JP5434062B2 - Air battery - Google Patents

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Description

本発明は、空気電池に関する。   The present invention relates to an air battery.

従来より、空気中の酸素を正極活物質とする空気電池が知られている。こうした空気電池では、空気中の酸素を正極活物質として用いるため、電池内に正極活物質を充填する必要がない。したがって、エネルギー密度を高くすることができるという利点がある。   Conventionally, an air battery using oxygen in the air as a positive electrode active material is known. In such an air battery, since oxygen in the air is used as the positive electrode active material, it is not necessary to fill the positive electrode active material in the battery. Therefore, there is an advantage that the energy density can be increased.

ところで、空気リチウム電池は放電時に空気中の酸素を用いる場合があるが、酸素と同時に空気中の水分が電池内部に取り込まれ、負極活物質であるリチウムを加水分解してしまうことがある。特に大電流放電時には大量の酸素が必要となり、同時に取り込まれる水分量も増加するため、負極活物質の劣化による電池容量の低下が問題となる。この点に関し、特許文献1では、空気電池と通常のリチウムイオン二次電池が背中合わせに張り合わされたような構造を採用することを提案している。これにより、空気電池に供給される空気量を少なくして負極活物質の劣化を抑制しつつ、もう一つの電池であるリチウムイオン二次電池で電力を供給できるため、高容量化が可能となる。
特開2006−286414号公報
By the way, although an air lithium battery may use oxygen in the air at the time of discharge, moisture in the air may be taken into the battery simultaneously with oxygen and hydrolyze lithium that is a negative electrode active material. In particular, a large amount of oxygen is required at the time of large current discharge, and the amount of moisture taken in at the same time increases, so that a decrease in battery capacity due to deterioration of the negative electrode active material becomes a problem. In this regard, Patent Document 1 proposes to adopt a structure in which an air battery and a normal lithium ion secondary battery are bonded back to back. As a result, the lithium ion secondary battery, which is another battery, can supply power while reducing the amount of air supplied to the air battery and suppressing the deterioration of the negative electrode active material, thereby enabling high capacity. .
JP 2006-286414 A

しかしながら、特許文献1に記載の空気電池では、放電時に正極で生成するラジカルが金属イオンと結合し、酸化リチウムなどの固体化合物として正極上に堆積することがあった。この場合、例えば、固体化合物の堆積可能な領域がなくなると、空気電池の放電反応が停止することがあった。また、堆積可能な領域が残っていても、固体化合物の電気抵抗が大きい場合には、その堆積量が増えるとともに抵抗が上昇し、一定量を超えると空気電池の放電反応が停止することがあった。このことは、更なる高容量化への問題点の一つとなっていた。   However, in the air battery described in Patent Document 1, radicals generated at the positive electrode during discharge may be combined with metal ions and deposited on the positive electrode as a solid compound such as lithium oxide. In this case, for example, when there is no region where the solid compound can be deposited, the discharge reaction of the air battery may stop. Even if the depositable region remains, if the electrical resistance of the solid compound is large, the amount of deposition increases and the resistance increases, and if it exceeds a certain amount, the discharge reaction of the air battery may stop. It was. This has been one of the problems for further increase in capacity.

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、従来と比べて放電容量のより大きな空気電池を提供することを主目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide an air battery having a larger discharge capacity than the conventional one.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、固体化合物の生成を抑制することが有効であると考えた。そして、負極と酸素を正極活物質とする正極との間にイオン伝導媒体を介在させた空気電池において、ラジカルと反応してこれを安定化する化合物と電解質とをイオン伝導媒体に添加したところ、放電容量の向上に寄与することを見いだし、本発明を完成するに至った。   In order to achieve the above-described object, the present inventors considered that it is effective to suppress the formation of a solid compound. Then, in an air battery in which an ion conductive medium is interposed between the negative electrode and a positive electrode having oxygen as a positive electrode active material, a compound that reacts with radicals and stabilizes it and an electrolyte are added to the ion conductive medium. It has been found that it contributes to the improvement of the discharge capacity, and the present invention has been completed.

即ち本発明の空気電池は、
酸素を正極活物質とする正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、ラジカルと反応してこれを安定化する化合物と電解質とを含むイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
That is, the air battery of the present invention is
A positive electrode using oxygen as a positive electrode active material;
A negative electrode having a negative electrode active material;
An ion-conducting medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and includes a compound that reacts with a radical to stabilize it and an electrolyte;
It is equipped with.

本発明の空気電池によれば、ラジカルと反応してこれを安定化する化合物(以下、ラジカル安定化剤とも称する)を含むイオン伝導媒体を使用することにより、従来の空気電池に比べ放電容量を大きくすることができる。このような効果が得られる理由は定かではないが、放電時に正極で生成するラジカルが金属イオンと結合して固体化合物を生成する前に、ラジカル安定化剤がラジカルを捕捉することで、固体化合物が生成するのを抑制するからであると考えられる。また、これにより、正極への固体化合物の堆積を抑制することができ、固体化合物の堆積可能な領域がなくなることによる放電反応の停止や、固体化合物の堆積量の増加に伴う抵抗上昇による放電反応の停止を抑制できるからと考えられる。   According to the air battery of the present invention, by using an ion conductive medium containing a compound that reacts with and stabilizes radicals (hereinafter also referred to as a radical stabilizer), the discharge capacity can be increased as compared with a conventional air battery. Can be bigger. The reason why such an effect can be obtained is not clear, but the radical stabilizer captures the radical before the radical generated at the positive electrode during the discharge combines with the metal ion to form the solid compound. This is thought to be because it suppresses the generation of. This also suppresses the deposition of the solid compound on the positive electrode, stops the discharge reaction due to the absence of the solid compound depositable region, and the discharge reaction due to the increase in resistance accompanying the increase in the amount of solid compound deposition. This is thought to be because it is possible to suppress the stoppage.

本発明の空気電池は、酸素を正極活物質とする正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在し、ラジカルと反応してこれを安定化する化合物であるラジカル安定化剤と電解質とを含むイオン伝導媒体と、を備えている。   The air battery of the present invention is a radical stabilizing compound that is interposed between a positive electrode having oxygen as a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material, a positive electrode and a negative electrode, and reacts with a radical to stabilize it. An ionic conductive medium including an agent and an electrolyte.

本発明の空気電池において、正極は、気体からの酸素を正極活物質とするものである。気体としては、例えば、空気であってもよいし酸素ガスであってもよい。   In the air battery of the present invention, the positive electrode uses oxygen from a gas as the positive electrode active material. As the gas, for example, air or oxygen gas may be used.

本発明の空気電池において、正極は、酸化還元触媒を含んでもよい。酸化還元触媒としては、電解二酸化マンガン、コバルトフタロシアニン、コバルトポルフィリン、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al23)、酸化チタン(TiO2)、酸化銀(AgO)、タングステン酸リチウム(Li2WO4)、モリブデン酸リチウム(Li2MoO4)、マンガンコバルト酸リチウム(LiMnxCoy4)、ランタンカルシウムコバルト複合酸化物(LaxCayCoO3-z)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LaxSryCoO3-z)、ランタンマンガン酸ナトリウム(NaxLayMnO3)、ランタンマンガン酸カリウム(KxLayMnO3-z)、銅マンガン複合酸化物(CuxMny4)、マンガン酸化物(MnO2)などを挙げることができる。酸化還元触媒は、例えばケッチェンブラックなどの炭素物質を触媒担体とし、これに担持させたものであってもよい。 In the air battery of the present invention, the positive electrode may include a redox catalyst. As oxidation-reduction catalysts, electrolytic manganese dioxide, cobalt phthalocyanine, cobalt porphyrin, cerium oxide (CeO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), silver oxide (AgO), lithium tungstate (Li 2 WO 4 ), lithium molybdate (Li 2 MoO 4 ), lithium manganese cobaltate (LiMn x Co y O 4 ), lanthanum calcium cobalt composite oxide (La x Ca y CoO 3 -z), lanthanum strontium cobalt oxide (La x Sr y CoO 3- z), sodium lanthanum manganate (Na x La y MnO 3) , potassium lanthanum manganate (K x La y MnO 3- z), copper-manganese composite oxide (Cu x Mn y O 4 ), manganese oxide (MnO 2 ) and the like. The oxidation-reduction catalyst may be one in which a carbon material such as ketjen black is used as a catalyst carrier and supported on the catalyst carrier.

本発明の空気電池において、正極は、導電材を含んでいてもよい。導電材としては、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばカーボンが挙げられる。このカーボンとしては、ケッチェンブラックやアセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類でもよいし、鱗片状黒鉛のような天然黒鉛や人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類でもよいし、木炭や石炭などを原料とする活性炭類でもよいし、合成繊維や石油ピッチ系原料などを炭化した炭素繊維類でもよい。また、金属繊維などの導電性繊維類でもよいし、ニッケル、アルミニウムなどの金属粉末類でもよいし、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料でもよい。また、これらを単体で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、正極は、リチウム酸化物などの金属酸化物やリチウム過酸化物などの金属過酸化物を含んでいてもよい。   In the air battery of the present invention, the positive electrode may contain a conductive material. Although it will not specifically limit if it is a material which has electroconductivity as a electrically conductive material, For example, carbon is mentioned. As this carbon, carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black may be used, or natural graphite such as flake graphite, graphite such as artificial graphite and expanded graphite. Alternatively, activated carbons using charcoal or coal as raw materials, or carbon fibers obtained by carbonizing synthetic fibers or petroleum pitch-based raw materials may be used. Further, conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as nickel and aluminum, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. These may be used alone or in combination. The positive electrode may contain a metal oxide such as lithium oxide or a metal peroxide such as lithium peroxide.

本発明の空気電池において、正極は、バインダを含んでいてもよい。バインダとしては、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体などが挙げられる。これらの材料は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   In the air battery of the present invention, the positive electrode may contain a binder. Although it does not specifically limit as a binder, A thermoplastic resin, a thermosetting resin, etc. are mentioned. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Examples include olefin copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, and ethylene-acrylic acid copolymer. . These materials may be used alone or in combination.

本発明の空気電池において、正極は、例えば上記導電材やバインダなどを混合してシート状に圧延したものを、集電体にプレスして形成したものであってもよい。混合方法は、エタノールなどの溶媒存在下での湿式混合でもよいし、乳鉢などを使った乾式混合でもよい。なお、集電体としては、導電性材料で形成されたものであれば特に限定されないが、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウム、銅などであることが好ましい。また、酸素の拡散を速やかに行わせるため、網状やメッシュ状など多孔体であることが好ましい。なお、この集電体は、酸化を抑制するためにその表面に耐酸化性の金属又は合金の被膜を被覆したものであってもよい。   In the air battery of the present invention, the positive electrode may be formed by, for example, mixing a conductive material, a binder, or the like and rolling the sheet into a sheet shape and pressing the current collector. The mixing method may be wet mixing in the presence of a solvent such as ethanol, or may be dry mixing using a mortar or the like. The current collector is not particularly limited as long as it is formed of a conductive material, but is preferably stainless steel, nickel, aluminum, copper, or the like. In order to allow oxygen to diffuse quickly, a porous body such as a net or mesh is preferable. The current collector may have a surface coated with an oxidation-resistant metal or alloy film in order to suppress oxidation.

本発明の空気電池において、負極は、特に限定されないが、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質を有するものであることが好ましい。このような負極としては、例えば金属リチウムやリチウム合金のほか、金属酸化物、金属硫化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えばアルミニウムやスズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。また、負極は、金属を含んで構成され、放電時に負極で金属が金属イオンに酸化されるものであってもよい。このような金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛及びそれらの合金などが挙げられる。   In the air battery of the present invention, the negative electrode is not particularly limited, but preferably has a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium. Examples of such a negative electrode include metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous materials that occlude and release lithium, in addition to metal lithium and lithium alloys. Examples of the lithium alloy include an alloy of lithium with aluminum, tin, magnesium, indium, calcium, and the like. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions include graphite, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon. Further, the negative electrode may be configured to include a metal, and the metal may be oxidized into metal ions at the negative electrode during discharge. Examples of such metals include lithium, sodium, potassium, magnesium, aluminum, zinc, and alloys thereof.

本発明の空気電池において、負極と正極との間に介在するイオン伝導媒体は、電解質を含んでいる。電解質としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiPF6,LiClO4,LiAsF6,LiBF4,Li(CF3SO22N,Li(CF3SO3),LiN(C25SO22などの公知の電解質を用いることができる。これらの電解質は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。また、イオン伝導媒体は、非水系のイオン伝導媒体であることが好ましい。非水系のイオン伝導媒体としては、例えば上述の電解質を含む非水系電解液を用いることができる。非水系電解液中の電解質の濃度としては、0.1〜2.0mol/Lであることが好ましく、0.8〜1.2mol/Lであることがより好ましい。非水系電解液としては、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、イオン伝導媒体としては、そのほかにアセトニトリル、プロピルニトリルなどのニトリル系溶媒やイオン液体、ゲル電解質、などを用いてもよい。 In the air battery of the present invention, the ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode contains an electrolyte. As the electrolyte, but are not particularly limited, for example, LiPF 6, LiClO 4, LiAsF 6, LiBF 4, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (CF 3 SO 3), LiN (C 2 F A known electrolyte such as 5 SO 2 ) 2 can be used. These electrolytes may be used alone or in combination of two or more. Moreover, it is preferable that an ion conduction medium is a non-aqueous ion conduction medium. As the non-aqueous ion conductive medium, for example, a non-aqueous electrolyte solution containing the above-described electrolyte can be used. The concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 to 2.0 mol / L, and more preferably 0.8 to 1.2 mol / L. As the non-aqueous electrolyte, an aprotic organic solvent can be used. Examples of such an organic solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers, and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of the cyclic ester carbonate include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. These may be used alone or in combination. In addition, nitrile solvents such as acetonitrile and propyl nitrile, ionic liquids, gel electrolytes, and the like may be used as the ion conductive medium.

本発明の空気電池において、イオン伝導媒体は、ラジカル安定化剤を含んでいる。ラジカル安定化剤としては、ニトロン化合物およびニトロソ化合物から選ばれた1種以上であることが好ましい。具体的には5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシド(DMPO)(式(1)参照)や、3,3,5,5−テトラメチル−1−ピロリン−N−オキシド(M4PO)(式(2)参照)、N−tert−ブチル−α−フェニルニトロン(PBN)(式(3)参照)、N−tert−ブチル−α−(4−ピリジル−1−オキシド)ニトロン(POBN)(式(4)参照)、5−ジエトキシホスホリル−5−メチル−1−ピロリン−N−オキシド(DEPMPO)(式(5)参照)、2−(5,5−ジメチル−2−オキソ−2λ5−[1,3,2]ジオキサホスフィナン−2−イル)−2−メチル−3,4−ジヒドロ−2H−ピロリン−1−オキシド(式(6)参照)、などのニトロン化合物や、ニトロソベンゼン(式(7)参照)、3,5−ジブロモ−4−ニトロソベンゼンスルホン酸ナトリウム(DBNBS)(式(8)参照)、2,3,5,6−テトラメチルニトロソベンゼン(ニトロソズレン)(式(9)参照)、2,4,6−トリ−tert−ブチルニトロソベンゼン(TTBNB)(式(10)参照)、2−メチル−2−ニトロソプロパン二量体(式(11)参照)、などのニトロソ化合物が挙げられる。ラジカル安定化剤は酸素ラジカルと反応してこれを安定化する化合物であることが好ましい。空気電池は、正極活物質として酸素を使用するため、正極上に堆積する固体化合物の多くは金属酸化物であると推察される。よって、酸素ラジカルを捕捉することで、固体化合物の生成を効率的に抑制できると考えられるためである。また、ラジカル安定化剤は、ポリマーであってもよいし単分子化合物であってもよい。単分子化合物の場合には、イオン伝導媒体(例えば電解液)の中で溶解することにより均一に分散し酸化還元触媒機能を十分発揮するため好ましい。なお、ニトロン化合物やニトロソ化合物は、ESR(電子スピン共鳴分析)においてスピントラッピング剤として知られている。スピントラッピング剤は、短寿命ラジカルを捕捉して、スピンアダクトと呼ばれる安定な二次ラジカルを生成する。これは、本発明のラジカル安定化剤による反応と同様の機構であると推察される。したがって、ラジカル安定化剤はニトロン化合物やニトロソ化合物以外のスピントラッピング剤であってもよい。イオン伝導媒体は、ラジカル安定化剤を80体積%以下の範囲で含んでいることが好ましく、50体積%以下の範囲で含んでいることがさらに好ましい。また、イオン伝導媒体は、ラジカル安定化剤を1体積%以上含んでいることが好ましく、5体積%以上含んでいることがより好ましく、20体積%以上含んでいることがさらに好ましい。80体積%以下であれば、イオン伝導に必要な電解質等の量が相対的に少なくなりすぎないため、容量低下をより抑制できると考えられる。また、1体積%以上であれば、ラジカル安定化剤の添加の効果が十分に得られると考えられる。

Figure 0005434062
In the air battery of the present invention, the ion conductive medium includes a radical stabilizer. The radical stabilizer is preferably at least one selected from nitrone compounds and nitroso compounds. Specifically, 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide (DMPO) (see formula (1)) and 3,3,5,5-tetramethyl-1-pyrroline-N-oxide (M 4 PO) (see formula (2)), N-tert-butyl-α-phenylnitrone (PBN) (see formula (3)), N-tert-butyl-α- (4-pyridyl-1-oxide) nitrone ( POBN) (see formula (4)), 5-diethoxyphosphoryl-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide (DEPMPO) (see formula (5)), 2- (5,5-dimethyl-2-oxo 2λ 5- [1,3,2] dioxaphosphinan-2-yl) -2-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrroline-1-oxide (see formula (6)), etc. Nitrosobenzene (see formula (7)), 3,5- Sodium bromo-4-nitrosobenzenesulfonate (DBNBS) (see formula (8)), 2,3,5,6-tetramethylnitrosobenzene (nitrosozulene) (see formula (9)), 2,4,6-tri Examples thereof include nitroso compounds such as -tert-butylnitrosobenzene (TTBNB) (see formula (10)) and 2-methyl-2-nitrosopropane dimer (see formula (11)). The radical stabilizer is preferably a compound that reacts with and stabilizes oxygen radicals. Since an air battery uses oxygen as a positive electrode active material, it is speculated that many of the solid compounds deposited on the positive electrode are metal oxides. Therefore, it is because it is thought that the production | generation of a solid compound can be suppressed efficiently by trapping oxygen radical. The radical stabilizer may be a polymer or a monomolecular compound. In the case of a monomolecular compound, it is preferable because it is uniformly dispersed by dissolving in an ion conductive medium (for example, an electrolytic solution) and sufficiently exhibits a redox catalyst function. Note that nitrone compounds and nitroso compounds are known as spin trapping agents in ESR (electron spin resonance analysis). The spin trapping agent captures short-lived radicals and generates stable secondary radicals called spin adducts. This is presumed to be the same mechanism as the reaction by the radical stabilizer of the present invention. Therefore, the radical stabilizer may be a spin trapping agent other than a nitrone compound or a nitroso compound. The ion conductive medium preferably contains a radical stabilizer in the range of 80% by volume or less, and more preferably in the range of 50% by volume or less. Further, the ion conductive medium preferably contains 1% by volume or more of the radical stabilizer, more preferably 5% by volume or more, and further preferably 20% by volume or more. If the volume is 80% by volume or less, it is considered that the amount of electrolyte and the like necessary for ionic conduction is not relatively reduced, and thus the capacity reduction can be further suppressed. Moreover, if it is 1 volume% or more, it is thought that the effect of addition of a radical stabilizer is fully acquired.
Figure 0005434062

本発明の空気電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、本発明の空気電池の使用に耐え得る組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   The air battery of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it is a composition that can withstand the use of the air battery of the present invention. For example, the separator is a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or a microporous olefin resin such as polyethylene or polypropylene. A film is mentioned. These may be used alone or in combination.

本発明の空気電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。   The shape of the air battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.

本発明の空気電池は、一次電池として利用してもよいが、充放電可能な二次電池として利用してもよい。   The air battery of the present invention may be used as a primary battery, but may be used as a chargeable / dischargeable secondary battery.

[実施例1]
正極は次のように作製した。まず、触媒としての電解二酸化マンガン(三井金属鉱山製)を5.2重量部と、触媒担体としてのケッチェンブラック(三菱化学製,ECP600)を84.5重量部と、バインダとしてのポリテトラフルオロエチレン(ダイキン製)10.3重量部とを、溶剤としてのエタノールに分散させたものを十分に混合、混練して正極合材を得た。得られた正極合材を圧延し、そこから1.3mm×1.3mm、厚さ0.2mm、5mgのシート状の正極材を得た。この正極材を1.3mm×1.3mmのステンレス(SUS304)製メッシュ(#50,線径0.12mm)の上に圧着した。これを100℃のオーブン中で120分間真空加熱により乾燥して正極を得た。また、負極は、1.5mm×1.5mm、厚さ0.4mm、0.5gの金属リチウム(本城金属製)を用いた。イオン伝導媒体としては、エチレンカーボネート30重量部とジエチルカーボネート70重量部からなる溶液(富山薬品工業製)に、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li(CF3SO22N)が1mol/Lとなるように溶解したものを用いた。これに、ラジカル安定化剤として5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシド(式(1)参照)を20体積%となるように添加したものをイオン伝導媒体とした。
[Example 1]
The positive electrode was produced as follows. First, 5.2 parts by weight of electrolytic manganese dioxide (made by Mitsui Mining Co., Ltd.) as a catalyst, 84.5 parts by weight of Ketjen Black (Mitsubishi Chemical, ECP600) as a catalyst carrier, and polytetrafluoro as a binder A positive electrode mixture was obtained by thoroughly mixing and kneading 10.3 parts by weight of ethylene (manufactured by Daikin) in ethanol as a solvent. The obtained positive electrode mixture was rolled, and a 1.3 mm × 1.3 mm, a thickness of 0.2 mm, and a 5 mg sheet-form positive electrode material were obtained therefrom. This positive electrode material was pressure-bonded onto a 1.3 mm × 1.3 mm stainless steel (SUS304) mesh (# 50, wire diameter 0.12 mm). This was dried in a 100 ° C. oven by vacuum heating for 120 minutes to obtain a positive electrode. Moreover, 1.5 mm x 1.5 mm, thickness 0.4mm, and 0.5g metallic lithium (made by Honjo Metal) were used for the negative electrode. As an ionic conduction medium, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N) was added at 1 mol / L in a solution (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) comprising 30 parts by weight of ethylene carbonate and 70 parts by weight of diethyl carbonate. What was melt | dissolved so that it might become L was used. What added 5, 5- dimethyl- 1-pyrroline-N-oxide (refer Formula (1)) as a radical stabilizer so that it might become 20 volume% was used as this.

空気電池20(F型電気化学セル,北斗電工製)は次のように作製した。まず、図20に示すように、SUS製のケーシング21に負極25を設置し、ポリエチレン製のセパレータ27を介して正極23を負極と対向するようにセットした。次に、上述のイオン伝導媒体28を正極23と負極25との間に注入した。その後、正極23に発泡ニッケル板22を載せ、その上から空気が正極23側へ流通可能な押さえ部材29で押し付けることにより、セルを固定した。このようにして実施例1の空気電池20を得た。なお、図示しないが、ケーシング21は正極23と接触する上部と負極25と接触する下部とに分離可能であり、上部と下部との間に絶縁樹脂が介在している。これにより、正極23と負極25とは電気的に絶縁されている。   The air battery 20 (F-type electrochemical cell, manufactured by Hokuto Denko) was produced as follows. First, as shown in FIG. 20, the negative electrode 25 was installed in the casing 21 made of SUS, and the positive electrode 23 was set so as to face the negative electrode through a separator 27 made of polyethylene. Next, the above-described ion conductive medium 28 was injected between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. Thereafter, the foamed nickel plate 22 was placed on the positive electrode 23, and the cell was fixed by pressing it with a pressing member 29 that allows air to flow to the positive electrode 23 side. Thus, the air battery 20 of Example 1 was obtained. Although not shown, the casing 21 can be separated into an upper part that contacts the positive electrode 23 and a lower part that contacts the negative electrode 25, and an insulating resin is interposed between the upper part and the lower part. Thereby, the positive electrode 23 and the negative electrode 25 are electrically insulated.

次に、このようにして得られた空気電池20を、北斗電工製の充放電装置(型名HJ1001SM8A)にセットし、正極23と負極25との間で正極材1gあたり50mAの電流を流して開放端電圧が1.5Vになるまで放電させた。この放電試験は、25℃で行った。このときの放電電圧変化を図2に示し、放電容量を表1に示す。この表1には、後述する実施例2〜4及び比較例1、2のデータも記載した。   Next, the air battery 20 thus obtained was set in a charge / discharge device (model name HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 50 mA per 1 g of the positive electrode material was passed between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. The battery was discharged until the open circuit voltage was 1.5V. This discharge test was performed at 25 ° C. FIG. 2 shows the change in discharge voltage at this time, and Table 1 shows the discharge capacity. In Table 1, data of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 described later are also described.

Figure 0005434062
Figure 0005434062

[実施例2〜4]
ラジカル安定化剤として3,3,5,5−テトラメチル−1−ピロリン−N−オキシド(式(2)参照)を使用した以外は実施例1と同様に実施例2の空気電池を作製した。また、ラジカル安定化剤としてN−tert−ブチル−α−フェニルニトロン(式(3)参照)を使用した以外は実施例1と同様に実施例3の空気電池を作製した。また、ラジカル安定化剤として3,5−ジブロモ−4−ニトロソベンゼンスルホン酸ナトリウム(式(8)参照)を使用した以外は実施例1と同様に実施例4の空気電池を作製した。このようにして得られた空気電池を用いて、実施例1と同様に放電試験を行った。
[Examples 2 to 4]
An air battery of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that 3,3,5,5-tetramethyl-1-pyrroline-N-oxide (see formula (2)) was used as the radical stabilizer. . Moreover, the air battery of Example 3 was produced similarly to Example 1 except having used N-tert- butyl-alpha-phenyl nitrone (refer Formula (3)) as a radical stabilizer. In addition, an air battery of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that sodium 3,5-dibromo-4-nitrosobenzenesulfonate (see formula (8)) was used as the radical stabilizer. A discharge test was conducted in the same manner as in Example 1 using the air battery thus obtained.

[実施例5、6]
ラジカル安定剤としての5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシド(式(1)参照)を50体積%となるように添加した以外は実施例1と同様に実施例5の空気電池を作成した。また、ラジカル安定剤としての5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシドを80体積%となるように添加した以外は実施例1と同様に実施例6の空気電池を作成した。このようにして得られた空気電池を用いて、実施例1と同様に放電試験を行った。
[Examples 5 and 6]
The air battery of Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide (see formula (1)) as a radical stabilizer was added to 50% by volume. Created. Further, an air battery of Example 6 was produced in the same manner as Example 1 except that 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide as a radical stabilizer was added so as to be 80% by volume. A discharge test was conducted in the same manner as in Example 1 using the air battery thus obtained.

[比較例1]
ラジカル安定化剤としての5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシドを添加しなかったこと以外は実施例1と同様に空気電池を作製し、放電試験を行った。
[Comparative Example 1]
An air battery was produced in the same manner as in Example 1 except that 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide as a radical stabilizer was not added, and a discharge test was performed.

[比較例2]
ラジカル安定化剤としての5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシドを100体積%とし、イオン伝導媒体に他の成分を加えないこと以外は実施例1と同様に空気電池を作成し、放電試験を行った。
[Comparative Example 2]
An air battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide as a radical stabilizer was 100% by volume and no other component was added to the ion conductive medium. A discharge test was conducted.

[実験結果]
ラジカル安定化剤をイオン伝導媒体に添加した実施例1〜4では、添加しなかった比較例1と比較して、放電容量がいずれも大きくなることがわかった。実施例において使用した化合物以外であっても、ラジカル安定化剤であれば、同様の結果が得られると推察された。また、5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシドをラジカル安定化剤として用いてイオン伝導媒体中の割合を変化させると、ラジカル安定化剤を80体積%以下の範囲で含んでいる実施例1、5、6では、ラジカル安定化剤を100体積%とした比較例2と比較して、放電容量がいずれも大きくなった。特に50体積%以下の範囲で含んでいる実施例1、5の放電容量が大きくなることがわかった。実施例において使用した化合物以外のラジカル安定化剤であっても、同様の結果が得られると推察された。
[Experimental result]
In Examples 1 to 4 in which the radical stabilizer was added to the ion conductive medium, it was found that the discharge capacity was increased as compared with Comparative Example 1 in which the radical stabilizer was not added. Even if it was other than the compounds used in the examples, it was speculated that the same results could be obtained if they were radical stabilizers. Further, when 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide is used as a radical stabilizer and the proportion in the ion conductive medium is changed, the radical stabilizer is contained in an amount of 80% by volume or less. In Examples 1, 5, and 6, the discharge capacity was increased as compared with Comparative Example 2 in which the radical stabilizer was 100% by volume. In particular, it was found that the discharge capacities of Examples 1 and 5 contained in the range of 50% by volume or less were increased. It was speculated that similar results could be obtained even with radical stabilizers other than the compounds used in the examples.

空気電池20の断面図である。2 is a cross-sectional view of the air battery 20. FIG. 実施例1の放電試験における放電電圧変化を示すグラフである。3 is a graph showing a change in discharge voltage in the discharge test of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

20 空気電池、21 ケーシング、22 発泡ニッケル板、23 正極、25 負極、27 セパレータ、28 イオン伝導媒体、29 押さえ部材。   20 air battery, 21 casing, 22 nickel foam plate, 23 positive electrode, 25 negative electrode, 27 separator, 28 ion conduction medium, 29 holding member.

Claims (4)

酸素を正極活物質とする正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、酸素ラジカルと反応してこれを安定化する化合物と電解質とを含むイオン伝導媒体と、
を備えた空気電池。
A positive electrode using oxygen as a positive electrode active material;
A negative electrode having a negative electrode active material;
An ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and includes an electrolyte and a compound that reacts with and stabilizes oxygen radicals;
With air battery.
前記イオン伝導媒体は、前記化合物を80体積%以下の範囲で含んでいる、請求項1に記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the ion conductive medium contains the compound in an amount of 80% by volume or less. 前記化合物は、ニトロン化合物およびニトロソ化合物から選ばれた1種以上である、請求項1又は2に記載の空気電池。   The air battery according to claim 1, wherein the compound is at least one selected from a nitrone compound and a nitroso compound. 前記負極は、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質を有し、
前記イオン伝導媒体は、酸素ラジカルと反応してこれを安定化する化合物を含む非水系のイオン伝導媒体である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の空気電池。
The negative electrode has a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium,
The air battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the ion conduction medium is a non-aqueous ion conduction medium including a compound that reacts with oxygen radicals to stabilize the ion conduction medium.
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