 to 1/12, it is dissolved in water, and in some cases, a small amount of hydrochloric acid is added to make an acidic aqueous solution. To this aqueous solution, an alkali metal hydroxide solution such as an ammonia solution or an aqueous KOH solution was added little by little. Prepare by filtering with 5B filter paper and drying at 400 ° C or lower.
[0042]
Each negative electrode active material was mixed and dispersed with 2 to 15% by mass of carbon black or the like as a conductive auxiliary agent, pressed into a predetermined shape at 4.9 × 10 7 Pa or higher, and then immersed in an electrolyte for 1 hour or longer. Keep the surface wet enough. The electrolytic solution may be impregnated under pressure. In order to maintain the shape, there is no problem with using 2 to 10% by mass of a binder such as polytetrafluoroethylene with respect to the negative electrode active material, but polytetrafluoroethylene is more hydrophilic. The wettability with the electrolyte is improved and the discharge capacity is increased. On the other hand, if the amount of polytetrafluoroethylene used exceeds 10% by mass, a part of the surface of the negative electrode active material is completely covered, so that the discharge capacity decreases.
[0043]
The air electrode 9 has a carbonaceous material obtained by firing in a low-oxygen atmosphere using large sawdust, phenol resin, or the like as a raw material, or after mixing with steam or carbon dioxide, or after mixing with zinc chloride, potassium hydroxide, or the like. A product obtained by supporting a catalyst such as platinum or manganese dioxide on activated carbon activated and prepared at ℃ is optimal. The particle size is suitably 100 μm or less and the specific surface area is suitably 200 to 1000 m 2 / g, but is not limited thereto. A catalyst such as platinum or manganese dioxide is supported by impregnating activated carbon with a salt such as platinum chloride or manganese sulfate in advance and thermally decomposing it in an inert gas stream such as nitrogen or argon.
[0044]
Activated carbon carrying the catalyst is mixed in a mass ratio of 5-10% polytetrafluoroethylene or the like as a binder in any of fibrous, spherical, and granular forms, and then rolled at 150 ° C. to form a 100 μm sheet. Process. The binder must be an electrically stable material that is corrosion resistant to alkali metal phosphate, alkali metal borate aqueous solution and alkali metal hydroxide aqueous solution, but completely covers the particles. Things that end up cannot be used. Further, the mixing ratio of the binder needs to be as small as possible within the range in which the shape of the sheet is maintained.
[0045]
The activated carbon processed into a sheet shape is pressure-bonded to a current collector network 7 (mesh 150 μm) such as nickel or stainless steel at 4.9 × 10 7 Pa or more to form an air electrode 9.
A porous polytetrafluoroethylene film 6 is brought into close contact with the current collector 7 side of the air electrode 9 to prevent leakage of the electrolyte while controlling the amount of O 2 taken up from the atmosphere. Further, in order to uniformly supply O 2 to the entire air electrode 9, an air diffusion nonwoven fabric 5 made of polypropylene is overlaid on the porous polytetrafluoroethylene film 6.
[0046]
The electrolyte is, for example, potassium pyrophosphate, sodium pyrophosphate or lithium pyrophosphate 5-50% aqueous solution or potassium pyrophosphate, sodium pyrophosphate, lithium pyrophosphate and potassium hydroxide, sodium hydroxide or lithium hydroxide. A 5 to 50% aqueous solution is used in combination. The salt concentration is arbitrarily changed in consideration of improvement in battery characteristics. However, too dilute solutions must be avoided because they reduce ionic conductivity and make high current density charging impossible.
[0047]
In addition, each said structural member can be changed in the range which does not reduce battery performance.
[0048]
【Example】
[Example 1]
In the negative electrode 2, the precipitate obtained by adding a 30% aqueous potassium hydroxide solution to a 30% ferric chloride aqueous solution was subjected to precipitation. The iron trioxide obtained by filtering off with 5B filter paper, washing, and drying at 300 ° C. for 10 hours was used. Iron trioxide: polytetrafluoroethylene powder: carbon black mixed at a mass ratio of 85: 10: 5, rolled 1 mm thick sheet was cut into φ18 mm, and immersed in 40% potassium pyrophosphate aqueous solution for 1 h This was used as negative electrode 2.
[0049]
The air electrode 9 was made of activated carbon activated at 900 ° C. under the introduction of water vapor with coconut shell as a raw material and carrying platinum and manganese dioxide as catalysts. The activated carbon carrying the catalyst had an average particle size of 90 μm and a specific surface area of 1000 m 2 / g. After 5% polytetrafluoroethylene was mixed with this activated carbon by mass ratio, it was rolled at 150 ° C. and processed into a sheet shape with a thickness of 100 μm.
[0050]
The activated carbon processed into a sheet shape was cut to φ18 mm, and pressed onto a stainless steel current collector 7 (mesh 150 μm) at 4.9 × 10 7 Pa to form an air electrode 9. A polytetrafluoroethylene film 6 was brought into close contact with the current collector 7 side of the air electrode 9, and a non-woven fabric made of polypropylene was overlaid thereon.
As the electrolytic solution, a 40% potassium pyrophosphate aqueous solution was used.
[0051]
Using the negative electrode 2, the air electrode 9, and the electrolytic solution described above, as shown in FIG. 1, a stainless steel positive electrode container 4 provided with air holes 8, an air diffusion nonwoven fabric 5, a porous polytetrafluoroethylene film 6, The air electrode 9 provided with the current collection network 7, the separator cellophane 10, the negative electrode 2, and the negative electrode container 1 were stacked in this order to constitute an air secondary battery.
The air secondary battery was repeatedly charged and discharged at a charging current of 10 mA and a discharging current of 1 mA in the range of 0 to 1.45 V, and the cycle stability was examined.
[0052]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 14 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[Example 2]
In the negative electrode 2, a precipitate obtained by adding a 30% aqueous potassium hydroxide solution to a 30% aqueous ruthenium chloride solution was obtained as No. 2. The ruthenium dioxide hydrate obtained by filtering off with 5B filter paper, washing, and drying at 300 ° C. for 10 hours was used. A ruthenium dioxide: polytetrafluoroethylene powder: carbon black mixed at a mass ratio of 85: 10: 5, rolled into a 1 mm thick sheet, cut into φ18 mm, and immersed in 40% potassium pyrophosphate aqueous solution for 1 hour Was the negative electrode 2.
[0053]
Otherwise, an air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1, and the cycle stability was similarly examined.
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 165 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 3
An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 2 except that a 50% aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was similarly examined.
[0054]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 110 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 4
An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 2 except that a 20% potassium tetraborate aqueous solution was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was similarly examined.
[0055]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 120 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 5
An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 2 except that a 5% dilithium hydrogen phosphate aqueous solution was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was similarly examined.
[0056]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 100 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 6
An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 2 except that a mixed aqueous solution of 20% potassium tetraborate and 10% potassium hydroxide was used as the electrolytic solution, and the cycle stability was similarly examined.
[0057]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 160 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 99% of the initial discharge capacity.
Example 7
In the negative electrode 2, the precipitate obtained by adding a 30% aqueous potassium hydroxide solution to a 30% aqueous solution containing strontium chloride and ferric chloride so that the Sr / Fe molar ratio was 1/10 was obtained as No. 2. The composite oxide obtained by filtering off with 5B filter paper, washing, and drying at 400 ° C. for 10 hours was used. Mixed oxide: polytetrafluoroethylene powder: carbon black was mixed so as to have a mass ratio of 85: 10: 5, and a rolled 1 mm thick sheet was cut into φ18 mm and immersed in 40% potassium pyrophosphate aqueous solution for 1 h. This was used as negative electrode 2.
[0058]
Otherwise, an air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1, and the cycle stability was similarly examined.
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 50 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 8
In the negative electrode 2, the precipitate obtained by adding a 30% aqueous potassium hydroxide solution to a 30% aqueous solution containing calcium chloride and ferric chloride so that the Ca / Fe molar ratio becomes 1/10 is obtained as No. 2. An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 7 except that the composite oxide obtained by filtering with 5B filter paper, washing and drying at 400 ° C. for 10 hours was used, and cycle stability was similarly examined. It was.
[0059]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 40 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
Example 9
In the negative electrode 2, a precipitate obtained by adding a 30% aqueous potassium hydroxide solution to a 30% aqueous solution containing barium chloride and ferric chloride so that the Ba / Fe molar ratio becomes 1/10 is obtained as No. 2. An air secondary battery was constructed in the same manner as in Example 7 except that the composite oxide obtained by filtering with 5B filter paper, washing, and drying at 300 ° C. for 10 hours was used, and cycle stability was similarly examined. It was.
[0060]
FIG. 2 shows the cycle change of the discharge capacity. The initial discharge capacity was 48 mAh / cm 3 , and the discharge capacity after 50 cycles maintained 100% of the initial discharge capacity.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a high energy density air secondary battery having a fixed electrode type, excellent cycle stability and capable of being charged with a large current density, and not only as an electric vehicle but also as a power supply for a hearing aid to the environment. It becomes possible to supply clean electric energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an air battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cycle change of the discharge capacity of the air battery in Example 1 to Example 9.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode container 2 Negative electrode 3 Gasket 4 Positive electrode container 5 Non-woven fabric for air diffusion 6 Porous polytetrafluoroethylene film 7 Current collection network 8 Air hole 9 Air electrode 10 Cellophane for separator

Claims (5)

正極活物質として空気中の酸素を使用し、負極活物質として結合水または吸蔵水を有する四三酸化鉄または二酸化ルテニウムを使用し、電解液にアルカリ性水溶液を使用することを特徴とする空気二次電池。An air secondary characterized in that oxygen in the air is used as the positive electrode active material, iron tetroxide or ruthenium dioxide having bound water or occluded water is used as the negative electrode active material, and an alkaline aqueous solution is used as the electrolyte. battery. 正極活物質として空気中の酸素を使用し、負極活物質として、結合水または吸蔵水を有する、Sr−Fe複合酸化物、Ca−Fe複合酸化物、またはBa−Fe複合酸化物であって、Sr/Feモル比、Ca/Feモル比、およびBa/Feモル比が1/6〜1/12である複合酸化物を使用し、電解液にアルカリ性水溶液を使用することを特徴とする空気二次電池。 Sr—Fe composite oxide, Ca—Fe composite oxide, or Ba—Fe composite oxide having oxygen in the air as the positive electrode active material and having bound water or occluded water as the negative electrode active material, A composite oxide having a Sr / Fe molar ratio, a Ca / Fe molar ratio, and a Ba / Fe molar ratio of 1/6 to 1/12 is used, and an alkaline aqueous solution is used as an electrolytic solution. Next battery. アルカリ性水溶液として、リン酸水素二カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二リチウムを除くアルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液を使用することを特徴とする請求項1または2記載の空気二次電池。 The alkaline aqueous solution is an aqueous solution mainly containing an alkali metal phosphate or alkali metal borate excluding dipotassium hydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, and dilithium hydrogen phosphate. The air secondary battery according to 1 or 2 . アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液として、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムのいずれかの水溶液を使用することを特徴とする請求項3記載の空気二次電池。Use an aqueous solution of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, or lithium borate as an aqueous solution mainly composed of alkali metal phosphate or alkali metal borate. The air secondary battery according to claim 3 . アルカリ金属リン酸塩またはアルカリ金属ホウ酸塩を主成分とする水溶液として、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸リチウムの内のいずれかと、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化リチウムとの混合水溶液を使用することを特徴とする請求項記載の空気電池。As an aqueous solution containing an alkali metal phosphate or alkali metal borate as a main component, one of potassium phosphate, sodium phosphate, lithium phosphate, potassium borate, sodium borate, and lithium borate , and hydroxylated 4. The air battery according to claim 3 , wherein a mixed aqueous solution of potassium, sodium hydroxide or lithium hydroxide is used.
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