JP4309311B2 - Aluminum battery - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウムを負極活物質として使用する電池に関するものである。   The present invention relates to a battery using aluminum as a negative electrode active material.

現在、携帯機器にはマンガン電池やアルカリ電池などが広く利用されている。しかしながら、これらの電池は、負極活物質が亜鉛であるために作動電圧が1.5V、1.2Vと低く、携帯機器の発達に伴う高電圧化への要望に答えられない。また、持続時間や重さに関しても、より長時間の使用が可能で、かつ軽い電池が要望されている。   Currently, manganese batteries and alkaline batteries are widely used for portable devices. However, since these batteries have zinc as the negative electrode active material, the operating voltage is as low as 1.5 V and 1.2 V, and cannot meet the demand for higher voltage accompanying the development of portable devices. In addition, regarding the duration and weight, there is a demand for a light battery that can be used for a longer time and is light.

一方、負極活物質にアルミニウムを使用する電池は、亜鉛負極を備える電池に比べて高電圧、高容量、軽量化が期待できるものの、負極活物質と電解液とが反応してガスが発生し、自己放電量が大きいという問題点がある。   On the other hand, a battery using aluminum as a negative electrode active material can be expected to have a higher voltage, higher capacity, and lighter weight than a battery having a zinc negative electrode, but the negative electrode active material and the electrolyte react to generate gas, There is a problem that the self-discharge amount is large.

特許文献1には、Mn,Cr,Sn,Ca,Mg,Pb,Si,In及びZnよりなる群から選択される少なくとも1種類の遷移金属元素を含有するアルミニウム合金を負極活物質に使用すると、負極の腐食が抑制されて自己放電が抑えられるとの記載がある。また、特許文献1では、電解液中に添加するハロゲンイオンとして塩素イオンを使用することが高容量を得るために望ましいと記載されている。   In Patent Document 1, when an aluminum alloy containing at least one transition metal element selected from the group consisting of Mn, Cr, Sn, Ca, Mg, Pb, Si, In, and Zn is used as the negative electrode active material, There is a description that corrosion of the negative electrode is suppressed and self-discharge is suppressed. In Patent Document 1, it is described that it is desirable to use chlorine ions as halogen ions added to the electrolytic solution in order to obtain a high capacity.

しかしながら、塩素イオンを含む電解液は、上記アルミニウム合金を含む負極表面に生成したアルミニウムの酸化物皮膜と反応してこの酸化皮膜の水溶性を上げるため、負極表面の酸化皮膜が電解液中に溶解しやすく、酸化皮膜で覆われていない剥き出しの領域が放電の進行に伴って大きく成長するため、負極中のアルミニウム成分と電解液中の水との反応量が多くなって放電中のガス発生量が増加し、長時間の放電に耐えられないという問題点がある。
特開2001−319662号公報
However, the electrolytic solution containing chlorine ions reacts with the aluminum oxide film formed on the surface of the negative electrode containing the above aluminum alloy to increase the water solubility of the oxide film, so that the oxide film on the negative electrode surface dissolves in the electrolytic solution. The exposed area that is not covered with the oxide film grows greatly as the discharge progresses, so the amount of reaction between the aluminum component in the negative electrode and the water in the electrolyte increases, and the amount of gas generated during discharge There is a problem that it cannot withstand long-time discharge.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-319662

本発明は、放電持続時間が改善されたアルミニウム電池を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide an aluminum battery with improved discharge duration.

本発明に係るアルミニウム電池は、正極と、
アルミニウム及びアルミニウム合金のうち少なくとも一方と、前記アルミニウム及び前記アルミニウム合金に均質に分散され、Al,Mg,Zn,Mn,Sn及びInよりなる群から選択される少なくとも2種類の元素からなる金属間化合物を0.001重量%以上、30重量%以下とを含有する負極活物質を含む負極と、
沃素成分を含有する電解液と
を具備することを特徴とするものである。
An aluminum battery according to the present invention comprises a positive electrode,
An intermetallic compound comprising at least one of aluminum and an aluminum alloy and at least two elements selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Mn, Sn, and In, which are homogeneously dispersed in the aluminum and the aluminum alloy A negative electrode containing a negative electrode active material containing 0.001 wt% or more and 30 wt% or less,
And an electrolytic solution containing an iodine component.

本発明によれば、放電持続時間の長いアルミニウム電池を提供することができる。   According to the present invention, an aluminum battery having a long discharge duration can be provided.

本発明者らは鋭意研究の結果、Al,Mg,Zn,Mn,Sn及びInよりなる群から選択される少なくとも2種類の元素からなる金属間化合物を0.001〜30重量%とアルミニウム合金及びアルミニウムのうち少なくとも一方とを含有する負極活物質と、沃素成分を含有する電解液とを備えた際に、放電中のガス発生量が低減され、放電持続時間が長くなることを見出したのである。これは、沃素イオンのような沃素成分は特にI-イオン、I3 -イオンの酸化還元能をもつこと、またアルミニウムの水酸化物、酸化物などとの反応生成物の電解液に対する溶解度が低いためと考えられる。特に、酸化還元能を持つことにより、負極表面に生成した酸化皮膜の欠陥をほどほどに保つ効果を得ることができる。具体的には、以下に説明するメカニズムにより放電中のガス発生が抑えられていると考えられる。 As a result of intensive studies, the inventors have found that 0.001 to 30% by weight of an intermetallic compound composed of at least two elements selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Mn, Sn and In, an aluminum alloy and It was found that when a negative electrode active material containing at least one of aluminum and an electrolytic solution containing an iodine component were provided, the amount of gas generated during discharge was reduced and the discharge duration was increased. . This is because iodine components such as iodine ions have redox ability of I ions and I 3 ions, and the solubility of the reaction products with aluminum hydroxide and oxide in the electrolyte is low. This is probably because of this. In particular, by having the redox ability, it is possible to obtain an effect of moderately retaining defects in the oxide film formed on the negative electrode surface. Specifically, it is considered that gas generation during discharge is suppressed by the mechanism described below.

前述した金属間化合物と、アルミニウム合金及びアルミニウムのうち少なくとも一方とを含む負極の表面には、アルミニウム酸化物(例えばAl23)の皮膜が形成されているが、この皮膜が電解液中の沃素イオンと反応することにより、皮膜の水への溶解性を高めることができる。改質された保護皮膜の水溶性は、塩素イオン由来のものに比べて低いため、負極表面からの剥離を、塩素イオンを使用する場合に比べて少なくすることができる。また、沃素イオンの酸化還元能により、負極表面に酸化皮膜を再生することができる。これらの結果、負極表面に生成した酸化皮膜の欠陥を適度な大きさで放電中ほぼ一定に保つことができるようになったため、負極中のアルミニウム成分と電解液中の水との反応を抑えつつ、放電を促進することが可能となり、放電中の水素ガス発生量を少なくすることができ、放電持続時間を向上できたものと推測される。 A film of aluminum oxide (for example, Al 2 O 3 ) is formed on the surface of the negative electrode containing the above-described intermetallic compound and at least one of an aluminum alloy and aluminum. By reacting with iodine ions, the solubility of the film in water can be increased. Since the water-soluble property of the modified protective film is lower than that derived from chlorine ions, peeling from the negative electrode surface can be reduced as compared with the case where chlorine ions are used. Moreover, the oxide film can be regenerated on the negative electrode surface due to the redox ability of iodine ions. As a result, defects in the oxide film formed on the negative electrode surface can be maintained at a constant size and almost constant during discharge, so that the reaction between the aluminum component in the negative electrode and the water in the electrolyte is suppressed. It is estimated that the discharge can be promoted, the amount of hydrogen gas generated during the discharge can be reduced, and the discharge duration can be improved.

また、電解液に、硝酸イオン及び硫酸イオンのうち少なくとも一方のイオンが含まれると、放電ガスをより抑制することが可能となる。   Further, when the electrolyte contains at least one of nitrate ion and sulfate ion, the discharge gas can be further suppressed.

以下、正極、負極及び電解液について説明する。   Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution will be described.

1)正極
正極は、正極活物質を含む正極合剤と、集電体とを含む。
1) Positive electrode The positive electrode includes a positive electrode mixture containing a positive electrode active material and a current collector.

正極活物質としては、金属酸化物、金属硫化物、導電性ポリマ−などが挙げられる。   Examples of the positive electrode active material include metal oxides, metal sulfides, and conductive polymers.

前記金属酸化物としては、二酸化マンガン(MnO2)、二酸化鉛(PbO2)、水酸化ニッケル{NiOOHまたはNi(OH)2}、酸化銀(Ag2O)、酸化鉄{例えばFeO、Fe23、FeOx(但しxは、x>1.5)、MxFeO4(但しMは、Li、K、SrおよびBaの群から選ばれる少なくとも1種、xはx≧1)}などを挙げることができる。前記導電性ポリマ−としては、ポリアニリン、ポリピロ−ル、硫黄、例えばジスルフィド化合物などの有機硫黄化合物などが挙げられる。中でも、二酸化マンガンが好ましい。 Examples of the metal oxide include manganese dioxide (MnO 2 ), lead dioxide (PbO 2 ), nickel hydroxide {NiOOH or Ni (OH) 2 }, silver oxide (Ag 2 O), iron oxide {eg, FeO, Fe 2 O 3 , FeO x (where x is x> 1.5), M x FeO 4 (where M is at least one selected from the group of Li, K, Sr and Ba, x is x ≧ 1)}, etc. Can be mentioned. Examples of the conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, sulfur, and organic sulfur compounds such as disulfide compounds. Among these, manganese dioxide is preferable.

正極合剤には導電剤を含有させることができる。導電剤としては、例えば、黒鉛、アセチレンブラック、カ−ボンブラックを挙げることができる。   The positive electrode mixture can contain a conductive agent. Examples of the conductive agent include graphite, acetylene black, and carbon black.

正極合剤中に導電剤を含有させることで、正極合剤と集電体との間の電子伝導性を向上させることができる。正極合剤中の導電剤の含有量は、1〜20重量%の範囲にすることが好ましい。これは、1重量%よりも少ないと正極合剤中の電子伝導性を十分に高めることができず、20重量%を超えると正極活物質の含有量が低下し、正極反応を十分なものとすることができなくなる恐れがあるからである。   By containing a conductive agent in the positive electrode mixture, the electron conductivity between the positive electrode mixture and the current collector can be improved. The content of the conductive agent in the positive electrode mixture is preferably in the range of 1 to 20% by weight. If the amount is less than 1% by weight, the electron conductivity in the positive electrode mixture cannot be sufficiently increased. If the amount exceeds 20% by weight, the content of the positive electrode active material is decreased, and the positive electrode reaction is sufficiently performed. Because there is a risk that it will not be possible.

正極合剤は、例えば、粉末状の正極活物質および導電剤を混合した後、ペレット状に加圧成形することにより作製される。また、必要に応じ正極合剤中にバインダーを混合することで、集電体表面に正極合剤を固定しても良い。   The positive electrode mixture is produced, for example, by mixing a powdered positive electrode active material and a conductive agent, and then pressing the mixture into a pellet. Moreover, you may fix a positive mix on the collector surface by mixing a binder in a positive mix as needed.

正極合剤中に含有させるバインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを挙げることができる。   Examples of the binder to be contained in the positive electrode mixture include polytetrafluoroethylene.

正極合剤を支持する正極集電体は、正極合剤と正極端子との間の電子伝導性を向上させることができる。   The positive electrode current collector that supports the positive electrode mixture can improve the electron conductivity between the positive electrode mixture and the positive electrode terminal.

正極集電体に使用する材料として、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、鉛(Pb)及び窒化チタン(TiN)から選ばれる1種類以上か、または炭素質物などの導電材料を含有するものを使用することが好ましい。   As a material used for the positive electrode current collector, for example, at least one selected from tungsten (W), molybdenum (Mo), lead (Pb), and titanium nitride (TiN), or a conductive material such as a carbonaceous material is contained. It is preferable to use one.

この正極集電体は、多孔質材料であっても無孔質材料であってもよい。正極集電体において、タングステン(W)、モリブデン(Mo)及び鉛(Pb)は単体の状態で存在していてもいいが、タングステン、モリブデン及び鉛から選ばれる2種以上からなる合金として含まれても良い。また、窒化チタン(TiN)を含む正極集電体としては、窒化チタンからなる正極集電体か、ニッケル板等の金属板の表面が窒化チタンで被覆(メッキ)されたものを挙げることができる。特にタングステン(W)及びモリブデン(Mo)よりなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属か、若しくは炭素質物が好ましい。   This positive electrode current collector may be a porous material or a non-porous material. In the positive electrode current collector, tungsten (W), molybdenum (Mo), and lead (Pb) may exist in a single state, but are included as an alloy composed of two or more selected from tungsten, molybdenum, and lead. May be. Moreover, examples of the positive electrode current collector containing titanium nitride (TiN) include a positive electrode current collector made of titanium nitride, or a metal plate such as a nickel plate whose surface is coated (plated) with titanium nitride. . In particular, at least one metal selected from the group consisting of tungsten (W) and molybdenum (Mo) or a carbonaceous material is preferable.

正極集電体におけるタングステン(W)、モリブデン(Mo)、鉛(Pb)及び窒化チタン(TiN)から選ばれる一種類以上からなる導電材料含有量は、99重量%以上にすることが好ましい。さらに好ましい範囲は、99.9重量%以上である。   The content of the conductive material made of one or more selected from tungsten (W), molybdenum (Mo), lead (Pb), and titanium nitride (TiN) in the positive electrode current collector is preferably 99% by weight or more. A more preferable range is 99.9% by weight or more.

炭素質物を導電材料として含む正極集電体は、例えば、炭素質物粉末及びバインダーを混合した後、加圧成型することにより作製される。   A positive electrode current collector containing a carbonaceous material as a conductive material is produced, for example, by mixing a carbonaceous material powder and a binder and then pressure-molding the mixture.

前記炭素質物粉末としては、例えば、黒鉛粉末、炭素繊維を挙げることができる。   Examples of the carbonaceous material powder include graphite powder and carbon fiber.

前記正極集電体中の炭素質物含有量は、80重量%以上にすることが好ましい。さらに好ましくは90重量%以上である。   The carbonaceous material content in the positive electrode current collector is preferably 80% by weight or more. More preferably, it is 90 weight% or more.

この正極は、後述する電解液と予め混合しても良い。
2)負極
負極に含まれる負極活物質は、Al,Mg,Zn,Mn,Sn及びInよりなる群から選択される少なくとも2種類の元素からなる金属間化合物を0.001〜30重量%と、アルミニウム合金及びアルミニウムのうち少なくとも一方とを含有する。
This positive electrode may be mixed in advance with an electrolyte solution described later.
2) Negative electrode The negative electrode active material contained in the negative electrode is 0.001 to 30% by weight of an intermetallic compound composed of at least two elements selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Mn, Sn and In. It contains at least one of aluminum alloy and aluminum.

金属間化合物は合金の一種である。ここで、金属間化合物とは、2種以上の金属元素から形成される化合物を意味し、成分原子比は必ずしも化学量論比でなくてもよい(岩波 理化学辞典第5版 岩波書店 1998年4月24日発行 352〜353頁)。また、金属間化合物であることの確認は、以下に説明する方法で行なわれる。   Intermetallic compounds are a kind of alloys. Here, the intermetallic compound means a compound formed from two or more kinds of metal elements, and the component atomic ratio is not necessarily a stoichiometric ratio (Iwanami Physical and Chemical Dictionary, 5th Edition Iwanami Shoten, April 1998) Issued May 24, pages 352-353). Moreover, confirmation of being an intermetallic compound is performed by the method demonstrated below.

金属間化合物は基本的に成分元素の単体同士の混合とは異なった対称性を持つ。つまり微視的構造が異なるため、エックス線回折の回折ピーク位置がそれぞれの単体と異なることを示している。つまり本発明では成分元素のみならず、その結果生ずる構造にも依存して効果を発揮するものであるといえる。   Intermetallic compounds basically have a different symmetry from the mixing of simple constituent elements. That is, since the microscopic structures are different, the diffraction peak position of X-ray diffraction is different from each simple substance. That is, in the present invention, it can be said that the effect is exhibited depending not only on the component elements but also on the resulting structure.

一方、ここでの合金は、金属間化合物以外のもの(例えば、固溶体、共晶など)を意味する。合金であることの確認は、以下に説明する方法で行なわれる。   On the other hand, the alloy here means something other than an intermetallic compound (for example, solid solution, eutectic, etc.). Confirmation of the alloy is performed by the method described below.

成分元素単体の混合や片方の対称性を継承した混合物を合金としているため、エックス線回折の回折ピーク位置は多少のずれはあるものの、その成分元素単体のピーク位置に整合するか、もしくはその重ね合わせとなるものである。   Since a mixture of component elements and a mixture that inherits the symmetry of one of the elements are made of an alloy, the diffraction peak position of X-ray diffraction is slightly different, but it matches or overlaps the peak position of the component element alone. It will be.

負極活物質中の金属間化合物の含有量を前記範囲に規定するのは以下に説明する理由によるものである。金属間化合物の含有量を0.001重量%未満にすると、電解液中の沃素成分と負極表面のアルミニウム酸化物皮膜との反応性が低下するため、放電中のガス発生量が多くなる。一方、金属間化合物の含有量が30重量%を超えると、アルミニウムの含量が低下するため、放電持続時間が短くなる。金属間化合物の含有量のさらに好ましい範囲は、1重量%以上、10重量%以下である。   The reason why the content of the intermetallic compound in the negative electrode active material is defined within the above range is as follows. When the content of the intermetallic compound is less than 0.001% by weight, the reactivity between the iodine component in the electrolytic solution and the aluminum oxide film on the negative electrode surface is decreased, and the amount of gas generated during discharge increases. On the other hand, when the content of the intermetallic compound exceeds 30% by weight, the discharge duration is shortened because the aluminum content decreases. A more preferable range of the content of the intermetallic compound is 1% by weight or more and 10% by weight or less.

金属間化合物の組成は、特に限定されるものではないが、例えば、Al−Mg−Zn、Al−Mg−Mnなどの三元系、Al−Mg、Mg−Zn、Mg−In、Al−Mnなどの二元系を挙げることができる。中でも、Al−Mg−Znが好ましい。   The composition of the intermetallic compound is not particularly limited. For example, ternary systems such as Al-Mg-Zn and Al-Mg-Mn, Al-Mg, Mg-Zn, Mg-In, and Al-Mn Binary systems such as Among these, Al—Mg—Zn is preferable.

アルミニウム合金の組成は、特に限定されるものではないが、たとえば、Mn、Cr、Sn、Ca、Mg、Pb、Si、In及びZnから選ばれる少なくとも1種の金属とAlとの合金などを挙げることができる。中でも、AlにMg及びCrを含有する合金を使用することが望ましい。   The composition of the aluminum alloy is not particularly limited, and examples thereof include an alloy of Al and at least one metal selected from Mn, Cr, Sn, Ca, Mg, Pb, Si, In, and Zn. be able to. Among them, it is desirable to use an alloy containing Mg and Cr in Al.

負極は、負極活物質から形成された容器を兼ねるものでも、負極活物質に結合剤などを添加して得られた混合物を適当な形に成形したものを負極としても、あるいは負極活物質に高分子化合物及び電解液などを添加して得られたゲル状物を負極として使用しても良い。   The negative electrode can be used as a container formed of a negative electrode active material, or can be obtained by forming a mixture obtained by adding a binder or the like into the negative electrode active material into a suitable shape as a negative electrode, A gel material obtained by adding a molecular compound, an electrolytic solution, or the like may be used as the negative electrode.

ゲル状の負極は、負極の表面積を高くすることができる。   The gelled negative electrode can increase the surface area of the negative electrode.

高分子化合物としては、特に制限されないが、例えばポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン酸ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアラニン等などが使用でき、分子量は100〜10,000,000程度にすると良い。また、負極活物質表面に塗布する場合、厚さの制限は特にない。正極と負極の間に完全に詰め込んでも良い。   Although it does not restrict | limit especially as a high molecular compound, For example, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylonitrile, polysulfonic acid vinyl, polyvinyl acetate, polyalanine etc. can be used, and when molecular weight shall be about 100-10,000,000. good. Moreover, when apply | coating to the negative electrode active material surface, there is no restriction | limiting in particular in thickness. It may be completely packed between the positive electrode and the negative electrode.

高分子化合物は、固体状であっても良いし、電解液に膨潤したゲル状であっても良い。高分子化合物がゲル状である場合、電解液は樹脂間を移動して負極活物質に到達することができる。高分子化合物が固体状の場合でも、電解液や電解質、添加剤などは高分子化合物内を浸透し、それぞれの機能を果たす。   The polymer compound may be in a solid form or a gel form swollen in an electrolytic solution. When the polymer compound is in a gel form, the electrolytic solution can move between the resins and reach the negative electrode active material. Even when the polymer compound is in a solid state, the electrolyte solution, the electrolyte, the additive, etc. penetrate the polymer compound and perform their respective functions.

また、高分子化合物としては、スルホン酸基やカルボン酸基などの酸性基、水酸基やアミン基などの塩基性基、塩基性基もしくは酸性基の誘導体を置換基として有するものを使用することが好ましい。これらの置換基によって、電解液との親和性が高くなり、負極の反応を円滑化することが可能になる。   Further, as the polymer compound, it is preferable to use a compound having an acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group, a basic group such as a hydroxyl group or an amine group, a basic group or a derivative of an acidic group as a substituent. . These substituents increase the affinity with the electrolyte and facilitate the reaction of the negative electrode.

高分子化合物中に、塩化物イオンを添加したり、有機酸、無機弱酸塩、無機アルカリ塩あるいはそれらの誘導体を添加することが好ましい。これにより自己放電をさらに抑制することができる。   It is preferable to add a chloride ion or an organic acid, an inorganic weak acid salt, an inorganic alkali salt or a derivative thereof to the polymer compound. Thereby, self-discharge can be further suppressed.

有機酸、無機弱酸塩、無機アルカリ塩あるいはそれらの誘導体としては、例えば、酒石酸カルシウム、ソルビトール、ゼラチン、グルコン酸カルシウム、イタコン酸、クエン酸、安息香酸、五酸化アンチモン水和物、水酸化チタン水和物、リン酸ジルコニウムあるいはリン酸チタンなどを挙げることができる。   Examples of organic acid, inorganic weak acid salt, inorganic alkali salt or derivatives thereof include calcium tartrate, sorbitol, gelatin, calcium gluconate, itaconic acid, citric acid, benzoic acid, antimony pentoxide hydrate, titanium hydroxide water Examples thereof include Japanese, zirconium phosphate, and titanium phosphate.

高分子化合物中への有機酸あるいは塩化物イオンの添加量は、0.01〜1wt%、さらには0.03〜0.3wt%とすることが望ましい。この範囲よりも少ないと負極の自己放電を十分に抑制することができず、この範囲よりも多いと負極反応を妨げ、電池の出力が低下する恐れがあるからである。   The amount of organic acid or chloride ion added to the polymer compound is preferably 0.01 to 1 wt%, more preferably 0.03 to 0.3 wt%. If the amount is less than this range, the self-discharge of the negative electrode cannot be sufficiently suppressed. If the amount is more than this range, the negative electrode reaction is hindered and the output of the battery may be reduced.

正極と負極の間には、セパレータを配置することができる。セパレータは、正極および負極間において電子の移動を妨げるものであり、絶縁材料で構成される。但し、セパレータ中に電解液を保持し、且つ電解液中をイオン化した電解質が移動可能な形状である必要があるため、通常多孔質体が使用される。   A separator can be disposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator prevents electrons from moving between the positive electrode and the negative electrode, and is made of an insulating material. However, since the electrolyte solution is held in the separator and the electrolyte ionized in the electrolyte solution needs to be movable, a porous body is usually used.

セパレータに使用される材料としては、例えばクラフト紙、合成繊維製シート、天然繊維製シート、不織布、ガラス繊維製シート、ポリオレフィン製の多孔質膜を挙げることができる。   Examples of the material used for the separator include kraft paper, synthetic fiber sheet, natural fiber sheet, non-woven fabric, glass fiber sheet, and polyolefin porous film.

また、セパレータの厚さは10〜1000μmの範囲内にすることが好ましい。これは、10μmよりも薄いと正極および負極の間で短絡する恐れがあり、1000μmよりも厚いと、イオン化した電解質の移動距離が長くなりイオン伝導効率が低下する恐れがあるからである。セパレータのより好ましい厚さ範囲は、10〜200μmである。   Further, the thickness of the separator is preferably in the range of 10 to 1000 μm. This is because if the thickness is less than 10 μm, there is a risk of a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and if the thickness is greater than 1000 μm, the ionized electrolyte may move and the ion conduction efficiency may decrease. A more preferable thickness range of the separator is 10 to 200 μm.

なお、正極及び負極とが接触しないように配置され、かつ正極及び負極との間に電解液を保持できる電池構造であれば必ずしもセパレータは必要とされるものではない。   Note that the separator is not necessarily required as long as the battery structure is arranged so that the positive electrode and the negative electrode are not in contact with each other and the electrolytic solution can be held between the positive electrode and the negative electrode.

また、電解液に増粘剤を添加して、これにゲル化処理を施し、いわゆる固体電解質として用いることもできる。その場合は増粘剤相がセパレータとして機能し、この増粘剤相中に電解液相が保持される形態になる。   Moreover, a thickener can be added to electrolyte solution, it can be gelatinized, and it can also be used as what is called a solid electrolyte. In that case, the thickener phase functions as a separator, and the electrolyte phase is retained in the thickener phase.

3)電解液
電解液は、電解質と、電解質が溶解される溶媒とを含有している。
3) Electrolytic solution The electrolytic solution contains an electrolyte and a solvent in which the electrolyte is dissolved.

電解質としては、沃素化合物を含有するものを挙げることができる。沃素化合物としては、例えば、NH4I、III族元素のヨウ化物(例えば、AlI3、InI3)、アルカリ金属のヨウ化物(例えば、KI、NaI、LiI)、アルカリ土類金属のヨウ化物(例えば、MgI2、BaI2、CaI2)、遷移金属のヨウ化物(例えばZnI2)等を挙げることができる。使用する沃素化合物の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。中でも、NH4I、MgI2が好ましい。 Examples of the electrolyte include those containing an iodine compound. Examples of the iodine compound include iodides of NH 4 I and III elements (eg, AlI 3 , InI 3 ), alkali metal iodides (eg, KI, NaI, LiI), and alkaline earth metal iodides ( for example, MgI 2, BaI 2, CaI 2), a transition metal iodide (e.g. ZnI 2), and the like. The kind of iodine compound to be used can be one kind or two kinds or more. Of these, NH 4 I and MgI 2 are preferable.

電解液の沃素濃度は、0.01mol/L以上、6mol/L以下の範囲にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。沃素濃度を0.01mol/L未満にすると、放電中のガス発生量が多くなって放電持続時間が短くなる恐れがある。一方、沃素濃度が6mol/Lを超えると、イオン濃度が高すぎて電解液中のイオン移動度が低くなって出力が低下する恐れがある。沃素濃度のさらに好ましい範囲は、0.5mol/L以上、4mol/L以下である。   The iodine concentration of the electrolytic solution is desirably in the range of 0.01 mol / L or more and 6 mol / L or less. This is due to the reason explained below. If the iodine concentration is less than 0.01 mol / L, the amount of gas generated during discharge increases and the discharge duration may be shortened. On the other hand, when the iodine concentration exceeds 6 mol / L, the ion concentration is too high and the ion mobility in the electrolytic solution is lowered, and the output may be lowered. A more preferable range of the iodine concentration is 0.5 mol / L or more and 4 mol / L or less.

電解質には、溶媒中に硫酸イオン(SO4 2-)及び硝酸イオン(NO3 -)の群から選ばれる少なくとも1種類のイオンを供給するものをさらに含有させることができる。このような電解質は、放電時のガス発生量をさらに抑えることができる。 The electrolyte may further contain a solvent that supplies at least one ion selected from the group of sulfate ions (SO 4 2− ) and nitrate ions (NO 3 ). Such an electrolyte can further suppress the amount of gas generated during discharge.

硫酸イオンを提供するものとしては、例えば、硫酸、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム、硫酸リチウムなどを挙げることができる。   Examples of those that provide sulfate ions include sulfuric acid, aluminum sulfate, magnesium sulfate, sodium sulfate, ammonium sulfate, and lithium sulfate.

硝酸イオンを提供するものとしては、例えば、硝酸、硝酸アルミニウム、硝酸マグネシウム、硝酸ナトリウム、硝酸アンモニウム、硝酸リチウムなどを挙げることができる。   Examples of those that provide nitrate ions include nitric acid, aluminum nitrate, magnesium nitrate, sodium nitrate, ammonium nitrate, and lithium nitrate.

硝酸イオン及び硫酸イオンのうちの少なくとも一方からなるイオンの電解液中の濃度は、0.2〜16M/L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。イオン濃度が0.2M/L未満であると、放電中のガス発生を抑制する効果が得られない恐れがある。一方、イオン濃度が16M/Lを超えると、負極表面の酸化皮膜成長が顕著となり負極の界面抵抗が大きくなるため、高電圧を得られなくなる可能性がある。より好ましい範囲は0.5〜10M/Lである。   The concentration of ions consisting of at least one of nitrate ions and sulfate ions in the electrolyte is preferably in the range of 0.2 to 16 M / L. This is due to the following reason. If the ion concentration is less than 0.2 M / L, the effect of suppressing gas generation during discharge may not be obtained. On the other hand, if the ion concentration exceeds 16 M / L, oxide film growth on the surface of the negative electrode becomes remarkable, and the interface resistance of the negative electrode increases, so that a high voltage may not be obtained. A more preferable range is 0.5 to 10 M / L.

電解質が溶解される溶媒には、例えば水、メチルエチルカーボネートなどを使用することができる。   As the solvent in which the electrolyte is dissolved, for example, water, methyl ethyl carbonate, or the like can be used.

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

(実施例1)
下記表1に示す組成を有するアルミニウム合金を99重量%と、Al2Mg3Zn3からなる金属間化合物を1重量%とからなる混合物を、アルミニウム合金中に均質に金属間化合物を分散させるため、アルゴンガス雰囲気下で400℃で一ヶ月間保管した。
Example 1
In order to disperse the intermetallic compound homogeneously in the aluminum alloy, a mixture comprising 99% by weight of the aluminum alloy having the composition shown in Table 1 below and 1% by weight of the intermetallic compound composed of Al 2 Mg 3 Zn 3 And stored at 400 ° C. for one month under an argon gas atmosphere.

この混合物から有底円筒型の負極容器を作製した。また、電解液として3mol/Lのヨウ化アンモニウム水溶液を用意した。さらに、二酸化マンガン:カーボンブラック:テフロン(登録商標)を重量比10:1:0.5で混合することにより正極合剤を調製した。正極集電体としてはカーボン棒を用意し、セパレータとしてはクラフト紙を用意した。これらを用いて図1に示す構造を有する円筒形のアルミニウム負極電池を組み立てた。なお、電池サイズは単三サイズとした。 A bottomed cylindrical negative electrode container was produced from this mixture. Moreover, 3 mol / L ammonium iodide aqueous solution was prepared as electrolyte solution. Further, a positive electrode mixture was prepared by mixing manganese dioxide: carbon black: Teflon (registered trademark) at a weight ratio of 10: 1: 0.5. A carbon rod was prepared as a positive electrode current collector, and kraft paper was prepared as a separator. Using these, a cylindrical aluminum negative electrode battery having the structure shown in FIG. 1 was assembled. The battery size was AA size.

すなわち、図1に示すように、アルミニウム合金からなる有底円筒形の負極缶1内には、セパレータ2および底紙3を介して、正極活物質と導電剤と水系電解液を含む正極合剤4が充填されている。   That is, as shown in FIG. 1, in a bottomed cylindrical negative electrode can 1 made of an aluminum alloy, a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive agent, and an aqueous electrolyte solution via a separator 2 and a bottom paper 3. 4 is filled.

ガス抜き孔5が開口された絶縁性ワッシャー6は、負極缶1の開口部上端に嵌め込まれて負極缶1の開口部を塞いでいる。正極集電棒7は、絶縁性ワッシャー6の開口部に挿入され、上端が絶縁性ワッシャー6から突出している。負極缶1内の正極合剤4と絶縁性ワッシャー6の間に設けられた空間は、空気室8として機能する。   An insulating washer 6 in which the gas vent hole 5 is opened is fitted into the upper end of the opening of the negative electrode can 1 to close the opening of the negative electrode can 1. The positive electrode current collector rod 7 is inserted into the opening of the insulating washer 6, and the upper end protrudes from the insulating washer 6. A space provided between the positive electrode mixture 4 and the insulating washer 6 in the negative electrode can 1 functions as an air chamber 8.

熱収縮チューブ9は、負極缶1の周囲を被覆すると共に、絶縁性ワッシャー6を負極缶1の開口部に固定し、かつ負極端子板10を負極缶1の底面に固定している。円筒形の外装体11は、熱収縮チューブ9を被覆している。正極端子を兼ねる帽子型の封口板(正極端子板)12は、正極集電棒7の上端を覆うように、外装体11の上部開口部内に配置されており、封口板12の一部にはガス抜き孔13が形成されている。絶縁リング14は、外装体11と封口板12との間に介装されている。   The heat shrinkable tube 9 covers the periphery of the negative electrode can 1, fixes the insulating washer 6 to the opening of the negative electrode can 1, and fixes the negative electrode terminal plate 10 to the bottom surface of the negative electrode can 1. The cylindrical exterior body 11 covers the heat shrinkable tube 9. A cap-shaped sealing plate (positive terminal plate) 12 that also serves as a positive electrode terminal is disposed in the upper opening of the exterior body 11 so as to cover the upper end of the positive electrode current collector rod 7. A hole 13 is formed. The insulating ring 14 is interposed between the exterior body 11 and the sealing plate 12.

得られたアルミニウム電池を150mAで放電したところ、0.6V放電カットまで17時間の連続放電が可能であった。また、放電中の漏液は起こらなかった。   When the obtained aluminum battery was discharged at 150 mA, continuous discharge for 17 hours was possible until the 0.6 V discharge cut. Further, no leakage occurred during discharge.

(実施例2〜17及び比較例1)
アルミニウム合金あるいはアルミニウムの組成、金属間化合物の組成並びに配合量と、電解液における電解質の種類と濃度を下記表1に示すように設定すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成のアルミニウム電池を作製し、放電持続時間と漏液の有無を調べた。
(Examples 2 to 17 and Comparative Example 1)
Except that the composition of aluminum alloy or aluminum, the composition and blending amount of intermetallic compounds, and the type and concentration of the electrolyte in the electrolytic solution are set as shown in Table 1 below, the same as described in Example 1 above An aluminum battery having a proper structure was prepared, and the discharge duration and the presence or absence of leakage were examined.

(比較例2)
下記表1に示す組成のアルミニウム合金のみを負極活物質として用い、かつ電解液における電解質の種類と濃度を下記表1に示すように設定すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成のアルミニウム電池を作製し、放電持続時間と漏液の有無を調べた。
(Comparative Example 2)
Except for using only an aluminum alloy having the composition shown in Table 1 below as the negative electrode active material and setting the type and concentration of the electrolyte in the electrolytic solution as shown in Table 1 below, it was explained in Example 1 described above. An aluminum battery having the same configuration was manufactured, and the discharge duration and the presence or absence of leakage were examined.

(比較例3)
Zn金属からなる負極容器を用い、かつ電解液における電解質の種類と濃度を下記表1に示すように設定すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の亜鉛電池を作製し、放電持続時間と漏液の有無を調べた。

Figure 0004309311
(Comparative Example 3)
A zinc battery having the same configuration as described in Example 1 was prepared except that a negative electrode container made of Zn metal was used and the type and concentration of the electrolyte in the electrolytic solution were set as shown in Table 1 below. Then, the discharge duration and the presence or absence of liquid leakage were examined.
Figure 0004309311

表1から明らかなように、実施例1〜17のアルミニウム電池は、放電持続時間が長く、かつ連続放電中の漏液が皆無であることが理解できる。   As is apparent from Table 1, it can be understood that the aluminum batteries of Examples 1 to 17 have a long discharge duration and no leakage during continuous discharge.

これに対し、電解質として塩素化合物を使用する比較例1のアルミニウム電池と、金属間化合物を含まない比較例2のアルミニウム電池では、放電持続時間が実施例1〜15に比べて短いばかりか、放電中の水素ガスの発生により漏液を生じた。   On the other hand, in the aluminum battery of Comparative Example 1 that uses a chlorine compound as an electrolyte and the aluminum battery of Comparative Example 2 that does not contain an intermetallic compound, the discharge duration is shorter than in Examples 1 to 15 and Leakage occurred due to the generation of hydrogen gas inside.

一方、負極活物質としてZnを用いる比較例3の亜鉛電池では、放電中の水素ガスの発生量が少ないために漏液を生じないものの、連続放電時間が実施例1〜15に比べて短かった。亜鉛負極は電解液中の水との反応性が低いため、負極表面に存在する亜鉛酸化物層で水との副反応を抑えることが可能である反面、放電持続時間はアルミニウム電池に比べて短くなる。   On the other hand, in the zinc battery of Comparative Example 3 using Zn as the negative electrode active material, although the amount of hydrogen gas generated during discharge was small, no leakage occurred, but the continuous discharge time was shorter than in Examples 1-15. . Since the zinc negative electrode has low reactivity with water in the electrolyte, the zinc oxide layer on the negative electrode surface can suppress side reactions with water, but the discharge duration is shorter than that of aluminum batteries. Become.

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.

本発明に係るアルミニウム電池の一実施形態である円筒型アルミニウム負極電池を示す部分断面図。1 is a partial cross-sectional view showing a cylindrical aluminum negative electrode battery which is an embodiment of an aluminum battery according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…負極缶、2…セパレータ、3…底紙、4…正極合剤、6…絶縁性ワッシャー、7…正極集電棒、8…空気室、9…熱収縮チューブ、10…負極端子板、11…外装体、12…正極端子板、14…絶縁リング。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode can, 2 ... Separator, 3 ... Bottom paper, 4 ... Positive electrode mixture, 6 ... Insulating washer, 7 ... Positive electrode current collecting rod, 8 ... Air chamber, 9 ... Heat-shrinkable tube, 10 ... Negative electrode terminal plate, 11 ... exterior body, 12 ... positive electrode terminal plate, 14 ... insulating ring.

Claims (2)

正極と、
アルミニウム及びアルミニウム合金のうち少なくとも一方と、前記アルミニウム及び前記アルミニウム合金に均質に分散され、Al,Mg,Zn,Mn,Sn及びInよりなる群から選択される少なくとも2種類の元素からなる金属間化合物を0.001重量%以上、30重量%以下とを含有する負極活物質を含む負極と、
沃素成分を含有する電解液と
を具備することを特徴とするアルミニウム電池。
A positive electrode;
An intermetallic compound comprising at least one of aluminum and an aluminum alloy and at least two elements selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Mn, Sn, and In, which are homogeneously dispersed in the aluminum and the aluminum alloy A negative electrode containing a negative electrode active material containing 0.001 wt% or more and 30 wt% or less,
An aluminum battery comprising: an electrolytic solution containing an iodine component.
前記金属間化合物は、Al−Mg−Zn系もしくはAl−Mn系であることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム電池。 2. The aluminum battery according to claim 1, wherein the intermetallic compound is Al—Mg—Zn or Al—Mn .
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