JP5223425B2 - Air battery - Google Patents

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Description

本発明は、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池に関する。   The present invention relates to an air battery excellent in output characteristics and cycle characteristics.

空気電池は、空気(酸素)を正極活物質として用いた電池であり、エネルギー密度が高い、小型化および軽量化が容易である等の利点を有する。そのため、現在、広く使用されているリチウムイオン二次電池を超える高容量二次電池として、注目を浴びている。ここで、例えば負極活物質として金属Liを用いた空気二次電池では、主に下記の反応(1)〜(6)が生じることが知られている。   The air battery is a battery using air (oxygen) as a positive electrode active material, and has advantages such as high energy density, easy size reduction and weight reduction. Therefore, it has been attracting attention as a high-capacity secondary battery that exceeds the widely used lithium ion secondary battery. Here, for example, in an air secondary battery using metal Li as the negative electrode active material, it is known that the following reactions (1) to (6) mainly occur.

Figure 0005223425
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従来から、空気電池の電解質に着目し、空気電池の性能を向上させる試みがなされている。例えば特許文献1においては、特定のアニオン成分を含有する溶融塩を非水電解質として用いた非水電解質空気電池が開示されている。この技術は、特定のアニオン成分を含有し、かつ、蒸気圧の低い溶融塩を用いることで、大電流放電特性および高温貯蔵後の容量維持率に優れた非水電解質空気電池を得ることを目的とするものであった。   Conventionally, attempts have been made to improve the performance of air batteries, focusing on the electrolyte of air batteries. For example, Patent Document 1 discloses a nonaqueous electrolyte air battery using a molten salt containing a specific anion component as a nonaqueous electrolyte. The purpose of this technology is to obtain a non-aqueous electrolyte air battery that contains a specific anion component and is excellent in large current discharge characteristics and capacity retention after high-temperature storage by using a molten salt having a low vapor pressure. Was.

また、特許文献2においては、60℃以下の融点を有する室温溶融塩(例えばトリメチルプロピルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド)を含む疎水性非水電解質を用いた空気電池が開示されている。この技術は、特定の室温溶融塩を含む疎水性非水電解質を用いることにより、酸素や水分が電解液に溶解することを抑制し、酸素や水分による金属負極の劣化を防ぐことで、充放電特性の低下を抑制した空気電池を得ることを目的とするものであった。   Patent Document 2 discloses an air battery using a hydrophobic nonaqueous electrolyte containing a room temperature molten salt (for example, trimethylpropylammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide) having a melting point of 60 ° C. or lower. . This technology uses a hydrophobic non-aqueous electrolyte containing a specific room temperature molten salt to suppress the dissolution of oxygen and moisture in the electrolyte and to prevent the metal negative electrode from being deteriorated by oxygen and moisture. An object of the present invention is to obtain an air battery in which deterioration of characteristics is suppressed.

また、特許文献3においては、特定の化学式で表される骨格を有する有機カーボネート化合物を含有する非水電解液を有し、正極の炭素材料表面を上記の有機カーボネート化合物の分解生成物で被覆した非水電解質電池が開示されている。この技術は、特定の化学式で表される骨格を有する有機カーボネート化合物の分解生成物で炭素材料表面を被覆することにより、炭素材料表面近傍での電解液の揮発を抑制し、電解液の揮発に起因する放電容量減少を抑制することで、長時間放電可能な非水電解質電池を得ることを目的とするものであった。   Moreover, in patent document 3, it has the nonaqueous electrolyte solution containing the organic carbonate compound which has the frame | skeleton represented by specific chemical formula, and coat | covered the carbon material surface of a positive electrode with the decomposition product of said organic carbonate compound A non-aqueous electrolyte battery is disclosed. This technology suppresses volatilization of the electrolyte near the surface of the carbon material by coating the surface of the carbon material with a decomposition product of an organic carbonate compound having a skeleton represented by a specific chemical formula. An object of the present invention is to obtain a nonaqueous electrolyte battery capable of discharging for a long time by suppressing the resulting decrease in discharge capacity.

特開2005−26023号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-26023 特開2005−116317号公報JP 2005-116317 A 特開2003−100309号公報JP 2003-100309 A

しかしながら、従来の空気電池は、出力特性およびサイクル特性が充分に高いとはいえなかった。本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池を提供することを主目的とする。   However, the conventional air battery cannot be said to have sufficiently high output characteristics and cycle characteristics. The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide an air battery excellent in output characteristics and cycle characteristics.

上記課題を解決するために、本発明者等が鋭意検討を重ねた結果、硫黄含有環状化合物を含有する電解質を空気電池に用いることにより、空気極層に用いられる導電性材料の表面が改質され、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易くなることで、空気電池の出力特性およびサイクル特性が向上することを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above problems, the surface of the conductive material used for the air electrode layer is modified by using an electrolyte containing a sulfur-containing cyclic compound in an air battery. As a result, it has been found that the output characteristics and cycle characteristics of an air battery are improved by facilitating movement of metal ions (for example, lithium ions). The present invention has been made based on such knowledge.

すなわち、本発明においては、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有する空気電池であって、上記電解質が、硫黄含有環状化合物を含有することを特徴とする空気電池を提供する。   That is, in the present invention, an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte responsible for conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, It is an air battery which has this, Comprising: The said electrolyte contains a sulfur containing cyclic compound, The air battery characterized by the above-mentioned is provided.

本発明によれば、電解質が硫黄含有環状化合物を含有していることから、例えば、最初の放電の際に硫黄含有環状化合物が還元分解されて、導電性材料の表面を被覆する皮膜が形成される。この皮膜を形成することで、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易くなり、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池を得ることができる。   According to the present invention, since the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound, for example, the sulfur-containing cyclic compound is reduced and decomposed during the first discharge to form a film that covers the surface of the conductive material. The By forming this film, metal ions (for example, lithium ions) easily move, and an air battery excellent in output characteristics and cycle characteristics can be obtained.

また、本発明においては、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有する空気電池であって、上記電解質が硫黄含有環状化合物を含有し、上記硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、上記導電性材料の表面を被覆していることを特徴とする空気電池を提供する。   Further, in the present invention, an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte responsible for conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, The electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound, and a decomposition product obtained by decomposing all or part of the sulfur-containing cyclic compound covers the surface of the conductive material. An air battery is provided.

本発明によれば、硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、導電性材料の表面を被覆しているため、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易くなり、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池とすることができる。   According to the present invention, since the decomposition product formed by decomposing all or part of the sulfur-containing cyclic compound covers the surface of the conductive material, metal ions (for example, lithium ions) can easily move, An air battery having excellent output characteristics and cycle characteristics can be obtained.

上記発明においては、上記硫黄含有環状化合物が、下記一般式(1)で表される化合物であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the said sulfur containing cyclic compound is a compound represented by following General formula (1).

Figure 0005223425
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(一般式(1)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。 (In General Formula (1), R 1 and R 2 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other.) This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記一般式(1)で表される化合物が、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、フェニルエチレンサルファイト、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。   In the above invention, the compound represented by the general formula (1) is ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, vinylene sulfite, phenylethylene sulfite, or a part of these constituent elements is a halogen element. It is preferable that they are substituted. This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記硫黄含有環状化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the said sulfur containing cyclic compound is a compound represented by following General formula (2).

Figure 0005223425
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(一般式(2)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。 (In General Formula (2), R 3 and R 4 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other.) This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記一般式(2)で表される化合物が、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、3−フェニル−1,3−プロパンスルトン、4−フェニル−1,4−ブタンスルトン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。   In the said invention, the compound represented by the said General formula (2) is 1, 3- propane sultone, 1, 4- butane sultone, 3-phenyl- 1, 3- propane sultone, 4-phenyl- 1, 4-. Butane sultone or a part of these constituent elements is preferably substituted with a halogen element. This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記硫黄含有環状化合物が、下記一般式(3)で表される化合物であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the said sulfur containing cyclic compound is a compound represented by following General formula (3).

Figure 0005223425
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(一般式(3)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。 (In General Formula (3), R 5 and R 6 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other.) This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記一般式(3)で表される化合物が、スルホラン、2−メチルスルホラン、3−メチルスルホラン、2−エチルスルホラン、3−エチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン、2−フェニルスルホラン、3−フェニルスルホラン、スルホレン、3−メチルスルホレン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。   In the above invention, the compound represented by the general formula (3) is sulfolane, 2-methylsulfolane, 3-methylsulfolane, 2-ethylsulfolane, 3-ethylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 2-phenyl. Sulfolane, 3-phenylsulfolane, sulfolene, 3-methylsulfolene, or a part of these constituent elements is preferably substituted with a halogen element. This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記硫黄含有環状化合物が、下記一般式(4)で表される化合物であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the said sulfur containing cyclic compound is a compound represented by following General formula (4).

Figure 0005223425
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(一般式(4)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。 (In General Formula (4), R 7 and R 8 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other.) This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

上記発明においては、上記一般式(4)で表される化合物が、エチレングリコール硫酸エステル、1,2−プロパンジオール硫酸エステル、1,3−プロパンジオール硫酸エステル、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。出力特性およびサイクル特性の更なる向上を図ることができるからである。   In the above invention, the compound represented by the general formula (4) is an ethylene glycol sulfate ester, 1,2-propanediol sulfate ester, 1,3-propanediol sulfate ester, or a part of these constituent elements. It is preferable that it is substituted with a halogen element. This is because the output characteristics and cycle characteristics can be further improved.

本発明においては、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池を提供することができるという効果を奏する。   In this invention, there exists an effect that the air battery excellent in the output characteristic and cycling characteristics can be provided.

以下、本発明の空気電池について詳細に説明する。   Hereinafter, the air battery of the present invention will be described in detail.

本発明の空気電池は、硫黄含有環状化合物を含有する電解質を用いたことを大きな特徴とするものである。さらに、本発明の空気電池は、硫黄含有環状化合物が分解して、空気極層に含まれる導電性材料の表面に被覆する前後の状態で、2つの実施態様に大別することができる。以下、本発明の空気電池について、実施態様ごとに説明する。   The air battery of the present invention is greatly characterized in that an electrolyte containing a sulfur-containing cyclic compound is used. Furthermore, the air battery of the present invention can be roughly divided into two embodiments before and after the sulfur-containing cyclic compound is decomposed and coated on the surface of the conductive material contained in the air electrode layer. Hereinafter, the air battery of the present invention will be described for each embodiment.

1.第一実施態様
まず、本発明の空気電池の第一実施態様について説明する。本実施態様の空気電池は、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有する空気電池であって、上記電解質が、硫黄含有環状化合物を含有することを特徴とするものである。
1. First Embodiment First, a first embodiment of the air battery of the present invention will be described. The air battery of this embodiment includes an air electrode layer having a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer. A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting the current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte responsible for conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, , Wherein the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound.

本実施態様によれば、電解質が硫黄含有環状化合物を含有していることから、例えば、最初の放電の際に硫黄含有環状化合物が還元分解されて、導電性材料の表面を被覆する皮膜が形成される。この皮膜を形成することで、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易くなり、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池を得ることができる。また、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物を電解質に含有させる。これにより、硫黄含有環状化合物が分解する際に、まず開環分解が生じるため、大きなフラグメントの状態で、導電性材料を被覆することができる。これに対して、硫黄含有鎖状化合物(例えばDMSO)を電解質に含有させた場合は、分解する際に分子鎖がバラバラに切断されることが想定され、良好な皮膜が形成されないと考えられる。すなわち、本実施態様においては、環状の硫黄含有化合物を用いることにより、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易い皮膜を形成することができるのである。   According to this embodiment, since the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound, for example, the sulfur-containing cyclic compound is reduced and decomposed at the time of the first discharge to form a film that covers the surface of the conductive material. Is done. By forming this film, metal ions (for example, lithium ions) easily move, and an air battery excellent in output characteristics and cycle characteristics can be obtained. In this embodiment, a sulfur-containing cyclic compound is contained in the electrolyte. Thereby, when the sulfur-containing cyclic compound is decomposed, ring-opening decomposition occurs first, so that the conductive material can be coated in a large fragment state. On the other hand, when a sulfur-containing chain compound (for example, DMSO) is contained in the electrolyte, it is assumed that molecular chains are broken apart during decomposition, and a good film is not formed. That is, in the present embodiment, a film in which metal ions (for example, lithium ions) can easily move can be formed by using a cyclic sulfur-containing compound.

次に、本実施態様の空気電池について図面を用いて説明する。図1(a)は、本実施態様の空気電池の一例を示す概略断面図である。図1(b)は、図1(a)で示される空気電池の外観を示す斜視図である。図1(a)に示される空気電池は、下部絶縁ケース1aの内底面に形成された負極集電体2と、負極集電体2に接続された負極リード2´と、負極集電体2上に形成され金属Liからなる負極層3と、導電性材料を含有する空気極層4と、空気極層4の集電を行う空気極メッシュ5および空気極集電体6と、空気極集電体6に接続された空気極リード6´と、負極層3および空気極層4の間に設置されたセパレータ7と、酸素を供給するために設けられた微多孔膜8を有する上部絶縁ケース1bと、負極層3および空気極層4を浸し、硫黄含有環状化合物を含有する電解液9と、を有する。
以下、本実施態様の空気電池について、構成ごとに説明する。
Next, the air battery of this embodiment is demonstrated using drawing. Fig.1 (a) is a schematic sectional drawing which shows an example of the air battery of this embodiment. FIG.1 (b) is a perspective view which shows the external appearance of the air battery shown by Fig.1 (a). The air battery shown in FIG. 1A includes a negative electrode current collector 2 formed on the inner bottom surface of a lower insulating case 1a, a negative electrode lead 2 'connected to the negative electrode current collector 2, and a negative electrode current collector 2 A negative electrode layer 3 made of metal Li and formed thereon, an air electrode layer 4 containing a conductive material, an air electrode mesh 5 and an air electrode current collector 6 for collecting the air electrode layer 4, and an air electrode current collector Upper insulating case having an air electrode lead 6 ′ connected to the electric body 6, a separator 7 installed between the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4, and a microporous film 8 provided for supplying oxygen. 1b, and the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4, and the electrolyte solution 9 containing a sulfur-containing cyclic compound.
Hereinafter, the air battery of this embodiment is demonstrated for every structure.

(1)電解質
本実施態様に用いられる電解質は、空気極層および負極層の間で金属イオンの伝導を担い、少なくとも硫黄含有環状化合物を含有する。
(1) Electrolyte The electrolyte used in the present embodiment is responsible for the conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, and contains at least a sulfur-containing cyclic compound.

(i)硫黄含有環状化合物
まず、本実施態様に用いられる硫黄含有環状化合物について説明する。本実施態様に用いられる硫黄含有環状化合物は、硫黄元素(S)を有し、環状構造を有する化合物であれば特に限定されるものではないが、中でもS=O結合を有することが好ましい。詳細は不明であるが、S=O結合の酸素元素は非共有電子対を有しているため、S=O結合を有する皮膜が導電性材料の表面に形成されることで、皮膜近傍のリチウムイオンが移動し易くなったり、皮膜近傍の酸素が吸着しやすくなったりすると考えられる。
(I) Sulfur-containing cyclic compound First, the sulfur-containing cyclic compound used in this embodiment will be described. The sulfur-containing cyclic compound used in the present embodiment is not particularly limited as long as it has a sulfur element (S) and has a cyclic structure, but preferably has an S═O bond. Although details are unknown, since the oxygen element of the S═O bond has an unshared electron pair, a film having an S═O bond is formed on the surface of the conductive material, so that lithium in the vicinity of the film is formed. It is considered that ions easily move and oxygen near the film is easily adsorbed.

本実施態様においては、硫黄含有環状化合物が上述した一般式(1)で表される化合物であることが好ましい。   In this embodiment, the sulfur-containing cyclic compound is preferably a compound represented by the general formula (1) described above.

一般式(1)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。本実施態様において、RおよびRにより形成される環構成部の主骨格は、炭素から形成されていることが好ましい。さらに、その炭素から形成された主骨格(炭素主骨格)は、飽和結合のみから形成されたものであっても良く、不飽和結合を含むものであっても良い。また、上記の炭素主骨格は、任意の側鎖官能基を有していても良い。側鎖官能基としては、例えばアルキル基、アルケニル基およびアリール基等を挙げることができる。上記アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基およびプロピル基等を挙げることができる。上記アルケニル基としては、例えばビニル基およびプロペニル基等を挙げることができる。上記アリール基としては、例えばフェニル基およびナフチル基等を挙げることができる。また、本実施態様においては、炭素主骨格に結合する水素元素の一部あるいは全部、または側鎖官能基が有する水素元素の一部あるいは全部が、ハロゲン元素によって置換されていても良い。特に、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物の水素元素が、1個〜3個の範囲内でハロゲン元素によって置換されていることが好ましい。また、上記ハロゲン元素としては、例えばフッ素元素、塩素元素、臭素元素およびヨウ素元素等を挙げることができ、中でもフッ素元素が好ましい。電解液の溶存酸素量を向上させることができるからである。 In the general formula (1), R 1 and R 2 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. In this embodiment, the main skeleton of the ring constituent part formed by R 1 and R 2 is preferably formed from carbon. Furthermore, the main skeleton (carbon main skeleton) formed from the carbon may be formed only from a saturated bond or may include an unsaturated bond. The carbon main skeleton may have an arbitrary side chain functional group. Examples of the side chain functional group include an alkyl group, an alkenyl group, and an aryl group. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, and a propyl group. Examples of the alkenyl group include a vinyl group and a propenyl group. Examples of the aryl group include a phenyl group and a naphthyl group. In this embodiment, part or all of the hydrogen element bonded to the carbon main skeleton or part or all of the hydrogen element of the side chain functional group may be substituted with a halogen element. In particular, in this embodiment, it is preferable that the hydrogen element of the sulfur-containing cyclic compound is substituted with a halogen element in the range of 1 to 3. Examples of the halogen element include a fluorine element, a chlorine element, a bromine element, and an iodine element. Among these, a fluorine element is preferable. This is because the amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution can be improved.

特に、本実施態様においては、一般式(1)で表される化合物が、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、フェニルエチレンサルファイト、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。なお、本実施態様においては、上記化合物の構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものを用いることができるが、中でも、上述したように、上記化合物の炭素主骨格に結合する水素元素の一部あるいは全部、または上記化合物の側鎖官能基が有する水素元素の一部あるいは全部が、ハロゲン元素によって置換されていていることが好ましい。このことは、後述する一般式(2)〜一般式(4)で表される化合物についても同様である。   In particular, in this embodiment, the compound represented by the general formula (1) contains ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, vinylene sulfite, phenylethylene sulfite, or a part of these constituent elements. It is preferable that it is substituted with a halogen element. In this embodiment, a component obtained by substituting a part of the constituent elements of the compound with a halogen element can be used. Among them, as described above, one of the hydrogen elements bonded to the carbon main skeleton of the compound is used. It is preferable that a part or the whole or a part or all of the hydrogen element contained in the side chain functional group of the compound is substituted with a halogen element. The same applies to the compounds represented by the general formulas (2) to (4) described later.

また、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物が上述した一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。   Moreover, in this embodiment, it is preferable that a sulfur containing cyclic compound is a compound represented by General formula (2) mentioned above.

一般式(2)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。RおよびRの好ましい態様については、上記した一般式(1)におけるRおよびRの態様と同様であるので、ここでの記載は省略する。 In the general formula (2), R 3 and R 4 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. The preferred embodiments of R 3 and R 4 are the same as the embodiments of R 1 and R 2 in the general formula (1) described above, and therefore description thereof is omitted here.

特に、本実施態様においては、一般式(2)で表される化合物が、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、3−フェニル−1,3−プロパンスルトン、4−フェニル−1,4−ブタンスルトン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。   In particular, in this embodiment, the compound represented by the general formula (2) is 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 3-phenyl-1,3-propane sultone, 4-phenyl-1, It is preferable that 4-butane sultone or a part of these constituent elements is substituted with a halogen element.

また、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物が上述した一般式(3)で表される化合物であることが好ましい。   Moreover, in this embodiment, it is preferable that a sulfur containing cyclic compound is a compound represented by General formula (3) mentioned above.

一般式(3)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。RおよびRの好ましい態様については、上記した一般式(1)におけるRおよびRの態様と同様であるので、ここでの記載は省略する。 In the general formula (3), R 5 and R 6 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. The preferred embodiments of R 5 and R 6 are the same as the embodiments of R 1 and R 2 in the general formula (1) described above, so description thereof is omitted here.

特に、本実施態様においては、一般式(3)で表される化合物が、スルホラン、2−メチルスルホラン、3−メチルスルホラン、2−エチルスルホラン、3−エチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン、2−フェニルスルホラン、3−フェニルスルホラン、スルホレン、3−メチルスルホレン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。   In particular, in this embodiment, the compound represented by the general formula (3) is sulfolane, 2-methylsulfolane, 3-methylsulfolane, 2-ethylsulfolane, 3-ethylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 2 -Phenylsulfolane, 3-phenylsulfolane, sulfolene, 3-methylsulfolene, or a part of these constituent elements is preferably substituted with a halogen element.

また、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物が上述した一般式(4)で表される化合物であることが好ましい。   Moreover, in this embodiment, it is preferable that a sulfur containing cyclic compound is a compound represented by General formula (4) mentioned above.

一般式(4)において、RおよびRは独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。RおよびRの好ましい態様については、上記した一般式(1)におけるRおよびRの態様と同様であるので、ここでの記載は省略する。 In the general formula (4), R 7 and R 8 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. The preferred embodiments of R 7 and R 8 are the same as the embodiments of R 1 and R 2 in the general formula (1) described above, so description thereof is omitted here.

特に、本実施態様においては、一般式(4)で表される化合物が、エチレングリコール硫酸エステル、1,2−プロパンジオール硫酸エステル、1,3−プロパンジオール硫酸エステル、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることが好ましい。   In particular, in this embodiment, the compound represented by the general formula (4) is ethylene glycol sulfate, 1,2-propanediol sulfate, 1,3-propanediol sulfate, or one of these constituent elements. It is preferable that the part is substituted with a halogen element.

また、電解質における硫黄含有環状化合物の含有量は、導電性材料の比表面積および細孔容量等により大きく異なるものであり、特に限定されるものではない。また、本実施態様に用いられる硫黄含有環状化合物は、常温で液体であっても良く、常温で固体であっても良い。   In addition, the content of the sulfur-containing cyclic compound in the electrolyte varies greatly depending on the specific surface area and pore volume of the conductive material, and is not particularly limited. In addition, the sulfur-containing cyclic compound used in the present embodiment may be liquid at normal temperature or solid at normal temperature.

(ii)電解質の形態
本実施態様に用いられる電解質の形態は、硫黄含有環状化合物を含有し、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば液状、ゲル状および固体状等を挙げることができ、中でも液状およびゲル状、特に液状が好ましい。液状の電解質としては、具体的には電解液およびイオン性液体等を挙げることができ、中でも電解液が好ましい。
(Ii) Form of electrolyte The form of the electrolyte used in this embodiment is not particularly limited as long as it contains a sulfur-containing cyclic compound and has metal ion conductivity. Examples thereof include solid forms, and liquid and gel forms, particularly liquid forms are preferred. Specific examples of the liquid electrolyte include an electrolytic solution and an ionic liquid. Among them, the electrolytic solution is preferable.

上記電解液は、通常、支持塩と、硫黄含有環状化合物とを有する。ここで、硫黄含有環状化合物が常温で固体である場合、電解液は、支持塩および硫黄含有環状化合物に加えて、通常はさらに溶媒を含有する。一方、硫黄含有環状化合物が常温で液体である場合、電解液は、支持塩および硫黄含有環状化合物のみを含有するものであっても良く、支持塩、硫黄含有環状化合物および溶媒を含有するものであっても良い。なお、前者の場合には、硫黄含有環状化合物が、所望の支持塩濃度を実現できる程度の溶解性を有していることが好ましい。   The electrolytic solution usually has a supporting salt and a sulfur-containing cyclic compound. Here, when the sulfur-containing cyclic compound is solid at room temperature, the electrolytic solution usually further contains a solvent in addition to the supporting salt and the sulfur-containing cyclic compound. On the other hand, when the sulfur-containing cyclic compound is liquid at room temperature, the electrolytic solution may contain only a supporting salt and a sulfur-containing cyclic compound, or contain a supporting salt, a sulfur-containing cyclic compound and a solvent. There may be. In the former case, it is preferable that the sulfur-containing cyclic compound has solubility enough to achieve a desired supported salt concentration.

電解液に用いられる支持塩の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて適宜選択することが好ましい。以下、電解液の一例として、リチウム空気電池に用いられる電解液について説明する。   The type of the supporting salt used in the electrolytic solution is preferably selected as appropriate according to the type of metal ion to be conducted. Hereinafter, as an example of the electrolytic solution, an electrolytic solution used for a lithium-air battery will be described.

リチウム空気電池の電解液に用いられる支持塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClOおよびLiAsF等の無機リチウム塩;およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。電解液における支持塩の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば0.2mol/l〜5mol/lの範囲内、中でも0.5mol/l〜3mol/lの範囲内であることが好ましい。 Examples of the supporting salt used for the electrolyte of the lithium air battery include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C And organic lithium salts such as 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 . The content of the supporting salt in the electrolytic solution is not particularly limited. For example, it is within the range of 0.2 mol / l to 5 mol / l, and particularly within the range of 0.5 mol / l to 3 mol / l. preferable.

また、上述したように、リチウム空気電池の電解液は、溶媒を含有していても良い。上記溶媒としては、一般的なリチウム空気電池の電解液に用いられる非水溶媒と同様のものを用いることができ、具体的にはエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、およびこれらの混合溶媒等を挙げることができる。中でも本実施態様においては、ECまたはPCと、DECまたはEMCとを組合せた混合溶媒が好ましい。また、本実施態様に用いられる電解液は、イオン性液体を含有するものであっても良い。   Moreover, as above-mentioned, the electrolyte solution of a lithium air battery may contain the solvent. As said solvent, the thing similar to the nonaqueous solvent used for the electrolyte solution of a general lithium air battery can be used, Specifically, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC) ), Diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, And a mixed solvent thereof. Among these, in this embodiment, a mixed solvent in which EC or PC and DEC or EMC are combined is preferable. Moreover, the electrolyte solution used for this embodiment may contain an ionic liquid.

なお、本実施態様においては、硫黄含有環状化合物を含有することを特徴とする空気電池用電解質を提供することもできる。   In addition, in this embodiment, the electrolyte for air batteries characterized by containing a sulfur containing cyclic compound can also be provided.

(2)空気極
次に、本実施態様に用いられる空気極について説明する。本実施態様に用いられる空気極は、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する。
(2) Air electrode Next, the air electrode used for this embodiment is demonstrated. The air electrode used in this embodiment has an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer.

上記空気極層は、少なくとも導電性材料を含有する。導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料等を挙げることができる。さらに、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本実施態様においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。比表面積が大きく、多くの反応場を提供することができるからである。多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。空気極層における導電性材料の含有量としては、例えば65重量%〜99重量%の範囲内、中でも75重量%〜95重量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるからである。   The air electrode layer contains at least a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a carbon material. Further, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure. However, in the present embodiment, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the specific surface area is large and many reaction fields can be provided. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include graphite, acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber. The content of the conductive material in the air electrode layer is, for example, preferably in the range of 65% to 99% by weight, and more preferably in the range of 75% to 95% by weight. If the content of the conductive material is too small, the reaction field may decrease and the battery capacity may be reduced. If the content of the conductive material is too large, the content of the catalyst is relatively reduced and sufficient. This is because it may not be possible to exert a proper catalytic function.

本実施態様において、導電性材料は、触媒を担持していることが好ましい。電極反応がよりスムーズに行われるからである。上記触媒としては、例えばコバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を挙げることができる。空気極層における触媒の含有量としては、例えば1重量%〜30重量%の範囲内、中でも5重量%〜20重量%の範囲内であることが好ましい。触媒の含有量が少なすぎると、充分な触媒機能を発揮できない可能性があり、触媒の含有量が多すぎると、相対的に導電性材料の含有量が減り、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があるからである。   In this embodiment, the conductive material preferably carries a catalyst. This is because the electrode reaction is performed more smoothly. Examples of the catalyst include cobalt phthalocyanine and manganese dioxide. The catalyst content in the air electrode layer is, for example, preferably in the range of 1% by weight to 30% by weight, and more preferably in the range of 5% by weight to 20% by weight. If the catalyst content is too low, sufficient catalytic function may not be achieved. If the catalyst content is too high, the content of the conductive material is relatively reduced, the reaction field is reduced, and the battery capacity is reduced. This is because there is a possibility that a decrease in the number of times will occur.

上記空気極層は、少なくとも導電性材料を含有してれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着材を含有することが好ましい。結着材としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。空気極層における結着材の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば30重量%以下、中でも1重量%〜10重量%の範囲内であることが好ましい。   The air electrode layer only needs to contain at least a conductive material, but preferably further contains a binder for fixing the conductive material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Although it does not specifically limit as content of the binder in an air electrode layer, For example, it is preferable that it is in the range of 30 weight% or less, especially 1 weight%-10 weight%.

上記空気極層の厚さは、空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μmの範囲内、中でも5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the air electrode layer varies depending on the application of the air battery and the like, but is preferably in the range of 2 μm to 500 μm, and more preferably in the range of 5 μm to 300 μm.

一方、上記空気極集電体は、空気極層の集電を行う機能を有するものである。空気極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本実施態様においては、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、本実施態様の空気電池は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を有していても良い。また、本実施態様においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。   On the other hand, the air electrode current collector has a function of collecting current in the air electrode layer. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Especially, in this embodiment, it is preferable that the shape of the air electrode current collector is a mesh shape. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the air battery of the present embodiment may have another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects the charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. good. Moreover, in this embodiment, the battery case mentioned later may have the function of the air electrode current collector.

(3)負極
次に、本実施態様に用いられる負極について説明する。本実施態様に用いられる負極は、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する。
(3) Negative Electrode Next, the negative electrode used in this embodiment will be described. The negative electrode used in this embodiment has a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode layer.

上記負極層は、少なくとも負極活物質を含有する。負極活物質としては、一般的な空気電池の負極活物質を用いることができ、特に限定されるものではない。なお、本実施態様の空気電池が二次電池である場合、負極活物質は、通常、金属イオンを吸蔵・放出することができるものである。本実施態様の空気電池がリチウム空気二次電池である場合、用いられる負極活物質としては、例えば金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウムおよび炭素材料が好ましく、高容量化の観点から金属リチウムがより好ましい。   The negative electrode layer contains at least a negative electrode active material. As a negative electrode active material, the negative electrode active material of a general air battery can be used, and it is not specifically limited. In addition, when the air battery of this embodiment is a secondary battery, a negative electrode active material is what can occlude / release metal ion normally. When the air battery of this embodiment is a lithium-air secondary battery, examples of the negative electrode active material used include carbon materials such as metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, metal nitride, and graphite. Among them, metallic lithium and carbon materials are preferable, and metallic lithium is more preferable from the viewpoint of increasing capacity.

上記負極層は、少なくとも負極活物質を含有してれば良いが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着材を含有していても良い。結着材の種類、使用量等については、上述した「(2)空気極」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。   Although the said negative electrode layer should just contain a negative electrode active material at least, it may contain the binder which fixes a negative electrode active material as needed. Since the kind of binder, the amount of use, and the like are the same as the contents described in “(2) Air electrode” described above, description thereof is omitted here.

一方、上記負極集電体は、負極層の集電を行う機能を有するものである。負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本実施態様においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。   On the other hand, the negative electrode current collector has a function of collecting current in the negative electrode layer. The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In this embodiment, a battery case described later may have the function of a negative electrode current collector.

(4)セパレータ
次に、本実施態様に用いられるセパレータについて説明する。本実施態様に用いられるセパレータは、上記空気極層および上記負極層の間に設置されるものである。セパレータとしては、空気極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布;およびリチウムポリマー電池に使用されているポリマー材料等を挙げることができる。
(4) Separator Next, the separator used in this embodiment will be described. The separator used in this embodiment is installed between the air electrode layer and the negative electrode layer. The separator is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the air electrode layer and the negative electrode layer. For example, a porous film such as polyethylene and polypropylene; a resin nonwoven fabric, a glass fiber nonwoven fabric and the like Nonwoven fabrics; and polymer materials used in lithium polymer batteries.

(5)電池ケース
次に、本実施態様に用いられる電池ケースについて説明する。本実施態様に用いられる電池ケースの形状としては、上述した空気極、負極、セパレータ、電解質を保持することができれば特に限定されるものではないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒、ラミネート型等を挙げることができる。また、電池ケースは、開放型電池ケースであっても良く、密閉型電池ケースであっても良い。ここで、開放型電池ケースとは、大気と接触可能な電池ケースをいい、上述した図1に示すような電池ケースをいう。一方、電池ケースが密閉型電池ケースである場合は、密閉型電池ケースに、空気(酸素)の供給管および排出管を設けることが好ましい。
(5) Battery Case Next, the battery case used in this embodiment will be described. The shape of the battery case used in this embodiment is not particularly limited as long as it can hold the above-described air electrode, negative electrode, separator, and electrolyte, but specifically, a coin type, a flat plate type, a cylinder, A laminating type etc. can be mentioned. The battery case may be an open battery case or a sealed battery case. Here, the open battery case refers to a battery case that can come into contact with the atmosphere, and refers to the battery case as shown in FIG. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide an air (oxygen) supply pipe and a discharge pipe in the sealed battery case.

(6)空気電池
本実施態様の空気電池は、電解質が、上述した硫黄含有環状化合物を有するものであれば特に限定されるものではない。中でも、本実施態様の空気電池は、放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされていることが好ましい。空気極層および負極層が常に電解液で満たされていれば、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができるからである。
(6) Air battery The air battery of this embodiment is not particularly limited as long as the electrolyte has the above-described sulfur-containing cyclic compound. Among them, in the air battery of this embodiment, it is preferable that the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution when the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge occurs. This is because if the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution, an increase in internal resistance due to the shortage of the electrolytic solution can be suppressed.

なお、空気電池には、放電または充放電に伴い電極(空気極および負極)の体積が大きく変化し、電解液が不足する状況が生じるという問題がある。具体的には、放電時に、負極では、LiがLiイオンとして溶出し、空気極では、リチウム酸化物が析出する。この際、リチウム酸化物(例えばLi)の密度が、Liの密度よりも大きいことから、電極全体として体積比35%もの収縮が起こる。その結果、放電末期に電解液量が不足し、空気極等の一部が電解液に浸されない状態となり、内部抵抗が増えるという問題があった。また、金属Li以外の材料として、グラファイト等の炭素材料を負極活物質に用いた場合は、負極での体積変化が少ないが、空気極でLi等が生成し、空気極中の電解液が外に押し出されると、電池内の空隙等に電解液が移動してしまい、充電時Liが溶解した後に、電解液が空気極に戻り難くなり、結果として電解液量が不足して、やはり内部抵抗につながるという問題がある。これに対して、放電または充放電に伴う電極の体積変化が生じた際であっても、空気極層および負極層が常に電解液を満たすことで、電解液不足に起因する内部抵抗の増加を抑制することができるのである。 Note that the air battery has a problem that the volume of the electrodes (air electrode and negative electrode) changes greatly with discharge or charge / discharge, resulting in a situation where the electrolyte is insufficient. Specifically, during discharge, Li elutes as Li ions at the negative electrode, and lithium oxide precipitates at the air electrode. At this time, since the density of the lithium oxide (for example, Li 2 O 2 ) is larger than the density of Li, the entire electrode contracts as much as 35% by volume. As a result, there is a problem in that the amount of the electrolytic solution is insufficient at the end of discharge, and a part of the air electrode or the like is not immersed in the electrolytic solution, thereby increasing the internal resistance. In addition, when a carbon material such as graphite is used as the negative electrode active material as a material other than metal Li, the volume change at the negative electrode is small, but Li 2 O 2 or the like is generated at the air electrode, and electrolysis in the air electrode When the liquid is pushed out, the electrolyte moves to the voids in the battery, and after the Li 2 O 2 is dissolved during charging, it becomes difficult for the electrolyte to return to the air electrode. As a result, the amount of the electrolyte is insufficient. However, there is also a problem that it leads to internal resistance. In contrast, even when the volume of the electrode changes due to discharge or charge / discharge, the air electrode layer and the negative electrode layer always fill the electrolyte solution, thereby increasing the internal resistance due to insufficient electrolyte solution. It can be suppressed.

放電または充放電に伴う体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている状態にする構成としては、例えば、電解液を循環させる構成を挙げることができる。電解液を循環させることにより、従来の空気電池を使用する場合に存在した、電解液と大気との気液界面を生じさせないで充放電を行うことができ、電極の体積変化が生じた場合であっても、空気極層および負極層を常に電解液で満たすことができる。また、揮発による電解液の減少を防止することができるという利点も有する。また電解液を循環させることにより、充電反応により生じる酸素を、空気極層から効率良く除去することも可能である。   An example of a configuration in which the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolyte when a volume change associated with discharge or charge / discharge occurs is a configuration in which the electrolyte is circulated. By circulating the electrolyte, charging / discharging can be performed without causing a gas-liquid interface between the electrolyte and the air, which existed when using a conventional air battery. Even if it exists, an air electrode layer and a negative electrode layer can always be satisfy | filled with electrolyte solution. In addition, there is an advantage that it is possible to prevent a decrease in the electrolyte due to volatilization. Further, by circulating the electrolytic solution, it is possible to efficiently remove oxygen generated by the charging reaction from the air electrode layer.

電解液を循環させる構成としては、具体的には、図2に示すように、モーター等の電解液移動手段11を用いて、電解液9を、負極層3、セパレータ7および空気極層4の順に循環させる構成を挙げることができる。放電時には、バブリング等の酸素供給手段12を用いて酸素13を空気極層4に供給し、過剰の酸素は、排気手段14により除去する。酸素供給手段12が、電解液9に溶存する酸素濃度を適度に上昇させることができるものであれば、排気手段14は特に必要ない。また、充電時には、図2に示した電解液の流れと反対の方向に電解液を循環させても良い。なお、図2においては、便宜上、空気極集電体および負極集電体は省略してあるが、適切な方法で集電を行えば良い。   Specifically, as shown in FIG. 2, the electrolytic solution is circulated by using an electrolytic solution moving means 11 such as a motor to divide the electrolytic solution 9 into the negative electrode layer 3, the separator 7, and the air electrode layer 4. A configuration in which they are circulated in order can be given. At the time of discharge, oxygen 13 is supplied to the air electrode layer 4 using oxygen supply means 12 such as bubbling, and excess oxygen is removed by the exhaust means 14. If the oxygen supply means 12 can raise the oxygen concentration dissolved in the electrolyte 9 appropriately, the exhaust means 14 is not particularly necessary. Further, at the time of charging, the electrolytic solution may be circulated in the direction opposite to the flow of the electrolytic solution shown in FIG. In FIG. 2, for convenience, the air electrode current collector and the negative electrode current collector are omitted, but current collection may be performed by an appropriate method.

放電または充放電に伴う体積変化が生じた際に、空気極層および負極層が常に電解液で満たされている状態にする別の構成としては、電解液を多く用いる構成を挙げることができる。充分に多くの電解液を用いることで、空気極層が電解液不足になることを防止することができる。   As another configuration in which the air electrode layer and the negative electrode layer are always filled with the electrolytic solution when a volume change caused by discharge or charge / discharge occurs, a configuration using a large amount of the electrolytic solution can be given. By using a sufficiently large amount of electrolyte, it is possible to prevent the air electrode layer from becoming insufficient.

すなわち、本実施態様においては、放電または充放電に伴う電極の体積変化により上記電解液の液面の高さが変化する場合に、上記電解液の液面の最も下がった位置が、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置よりも高いことが好ましい。電解液の量を、上記の位置となるように設定することで、電解液が不足することを防止できるからである。なお、例えば負極層に金属Liを用いた場合は、放電によりリチウムが溶出する反応が起き、電極全体の体積が減少する。従って、通常は、放電終了時の電解液の液面が、最も下がった位置に相当する。   That is, in this embodiment, when the level of the electrolyte solution changes due to a change in the volume of the electrode due to discharge or charge / discharge, the position at which the liquid level of the electrolyte solution is lowered is the air electrode. It is preferable that it is higher than the position of the uppermost surface of the layer and the negative electrode layer. It is because it can prevent that electrolyte solution runs short by setting the quantity of electrolyte solution to become said position. For example, when metal Li is used for the negative electrode layer, a reaction in which lithium is eluted by discharge occurs, and the volume of the entire electrode is reduced. Therefore, normally, the level of the electrolytic solution at the end of discharge corresponds to the lowest position.

「空気極層および負極層の最上面」は、空気電池の構成によって、空気極層の最上面を意味する場合と、負極層の最上面を意味する場合と、空気極層および負極層の最上面を意味する場合とがある。それぞれの場合について図3を用いて説明する。なお、便宜上、空気極集電体および負極集電体は省略してある。   The “top surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer” refers to the case where the top surface of the air electrode layer, the top surface of the negative electrode layer, the top surface of the air electrode layer and the negative electrode layer, depending on the configuration of the air battery. Sometimes it means the top surface. Each case will be described with reference to FIG. For convenience, the air electrode current collector and the negative electrode current collector are omitted.

図3(a)は、電解液の液面の最も下がった位置が、空気極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図3(a)に示される空気電池は、電池ケース1の内底面から、負極層3、セパレータ7および空気極層4の順に形成された空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、空気極層4の最上面よりも高い位置になるものである。この空気電池は、酸素の供給が容易であるという利点を有する。   FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the electrolytic solution is lowered is higher than the uppermost surface of the air electrode layer. The air battery shown in FIG. 3A is an air battery in which the negative electrode layer 3, the separator 7, and the air electrode layer 4 are formed in this order from the inner bottom surface of the battery case 1, and the position where the electrolyte solution 9 is lowest. Is higher than the uppermost surface of the air electrode layer 4. This air battery has an advantage that oxygen can be easily supplied.

図3(b)は、電解液の液面の最も下がった位置が、負極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図3(b)に示される空気電池は、電池ケース1の内底面から、空気極層4、セパレータ7および負極層3の順に形成された空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、負極層3の最上面よりも高い位置になるものである。さらに、この空気電池は、空気極層が負極層よりも下となる構造を有するため、必要に応じて、酸素供給手段12や排気手段14を設けても良い。   FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating an aspect in which the position where the liquid level of the electrolytic solution is lowest is higher than the uppermost surface of the negative electrode layer. The air battery shown in FIG. 3B is an air battery in which the air electrode layer 4, the separator 7 and the negative electrode layer 3 are formed in this order from the inner bottom surface of the battery case 1, and the position where the electrolyte solution 9 is lowest. Is higher than the uppermost surface of the negative electrode layer 3. Furthermore, since this air battery has a structure in which the air electrode layer is below the negative electrode layer, the oxygen supply means 12 and the exhaust means 14 may be provided as necessary.

図3(c)は、電解液の液面が最も下がった位置が、空気極層および負極層の最上面よりも高い態様を示す概略断面図である。図3(c)に示される空気電池は、セパレータ7と、セパレータ7の一方の表面に配置された負極層3と、セパレータ7の他方の表面に配置された空気極層4と、を有する円柱状の空気電池であって、電解液9の最も下がった位置が、負極層3および空気極層4の最上面よりも高い位置になるものである。   FIG. 3C is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the position where the liquid level of the electrolytic solution is lowest is higher than the uppermost surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer. The air battery shown in FIG. 3C has a circle having a separator 7, a negative electrode layer 3 disposed on one surface of the separator 7, and an air electrode layer 4 disposed on the other surface of the separator 7. In the columnar air battery, the lowest position of the electrolyte 9 is higher than the uppermost surfaces of the negative electrode layer 3 and the air electrode layer 4.

本実施態様においては、上記電解液の最も下がった位置が、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置よりも高いことが好ましい。上記電解液の最も下がった位置と、上記空気極層および上記負極層の最上面の位置との高さの差としては、用いられる電池ケースの容積等により異なるものであるが、例えば1mm〜30mmの範囲内、中でも3mm〜10mmの範囲内であることが好ましい。上記高さの差が小さすぎると、溶媒等の揮発により電解液不足が生じ易くなり、上記高さの差が大きすぎると、酸素の供給が遅くなってしまい、高率放電特性が悪くなる恐れがあるからである。また、電解液の初期投入量は、放電または充放電に伴う電極の体積変化を予め測定または計算しておき、最適な投入量を決定することが好ましい。   In this embodiment, it is preferable that the position where the electrolyte solution is lowered is higher than the positions of the uppermost surfaces of the air electrode layer and the negative electrode layer. The difference in height between the position where the electrolyte solution is lowered and the position of the uppermost surface of the air electrode layer and the negative electrode layer varies depending on the volume of the battery case used, for example, 1 mm to 30 mm. In particular, it is preferable to be in the range of 3 mm to 10 mm. If the difference in height is too small, the electrolyte may be insufficient due to volatilization of the solvent, etc., and if the difference in height is too large, the supply of oxygen may be delayed and high-rate discharge characteristics may deteriorate. Because there is. Moreover, it is preferable that the initial input amount of the electrolytic solution is determined by measuring or calculating in advance the volume change of the electrode accompanying discharge or charge / discharge, and determining the optimal input amount.

また、本実施態様の空気電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良い。さらに、空気電池の種類としては、例えばリチウム空気電池、ナトリウム空気電池、マグネシウム空気電池、カルシウム空気電池およびカリウム空気電池等を挙げることができ、中でもリチウム空気電池が好ましい。また、本実施態様の空気電池の用途は、特に限定されるものではないが、例えば車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途等を挙げることができる。   In addition, the air battery of this embodiment may be a primary battery or a secondary battery. Furthermore, examples of the air battery include a lithium air battery, a sodium air battery, a magnesium air battery, a calcium air battery, and a potassium air battery, and among them, a lithium air battery is preferable. In addition, the use of the air battery according to the present embodiment is not particularly limited, and examples thereof include a vehicle mounting application, a stationary power supply application, and a household power supply application.

(7)空気電池の製造方法
次に、本実施態様の空気電池の製造方法について説明する。本実施態様の空気電池の製造方法は、上述した空気電池を得ることができる方法であれば、特に限定されるものではなく、一般的な空気電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。例えば、硫黄含有環状化合物を含有する電解液を用いてコインセル型の空気電池を製造する場合は、不活性ガス雰囲気下において、まず、負極層および負極集電体を有する負極を負極側電池ケースに配置し、次に、その負極層上にセパレータを配置し、次に、そのセパレータ上から硫黄含有環状化合物を含有する電解液を注液し、次に、空気極層および空気極集電体を有する空気極を、空気極をセパレータ側に向けて配置し、次に、空気極側電池ケースに配置し、最後にこれらをかしめる方法等を挙げることができる。
(7) Air Battery Manufacturing Method Next, the air battery manufacturing method of this embodiment will be described. The method for producing an air battery according to this embodiment is not particularly limited as long as the above-described air battery can be obtained, and a method similar to a general method for producing an air battery can be used. . For example, when a coin cell type air battery is manufactured using an electrolytic solution containing a sulfur-containing cyclic compound, first, a negative electrode having a negative electrode layer and a negative electrode current collector is used as a negative electrode battery case in an inert gas atmosphere. And then placing a separator on the negative electrode layer, then injecting an electrolytic solution containing a sulfur-containing cyclic compound from the separator, and then, air electrode layer and air electrode current collector A method of arranging the air electrode having the air electrode facing the separator side, then arranging the air electrode in the air electrode side battery case, and finally caulking them can be exemplified.

なお、本実施態様においては、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有する空気電池の製造方法であって、上記電解質として、硫黄含有環状化合物を含有する電解質を用いることを特徴とする空気電池の製造方法を提供することもできる。   In the present embodiment, an air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting the current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte responsible for conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, A method for producing an air battery, characterized in that an electrolyte containing a sulfur-containing cyclic compound is used as the electrolyte.

2.第二実施態様
次に、本発明の空気電池の第二実施態様について説明する。本実施態様の空気電池は、導電性材料を含有する空気極層および上記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および上記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、上記空気極層および上記負極層の間に設置されたセパレータと、上記空気極層および上記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有する空気電池であって、上記電解質が硫黄含有環状化合物を含有し、上記硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、上記導電性材料の表面を被覆していることを特徴とするものである。
2. Second Embodiment Next, a second embodiment of the air battery of the present invention will be described. The air battery of this embodiment includes an air electrode layer having a conductive material and an air electrode current collector that collects the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode layer. A negative electrode having a negative electrode current collector for collecting the current, a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte responsible for conduction of metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer, Wherein the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound, and a decomposition product obtained by decomposing all or part of the sulfur-containing cyclic compound covers the surface of the conductive material. It is characterized by being.

本実施態様によれば、硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、導電性材料の表面を被覆しているため、金属イオン(例えばリチウムイオン)が移動し易くなり、出力特性およびサイクル特性に優れた空気電池とすることができる。   According to this embodiment, since the decomposition product formed by decomposition of all or part of the sulfur-containing cyclic compound covers the surface of the conductive material, metal ions (for example, lithium ions) can easily move. Thus, an air battery having excellent output characteristics and cycle characteristics can be obtained.

本実施態様においては、電解質が硫黄含有環状化合物を含有する。硫黄含有環状化合物の種類、電解質の種類、空気電池を構成する各部材の好ましい態様、およびその他の事項については、上記「1.第一実施態様」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。   In this embodiment, the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound. Since the type of sulfur-containing cyclic compound, the type of electrolyte, the preferred mode of each member constituting the air battery, and other matters are the same as those described in the above “1. First embodiment”, Is omitted.

また、本実施態様においては、通常、硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、導電性材料の表面を被覆している。硫黄含有環状化合物の分解生成物で導電性材料の表面を被覆する方法としては、例えば電気化学的処理による方法を挙げることができる。具体的には、上述した第一実施態様の空気電池を用いて、放電処理を行い、硫黄含有環状化合物の還元分解を行う方法等を挙げることができる。この際、硫黄含有環状化合物が開環分解して、導電性材料の表面を被覆すると考えられる。上記放電処理としては、例えば、リチウムを対極として0V〜0.5V程度までに到達するまで放電する処理等を挙げることができる。この際、電流は20mA/(g−carbon)以下であることが好ましい。硫黄含有環状化合物の分解生成物による皮膜の厚さ等については、出力特性およびサイクル特性の向上に寄与できる程度の範囲であれば特に限定されるものではない。   In this embodiment, usually, a decomposition product formed by decomposition of all or part of the sulfur-containing cyclic compound covers the surface of the conductive material. As a method for coating the surface of the conductive material with the decomposition product of the sulfur-containing cyclic compound, for example, a method by electrochemical treatment can be mentioned. Specifically, a method of performing a discharge treatment using the air battery of the first embodiment described above to perform reductive decomposition of a sulfur-containing cyclic compound can be exemplified. At this time, it is considered that the sulfur-containing cyclic compound undergoes ring-opening decomposition and covers the surface of the conductive material. Examples of the discharge process include a process of discharging until reaching 0 V to about 0.5 V using lithium as a counter electrode. At this time, the current is preferably 20 mA / (g-carbon) or less. The thickness of the film formed by the decomposition product of the sulfur-containing cyclic compound is not particularly limited as long as it is within a range that can contribute to improvement of output characteristics and cycle characteristics.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例1]
本実施例においては、コインセル型のリチウム空気二次電池を作製した。なお、コインセルの組立はアルゴンボックス内で行った。
コインセルの模式図を図4に示す。負極ケース22、空気極ケース20はともにSUS材からなり、空気極ケース20は、直径2mmの貫通孔29を複数有している。まず、負極ケース22の上に、金属リチウム箔24を配置した。金属リチウム箔24として、厚み250μmのシートを直径18mmで打ち抜いたものを使用した。次に、金属リチウム箔24の上にポリエチレン製セパレータ25を設置した。セパレータ25として、厚み25μmのシートを直径19.5mmに打ち抜いたものを使用した。次に、セパレータ25の上から、電解液23をスポイトで注液した。電解液23には、エチレンカーボネート(キシダ化学製):ジエチルカーボネート(キシダ化学製)=1:1(体積比)で混合した混合溶媒中にLiClO(キシダ化学製)を濃度1Mで溶解させ、さらにエチレンサルファイト(硫黄含有環状化合物)を濃度5wt%となるように添加したものを使用した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[Example 1]
In this example, a coin cell type lithium air secondary battery was produced. The coin cell was assembled in an argon box.
A schematic diagram of a coin cell is shown in FIG. Both the negative electrode case 22 and the air electrode case 20 are made of SUS material, and the air electrode case 20 has a plurality of through holes 29 having a diameter of 2 mm. First, a metal lithium foil 24 was disposed on the negative electrode case 22. As the metal lithium foil 24, a sheet having a thickness of 250 μm punched out with a diameter of 18 mm was used. Next, a polyethylene separator 25 was placed on the metal lithium foil 24. As the separator 25, a sheet having a thickness of 25 μm punched to a diameter of 19.5 mm was used. Next, the electrolytic solution 23 was injected from above the separator 25 with a dropper. In the electrolytic solution 23, LiClO 4 (manufactured by Kishida Chemical) was dissolved at a concentration of 1M in a mixed solvent mixed with ethylene carbonate (manufactured by Kishida Chemical): diethyl carbonate (manufactured by Kishida Chemical) = 1: 1 (volume ratio), Furthermore, what added ethylene sulfite (sulfur containing cyclic compound) so that it might become a density | concentration of 5 wt% was used.

次に、空気極メッシュ26に空気極合材27を押さえつけて、空気極メッシュ26に空気極合材27をめり込ませた。空気極メッシュ26として、厚み150μm、直径15mmのNiメッシュを使用した。空気極合材27として、ケッチェンブラック(KB)82重量部と、ポリテトラフルオロエタン(PTFE)3重量部と、電解二酸化マンガン15重量部とをめのう乳鉢にて混練したものを使用した。次に、一体化した空気極メッシュ26および空気極合材27を、空気極集電体28が溶接にて接合された空気極ケース20上に設置した。空気極集電体28として、厚み150μm、直径15mmのNiメッシュを使用した。次に、空気極ケース20にガスケット21をはめ込んだ。   Next, the air electrode composite material 27 was pressed against the air electrode mesh 26, and the air electrode composite material 27 was inserted into the air electrode mesh 26. As the air electrode mesh 26, a Ni mesh having a thickness of 150 μm and a diameter of 15 mm was used. As the air electrode mixture 27, 82 parts by weight of ketjen black (KB), 3 parts by weight of polytetrafluoroethane (PTFE), and 15 parts by weight of electrolytic manganese dioxide were kneaded in an agate mortar. Next, the integrated air electrode mesh 26 and the air electrode mixture 27 were installed on the air electrode case 20 to which the air electrode current collector 28 was joined by welding. A Ni mesh having a thickness of 150 μm and a diameter of 15 mm was used as the air electrode current collector 28. Next, the gasket 21 was fitted into the air electrode case 20.

次に、得られた負極ケースおよび空気極ケースを、コインセル用かしめ機(宝泉製)を用いて接合した。このようにしてコインセルを得た。   Next, the obtained negative electrode case and air electrode case were joined using a coin cell caulking machine (manufactured by Hosen). In this way, a coin cell was obtained.

[実施例2〜10]
電解液23の組成を、下記表1に示したように変更したこと以外は、実施例1と同様にしてコインセルを得た。
[Examples 2 to 10]
A coin cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the electrolytic solution 23 was changed as shown in Table 1 below.

[比較例1]
電解液23として、エチレンカーボネート(キシダ化学製):ジエチルカーボネート(キシダ化学製)=1:1(体積比)で混合した混合溶媒中にLiClO(キシダ化学製)を濃度1Mで溶解させたものを使用したこと(すなわち、硫黄含有環状化合物を用いなかったこと)以外は、実施例1と同様にしてコインセルを得た。
[Comparative Example 1]
As the electrolytic solution 23, LiClO 4 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) dissolved at a concentration of 1M in a mixed solvent mixed with ethylene carbonate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.): Diethyl carbonate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) = 1: 1 (volume ratio). A coin cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the above was used (that is, the sulfur-containing cyclic compound was not used).

[比較例2]
電解液23として、エチレンカーボネート(キシダ化学製):ジエチルカーボネート(キシダ化学製)=1:1(体積比)で混合した混合溶媒中にLiClO(キシダ化学製)を濃度1Mで溶解させ、さらにジメチルスルフォキシド(硫黄含有鎖状化合物)を濃度5wt%となるように添加したものを使用したこと以外は、実施例1と同様にしてコインセルを得た。
[Comparative Example 2]
As an electrolytic solution 23, LiClO 4 (manufactured by Kishida Chemical) was dissolved at a concentration of 1M in a mixed solvent mixed with ethylene carbonate (manufactured by Kishida Chemical): diethyl carbonate (manufactured by Kishida Chemical) = 1: 1 (volume ratio), and A coin cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that dimethyl sulfoxide (sulfur-containing chain compound) was added so as to have a concentration of 5 wt%.

ジメチルスルフォキシド(硫黄含有鎖状化合物)を濃度30wt%となるように添加したこと以外は、比較例2と同様にしてコインセルを得た。   A coin cell was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that dimethyl sulfoxide (sulfur-containing chain compound) was added to a concentration of 30 wt%.

Figure 0005223425
Figure 0005223425

[評価]
実施例1〜10および比較例1〜3で得られたコインセルを用いて、高率放電容量試験およびサイクル試験を行った。
[Evaluation]
Using the coin cells obtained in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3, a high rate discharge capacity test and a cycle test were performed.

(1)高率放電容量試験
まず、得られたコインセルをセルケースにはめ込み、それをガラス容器に入れ、アルミニウム製の蓋で密閉した。なお、正極端子および負極端子の配線は、アルミニウム製の蓋から取り出せるようにした。このガラス容器をアルゴンボックスから取り出し、まず前処理を行った。前処理として、以下の条件で放電および充電を行った。なお、下記(g−carbon)とは、正極層中のカーボン重量をいう。
・放電条件:20mA/(g−carbon)の電流で電池電圧0.3Vになるまで放電を行う
・充電条件:20mA/(g−carbon)の電流で電池電圧3.5Vになるまで充電を行う
なお、この前処理は、アルゴン雰囲気中で行うため、空気電池の反応による酸化物の生成反応は起こらない。
(1) High-rate discharge capacity test First, the obtained coin cell was fitted into a cell case, placed in a glass container, and sealed with an aluminum lid. In addition, the wiring of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal was made to be able to be taken out from an aluminum lid. The glass container was taken out from the argon box and first pretreated. As pretreatment, discharging and charging were performed under the following conditions. The following (g-carbon) refers to the weight of carbon in the positive electrode layer.
・ Discharge condition: Discharge until the battery voltage reaches 0.3V at a current of 20 mA / (g-carbon). Charge condition: Charge until the battery voltage reaches 3.5 V at a current of 20 mA / (g-carbon). In addition, since this pretreatment is performed in an argon atmosphere, an oxide formation reaction due to the reaction of the air battery does not occur.

その後、そのガラス容器に対して、アルミニウム製の蓋に備え付けられた配管を用いて、ガラス容器内をアルゴンから酸素にガス置換した。その後、以下の放電条件で放電を行い、放電容量を測定した。その結果を表2に示す。
・放電条件:100mA/(g−carbon)の電流で電池電圧2Vになるまで放電を行う
Thereafter, the inside of the glass container was gas-substituted from argon to oxygen using a pipe provided in an aluminum lid. Then, it discharged on the following discharge conditions and measured discharge capacity. The results are shown in Table 2.
-Discharge condition: Discharge at a current of 100 mA / (g-carbon) until the battery voltage reaches 2V.

(2)サイクル試験
まず、得られたコインセルをセルケースにはめ込み、それをガラス容器に入れ、アルミニウム製の蓋で密閉した。なお、正極端子および負極端子の配線は、アルミニウム製の蓋から取り出せるようにした。このガラス容器をアルゴンボックスから取り出し、まず前処理を行った。前処理の条件は、上記の高率放電容量試験の場合と同様である。
(2) Cycle test First, the obtained coin cell was fitted in a cell case, put in a glass container, and sealed with an aluminum lid. In addition, the wiring of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal was made to be able to be taken out from an aluminum lid. The glass container was taken out from the argon box and first pretreated. The pretreatment conditions are the same as in the case of the high rate discharge capacity test.

その後、そのガラス容器に対して、アルミニウム製の蓋に備え付けられた配管を用いて、ガラス容器内をアルゴンから酸素にガス置換した。その後、以下の放電条件および充電条件で充放電を行い、10サイクル目の放電容量を測定した。その結果を表2に示す。
・放電条件:50mA/(g−carbon)の電流で電池電圧2Vになるか、1500mAh/(g−carbon)の電気量に到達するまで放電を行う
・充電条件:25mA/(g−carbon)の電流で電池電圧4.3Vになるまで充電を行う
なお、サイクル試験は放電から開始した。
Thereafter, the inside of the glass container was gas-substituted from argon to oxygen using a pipe provided in an aluminum lid. Then, charging / discharging was performed on the following discharge conditions and charge conditions, and the discharge capacity of the 10th cycle was measured. The results are shown in Table 2.
-Discharge condition: Discharge until the battery voltage reaches 2V with a current of 50 mA / (g-carbon) or reaches an electric quantity of 1500 mAh / (g-carbon)-Charging condition: 25 mA / (g-carbon) Charging is performed until the battery voltage reaches 4.3 V with current. The cycle test started from discharging.

Figure 0005223425
Figure 0005223425

高率放電容量試験の結果に示されるように、実施例1〜10で得られたコインセルは、比較例1〜3で得られたコインセルと比較して、非常に高い放電容量を示すことが確認された。これは、硫黄含有環状化合物の分解生成物からなる皮膜が、導電化性材料の表面に形成され、リチウムイオンの移動が容易になったためであると考えられる。特に、実施例1〜10で得られたコインセルと、比較例2および比較例3で得られたコインセルとを比較すると、硫黄含有環状化合物が、硫黄含有鎖状化合物と比べて、放電容量の向上に大きく寄与することが確認された。このことから、一次空気電池として考えた場合に、本発明の空気電池は、優れた放電特性を示すことがわかった。   As shown in the results of the high rate discharge capacity test, it was confirmed that the coin cells obtained in Examples 1 to 10 showed a very high discharge capacity as compared with the coin cells obtained in Comparative Examples 1 to 3. It was done. This is considered to be because a film made of the decomposition product of the sulfur-containing cyclic compound was formed on the surface of the conductive material, and lithium ions were easily transferred. In particular, when the coin cells obtained in Examples 1 to 10 and the coin cells obtained in Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are compared, the sulfur-containing cyclic compound has an improved discharge capacity compared to the sulfur-containing chain compound. It was confirmed that it contributed greatly to From this, it was found that when considered as a primary air battery, the air battery of the present invention exhibits excellent discharge characteristics.

一方、サイクル試験の結果、比較例1〜3で得られたコインセルと比較して、初回、1500mAh/(g−carbon)に対し、実施例1〜10で得られたコインセルはいずれも高い容量維持率を示すことが明らかになった。この現象についても、上記と同様に、硫黄含有環状化合物の分解生成物からなる皮膜が、導電化性材料の表面に形成され、リチウムイオンの移動が容易になったためであると考えられる。   On the other hand, as a result of the cycle test, compared with the coin cells obtained in Comparative Examples 1 to 3, the coin cells obtained in Examples 1 to 10 all maintain a high capacity with respect to the initial 1500 mAh / (g-carbon). It became clear to show the rate. This phenomenon is also considered to be because a film made of the decomposition product of the sulfur-containing cyclic compound was formed on the surface of the conductive material, and the movement of lithium ions was facilitated, as described above.

また、実施例3および比較例1を比較すると、エチレンサルファイト(硫黄含有環状化合物)は、1wt%の添加であっても、出力特性およびサイクル特性の向上に寄与することが確認された。一方、例えば実施例6および実施例7を比較すると、スルホラン(硫黄含有環状化合物)の添加を5wt%から30wt%に変化させた場合であっても、出力特性およびサイクル特性の大幅な減少は見られなかった。   Further, when Example 3 and Comparative Example 1 were compared, it was confirmed that ethylene sulfite (sulfur-containing cyclic compound) contributes to improvement of output characteristics and cycle characteristics even when 1 wt% is added. On the other hand, when Example 6 and Example 7 are compared, for example, even when the addition of sulfolane (a sulfur-containing cyclic compound) is changed from 5 wt% to 30 wt%, the output characteristics and the cycle characteristics are significantly reduced. I couldn't.

本発明の空気電池を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the air battery of this invention. 本発明の空気電池を例示する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which illustrates the air battery of this invention. 本発明の空気電池を例示する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which illustrates the air battery of this invention. 実施例1で作製した空気電池を説明する説明図である。3 is an explanatory view illustrating an air battery manufactured in Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 … 電池ケース
1a … 下部絶縁ケース
1b … 上部絶縁ケース
2 … 負極集電体
2´ … 負極リード
3 … 負極層
4 … 空気極層
5 … 空気極メッシュ
6 … 空気極集電体
6´ … 空気極リード
7 … セパレータ
8 … 微多孔膜
9 … 電解液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Battery case 1a ... Lower insulating case 1b ... Upper insulating case 2 ... Negative electrode collector 2 '... Negative electrode lead 3 ... Negative electrode layer 4 ... Air electrode layer 5 ... Air electrode mesh 6 ... Air electrode current collector 6' ... Air Electrode lead 7… Separator 8… Microporous membrane 9… Electrolyte

Claims (6)

導電性材料を含有する空気極層および前記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および前記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、前記空気極層および前記負極層の間に設置されたセパレータと、前記空気極層および前記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有するリチウム空気電池であって、
前記電解質が、下記一般式(1)〜(4)のいずれかで表される硫黄含有環状化合物を含有することを特徴とするリチウム空気電池。
Figure 0005223425

(一般式(1)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(2)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(3)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(4)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)
An air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a negative electrode current collector for collecting the negative electrode layer A lithium- air battery comprising: a negative electrode having a body; a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer; and an electrolyte that conducts metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer. And
The lithium- air battery, wherein the electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound represented by any one of the following general formulas (1) to (4) .
Figure 0005223425

(In General Formula (1), R 1 and R 2 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. In General Formula (2), R 3 and R 4 are independent and form a ring with each other. In the general formula (3), R 5 and R 6 are independent and can form a ring with each other. In the general formula (4), R 7 and R 8 are independent. And a functional group capable of forming a ring with each other.)
導電性材料を含有する空気極層および前記空気極層の集電を行う空気極集電体を有する空気極と、負極活物質を含有する負極層および前記負極層の集電を行う負極集電体を有する負極と、前記空気極層および前記負極層の間に設置されたセパレータと、前記空気極層および前記負極層の間で金属イオンの伝導を担う電解質と、を有するリチウム空気電池であって、
前記電解質が、下記一般式(1)〜(4)のいずれかで表される硫黄含有環状化合物を含有し、前記硫黄含有環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、前記導電性材料の表面を被覆していることを特徴とするリチウム空気電池。
Figure 0005223425

(一般式(1)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(2)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(3)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基であり、一般式(4)において、R およびR は独立であり、互いに環を形成可能な官能基である。)
An air electrode having an air electrode layer containing a conductive material and an air electrode current collector for collecting the air electrode layer, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a negative electrode current collector for collecting the negative electrode layer A lithium- air battery comprising: a negative electrode having a body; a separator disposed between the air electrode layer and the negative electrode layer; and an electrolyte that conducts metal ions between the air electrode layer and the negative electrode layer. And
The electrolyte contains a sulfur-containing cyclic compound represented by any one of the following general formulas (1) to (4), and a decomposition product obtained by decomposing all or part of the sulfur-containing cyclic compound is: A lithium- air battery characterized by covering the surface of a conductive material.
Figure 0005223425

(In General Formula (1), R 1 and R 2 are independent and are functional groups capable of forming a ring with each other. In General Formula (2), R 3 and R 4 are independent and form a ring with each other. In the general formula (3), R 5 and R 6 are independent and can form a ring with each other. In the general formula (4), R 7 and R 8 are independent. And a functional group capable of forming a ring with each other.)
前記一般式(1)で表される化合物が、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ビニレンサルファイト、フェニルエチレンサルファイト、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム空気電池。 The compound represented by the general formula (1) is ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, vinylene sulfite, phenylethylene sulfite, or a part of these constituent elements substituted with a halogen element. The lithium air battery according to claim 1 , wherein the lithium air battery is provided. 前記一般式(2)で表される化合物が、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、3−フェニル−1,3−プロパンスルトン、4−フェニル−1,4−ブタンスルトン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム空気電池。 The compound represented by the general formula (2) is 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 3-phenyl-1,3-propane sultone, 4-phenyl-1,4-butane sultone, or these The lithium- air battery according to claim 1 or 2 , wherein a part of the constituent elements is substituted with a halogen element. 前記一般式(3)で表される化合物が、スルホラン、2−メチルスルホラン、3−メチルスルホラン、2−エチルスルホラン、3−エチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン、2−フェニルスルホラン、3−フェニルスルホラン、スルホレン、3−メチルスルホレン、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム空気電池。 The compound represented by the general formula (3) is sulfolane, 2-methyl sulfolane, 3-methyl sulfolane, 2-ethyl sulfolane, 3-ethyl sulfolane, 2,4-dimethyl sulfolane, 2-phenyl sulfolane, 3-phenyl. The lithium- air battery according to claim 1 or 2 , wherein sulfolane, sulfolene, 3-methylsulfolene, or a part of these constituent elements is substituted with a halogen element. 前記一般式(4)で表される化合物が、エチレングリコール硫酸エステル、1,2−プロパンジオール硫酸エステル、1,3−プロパンジオール硫酸エステル、またはこれらの構成元素の一部をハロゲン元素に置換したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム空気電池。 The compound represented by the general formula (4) has ethylene glycol sulfate, 1,2-propanediol sulfate, 1,3-propanediol sulfate, or a part of these constituent elements substituted with a halogen element. The lithium air battery according to claim 1 or 2 , wherein the battery is a lithium- air battery.
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