JP5267575B2 - 空気電池 - Google Patents
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Description
2Li+ + O2 + 2e− → Li2O2 (式1)
4Li+ + O2 + 4e− → 2Li2O (式2)
ここで、Li2O2のギブスの自由エネルギーΔGは、−606.68kJ/molであり、Li2Oのギブスの自由エネルギーΔGは、−560.66kJ/molである。これらの値と、ΔG=−nFEとを用いて作動電圧の理論値を計算すると、それぞれ、3.1V、2.9Vとなる。しかしながら、従来の非水電解質型リチウム空気電池の作動電圧は、2.6Vに留まっていた。これは、酸素還元に必要な活性化障壁が大きいために過電圧が存在し、その結果、作動電圧が理論値よりも低くなったと推測される。したがって、酸素還元に必要な活性化障壁を低減することができれば、理論値と同等の作動電圧を示す空気電池を提供することも可能になると考えられる。
本発明の第1の態様は、炭素質物を含む空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を具備し、電解質層に、非水電解液が用いられているとともに、炭素質物のD/Gバンド比Xが0.058≦X≦0.18であり、炭素質物が高配向熱分解グラファイトであることを特徴とする、空気電池である。
図1は、第1実施形態にかかる本発明の空気電池(以下において、「空気電池10」という。)の形態例を概略的に示す断面図である。図1では、空気電池10の一部のみを抽出し、拡大して示している。
空気極11は板状のHOPGによって構成され、当該HOPGのD/Gバンド比Xは、0.058≦X≦0.18である。空気極を構成するHOPGは、Edge面を配向させたHOPGであっても良く、Basal面を配向させたHOPGであっても良い。ただし、作動電圧を高めやすい構成にする等の観点からは、Edge面を配向させたHOPG、例えば、D/Gバンド比XがX=0.180であるHOPGを用いることが好ましい。
負極12は、負極活物質を含有している。また、負極12には、負極12の内部又は外面に当接して、負極12の集電を行う負極集電体(不図示)が当接して設けられる。
電解質層13には、空気極11及び負極12の間でイオンの伝導を担う電解液が収容される。電解液の形態は、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く、例えば、非水電解液を挙げることができる。
空気電池10では、少なくとも空気極11、負極12、及び、電解質層13が、電池ケース(不図示)に収めて用いられる。
図2は、第2実施形態にかかる本発明の空気電池(以下において、「空気電池20」という。)の形態例を概略的に示す断面図である。図2では、空気電池20の一部のみを抽出し、拡大して示している。図2において、空気電池10と同様の構成を採るものには、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を省略する。
空気極21は、粉末状のHOPGと、触媒と、結着材とを含有している。空気極21に含有される粉末状のHOPGのD/Gバンド比Xは、0.058≦X≦0.18である。かかる形態であっても、作動電圧を高めた空気電池20を提供することが可能になる。また、空気電池20には、空気極21の内部又は外面に当接して、空気極21の集電を行う空気極集電体(不図示)が設けられる。
図3は、第3実施形態にかかる本発明の空気電池(以下において、「空気電池30」という。)の形態例を概略的に示す断面図である。図3では、空気電池30の一部のみを抽出し、拡大して示している。図3において、空気電池10と同様の構成を採るものには、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を省略する。したがって、空気電池30に対しては、空気極31についてのみ説明する。
空気極31は、板状のHOPGの表面に、触媒が配設されている。空気極31に含有される板状のHOPGのD/Gバンド比Xは、0.058≦X≦0.18である。かかる形態であっても、作動電圧を高めた空気電池30を提供することが可能になる。また、空気極31には、空気電池30から電気を取り出す際の端子として機能する導電性物質(不図示)が接続される。
Basal面を配向させたHOPG、Edge面を配向させたHOPG、並びに、Basal面及びEdge面がランダムに配向しているグラッシーカーボン(何れも、ビー・エー・エス株式会社製)に対し、それぞれ任意の3点にて測定を実施するラマン分光分析を行い、DバンドとGバンドとのピーク強度比の平均値を算出することにより、D/Gバンド比を算出した。ラマン分光分析の条件を以下に示す。また、図4に、Basal面を配向させたHOPGのラマンスペクトルを示す。
<分析条件>
・488nmレーザー
・出力 :6mW
・回折格子 :1200Gr/mm
・対物レンズ:40倍
・露光時間 :10s
[実施例1]
以下に示す材料を用いて、実施例1のセルを作製した。具体的には、純酸素雰囲気にしたガラスデシケーターへ、電解液を入れたビーカーを設置し、空気極及び負極を電解液に接触させることにより、実施例1のセルを作製した。なお、酸素が空気極へと供給されるようにするため、ビーカーの上部は密閉せず、開放した。
・空気極:Basal面を配向させたHOPG(ビー・エー・エス株式会社製)
・負極 :Li(本城金属株式会社製)
・電解液:プロピレンカーボネート中にLiClO4を濃度1mol/Lで溶解させた非水電解液(キシダ化学株式会社製)
・雰囲気:純酸素(99.99%、1気圧)
・セル :ビーカーセル
Edge面を配向させたHOPG(ビー・エー・エス株式会社製)を空気極に用いたほかは、実施例1のセルと同様にして、実施例2のセルを作製した。
Edge面及びBasal面がランダムに配向しているグラッシーカーボン(ビー・エー・エス株式会社製)を空気極に用いたほかは、実施例1のセルと同様にして、比較例1のセルを作製した。
上記各セルの空気極及び負極に接続した端子を介して、50nA/cm2の電流を印加し、100時間後までの電圧をモニタリングした。定電流放電曲線を図5に、D/Gバンド比X及び100時間後の放電電圧の結果を表1に、それぞれ示す。
図5及び表1に示すように、D/Gバンド比Xを0.058≦X≦0.18とすることにより、放電電圧(作動電圧)を0.1V以上、上昇させることができた。さらに、X=0.180とすることにより、放電電圧(作動電圧)を0.33V上昇させることができた。加えて、X=0.058及びX=0.180であった炭素質物はHOPGであったことから、HOPGを空気極に用いることで、放電電圧を0.1V以上、上昇させることができた。放電電圧の上昇により、電池のエネルギー密度が向上するため、本発明によれば、エネルギー密度を向上させることが可能な空気電池を提供することができる。
11…空気極
12…負極
13…電解質層
20…空気電池
21…空気極
30…空気電池
31…空気極
Claims (5)
- 炭素質物を含む空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を具備し、
前記電解質層に、非水電解液が用いられているとともに、前記炭素質物のD/Gバンド比Xが、0.058≦X≦0.18であり、
前記炭素質物が高配向熱分解グラファイトであることを特徴とする、空気電池。 - 炭素質物からなる空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を具備し、
前記炭素質物のD/Gバンド比Xが、0.058≦X≦0.18であり、
前記炭素質物が高配向熱分解グラファイトであることを特徴とする、空気電池。 - 前記炭素質物のD/Gバンド比Xが、X=0.180であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の空気電池。
- 炭素質物を含む空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を具備し、
前記炭素質物が高配向熱分解グラファイトであることを特徴とする、空気電池。 - 炭素質物からなる空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を具備し、
前記炭素質物が高配向熱分解グラファイトであることを特徴とする、空気電池。
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