JP5556618B2 - Lithium air battery - Google Patents

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Description

本発明は、デンドライトの発生を抑制できるリチウム二次電池用電解液、並びに当該電解液を備えるリチウム二次電池及びリチウム空気電池に関する。   The present invention relates to an electrolytic solution for a lithium secondary battery that can suppress the generation of dendrites, and a lithium secondary battery and a lithium-air battery including the electrolytic solution.

二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池である。二次電池の中でも、リチウム二次電池に代表される金属二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。   The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. The battery can be stored (charged). Among secondary batteries, a metal secondary battery represented by a lithium secondary battery has a high energy density, and is therefore widely applied as a power source for notebook personal computers, cellular phones, and the like.

リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では下記式(I)の反応が進行する。
LiC→C+xLi+xe (I)
(上記式(I)中、0<x<1である。)
上記式(I)の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、上記式(I)の反応で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C) is used as the negative electrode active material, the reaction of the following formula (I) proceeds in the negative electrode during discharge.
Li x C → C + xLi + + xe (I)
(In the above formula (I), 0 <x <1.)
The electrons generated by the reaction of the above formula (I) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated by the reaction of the above formula (I) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.

また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li1−xCoO)を用いた場合、放電時において、正極では下記式(II)の反応が進行する。
Li1−xCoO+xLi+xe→LiCoO (II)
(上記式(II)中、0<x<1である。)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(I)及び式(II)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(LiC)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li1−xCoO)が再生するため、再放電が可能となる。
When lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the following formula (II) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe → LiCoO 2 (II)
(In the above formula (II), 0 <x <1.)
At the time of charging, reverse reactions of the above formulas (I) and (II) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (Li x C) containing lithium by graphite intercalation is Since lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.

イオン液体(常温溶融塩)は、有機溶媒と比較して、揮発性及び可燃性が低く、且つ、カチオン中心上の置換基を変えることにより、合成時においてその物性を容易に調整できることから、近年、リチウム二次電池の電解液の候補として新たに注目を集めている。イオン液体の中でも、特に、4級アンモニウムカチオンを含むイオン液体については、リチウムイオンを用いたカソード環境下において優れた安定性を有するとして、盛んに研究が行われている。
非特許文献1には、4級アンモニウムカチオンを含むイオン液体について、電池の電解液として用いた際の熱的安定性や、サイクル特性等が記載されている。
In recent years, ionic liquids (room temperature molten salts) are less volatile and flammable than organic solvents, and the physical properties can be easily adjusted during synthesis by changing the substituent on the cation center. As a candidate for an electrolyte solution for a lithium secondary battery, it is attracting new attention. Among ionic liquids, in particular, ionic liquids containing quaternary ammonium cations are actively studied as having excellent stability in a cathode environment using lithium ions.
Non-Patent Document 1 describes thermal stability, cycle characteristics, and the like when an ionic liquid containing a quaternary ammonium cation is used as an electrolytic solution for a battery.

H.Sakaebe et al.Electrochimica Acta 53(2007)1048−1054H. Sakaebe et al. Electrochimica Acta 53 (2007) 1048-1054

本発明者らが検討した結果、後述する実施例において示すように、上記非特許文献1に記載された電解液は、電解液中のリチウム塩濃度が低すぎることにより、デンドライトが発生しやすいことが明らかとなった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、デンドライトの発生を抑制できるリチウム二次電池用電解液、並びに当該電解液を備えるリチウム二次電池及びリチウム空気電池を提供することを目的とする。
As a result of the study by the present inventors, as shown in Examples described later, the electrolyte solution described in Non-Patent Document 1 is likely to generate dendrites due to the lithium salt concentration in the electrolyte solution being too low. Became clear.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrolytic solution for a lithium secondary battery that can suppress the generation of dendrites, and a lithium secondary battery and a lithium air battery including the electrolytic solution. And

本発明のリチウム空気電池は、少なくとも空気極と、負極と、当該空気極と当該負極との間に介在する電解液とを備えるリチウム空気電池であって、前記電解液が、少なくともイオン液体とリチウム塩を含有且つ、当該電解液中の前記リチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgであり、且つ、前記空気極がニッケル触媒を含有することを特徴とする。 The lithium-air battery of the present invention is a lithium-air battery comprising at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the electrolyte solution includes at least an ionic liquid and lithium. containing salt, and the concentration of the lithium salt of the electrolytic solution 0.37~0.75mol / kg der is, and the air electrode is characterized that you containing a nickel catalyst.

本発明においては、前記イオン液体は、カチオン及びそのカウンターアニオンを含み、前記カチオンは、窒素原子及び炭素数2〜10のアルキル鎖により閉じたヘテロ環構造を有するアンモニウムカチオンであり、前記カウンターアニオンはリチウム金属に対して不活性であることが好ましい。   In the present invention, the ionic liquid includes a cation and a counter anion thereof, and the cation is an ammonium cation having a heterocyclic structure closed by a nitrogen atom and an alkyl chain having 2 to 10 carbon atoms, and the counter anion is It is preferably inert to lithium metal.

本発明においては、前記カチオンは、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムカチオン、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムカチオン、N−ブチル−N−メチルピペリジニウムカチオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムカチオン、N−メチル−N−メトキシエチルピペリジニウムカチオン及びN−メチル−N−メトキシエチルピロリジニウムカチオンからなる群から選ばれるカチオンであることが好ましい。   In the present invention, the cation is N-methyl-N-propylpiperidinium cation, N-methyl-N-propylpyrrolidinium cation, N-butyl-N-methylpiperidinium cation, N-butyl-N. It is preferably a cation selected from the group consisting of -methylpyrrolidinium cation, N-methyl-N-methoxyethylpiperidinium cation and N-methyl-N-methoxyethylpyrrolidinium cation.

本発明においては、前記空気極の全質量を100質量%としたときのニッケル触媒の含有割合が5〜15質量%であることが好ましい。In this invention, it is preferable that the content rate of a nickel catalyst when the total mass of the said air electrode is 100 mass% is 5-15 mass%.

本発明によれば、電解液中のリチウム塩の濃度が、従来の電解液のリチウム塩濃度よりも高い0.37mol/kg以上であることにより、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給でき、その結果、リチウムイオンの欠乏が主な原因の1つとなるデンドライトの発生を抑制できる。また、本発明によれば、電解液中の前記リチウム塩の濃度が0.75mol/kg以下であることにより、電解液が適度な粘度を有し、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給でき、その結果、デンドライトの発生を抑制できる。   According to the present invention, when the lithium salt concentration in the electrolytic solution is 0.37 mol / kg or higher, which is higher than the lithium salt concentration in the conventional electrolytic solution, lithium ions are sufficiently contained in the vicinity of the negative electrode during charging. As a result, the generation of dendrite, which is one of the main causes of the lack of lithium ions, can be suppressed. Further, according to the present invention, when the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is 0.75 mol / kg or less, the electrolytic solution has an appropriate viscosity, and sufficient lithium ions are provided near the negative electrode during charging. As a result, the generation of dendrites can be suppressed.

本発明のリチウム二次電池の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the lithium secondary battery of this invention. 実施例1−3、並びに比較例1−3の電解液を使用した場合において、リチウムが均一に析出した時間、及び、イオン導電率の値をプロットしたグラフである。When the electrolyte solution of Example 1-3 and Comparative Example 1-3 was used, it is the graph which plotted the time and the ionic conductivity of the lithium which precipitated uniformly. 実施例4及び比較例4の電解液を使用した場合において、リチウムが均一に析出した時間、及び、イオン導電率の値をプロットしたグラフである。When the electrolyte solution of Example 4 and Comparative Example 4 is used, it is the graph which plotted the value of the time when lithium precipitated uniformly, and the ionic conductivity. 実施例5のリチウム空気電池の充放電曲線である。6 is a charge / discharge curve of the lithium-air battery of Example 5. FIG. 実施例5、並びに比較例5及び比較例6のリチウム空気電池の放電容量及びクーロン効率の値をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the value of the discharge capacity of the lithium air battery of Example 5, and the comparative example 5 and the comparative example 6, and coulomb efficiency. 比較例5及び比較例6のリチウム空気電池の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the lithium air battery of the comparative example 5 and the comparative example 6.

1.リチウム二次電池用電解液
本発明のリチウム二次電池用電解液は、少なくともイオン液体とリチウム塩を含有するリチウム二次電池用電解液であって、前記電解液中の前記リチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgであることを特徴とする。
1. Electrolyte for lithium secondary battery The electrolyte for lithium secondary battery of the present invention is an electrolyte for lithium secondary battery containing at least an ionic liquid and a lithium salt, and the concentration of the lithium salt in the electrolyte is It is 0.37 to 0.75 mol / kg.

上述したように、上記非特許文献1に記載された電解液は、電解液中のリチウム塩濃度が0.32mol/kgと低い。本発明者らは、後述する実施例において示すように、電解液中のリチウム塩濃度が0.32mol/kgである比較例2の電解液は、リチウムが負極に均一に析出する時間が60秒と極めて短く、負極においてリチウムデンドライトが発生しやすいことを見出した。
本発明者らは、鋭意検討の結果、電解液中のリチウム塩の濃度を0.37〜0.75mol/kgの範囲内とすることにより、リチウムが負極に均一に析出する時間が格段に長くなり、負極におけるリチウムデンドライトの発生を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
As described above, the electrolytic solution described in Non-Patent Document 1 has a low lithium salt concentration of 0.32 mol / kg in the electrolytic solution. As shown in Examples described later, the inventors of the electrolytic solution of Comparative Example 2 in which the lithium salt concentration in the electrolytic solution is 0.32 mol / kg has a time for which lithium is uniformly deposited on the negative electrode for 60 seconds. They found that lithium dendrite was likely to be generated in the negative electrode.
As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have a remarkably long time during which lithium is uniformly deposited on the negative electrode by setting the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution within the range of 0.37 to 0.75 mol / kg. Thus, the inventors have found that generation of lithium dendrite in the negative electrode can be suppressed, and completed the present invention.

本発明に使用されるイオン液体中のカチオンは、通常イオン液体のカチオン種として使用されるものであれば特に限定されないが、窒素原子及び炭素数2〜10のアルキル鎖により閉じたヘテロ環構造を有するアンモニウムカチオンであることが好ましい。   The cation in the ionic liquid used in the present invention is not particularly limited as long as it is usually used as a cation species of the ionic liquid, but has a heterocyclic structure closed by a nitrogen atom and an alkyl chain having 2 to 10 carbon atoms. It is preferable that it is the ammonium cation which has.

本発明に使用されるカチオンとしては、具体的には、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムカチオン(PP13)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムカチオン(P13)、N−ブチル−N−メチルピペリジニウムカチオン(PP14)、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムカチオン(P14)、N−メチル−N−メトキシエチルピペリジニウムカチオン(PP1.1o2)又はN−メチル−N−メトキシエチルピロリジニウムカチオン(P1.1o2)を用いることが好ましい。   Specific examples of the cation used in the present invention include N-methyl-N-propylpiperidinium cation (PP13), N-methyl-N-propylpyrrolidinium cation (P13), and N-butyl-N. -Methylpiperidinium cation (PP14), N-butyl-N-methylpyrrolidinium cation (P14), N-methyl-N-methoxyethylpiperidinium cation (PP1.1o2) or N-methyl-N-methoxy It is preferable to use an ethylpyrrolidinium cation (P1.1o2).

本発明に使用されるカウンターアニオンは、通常イオン液体のアニオン種として使用されるものであれば特に限定されないが、リチウム金属に対して不活性なアニオンが好ましい。
ここでいうリチウム金属に対して不活性なアニオンとは、当該アニオンを含む電解液にリチウム金属を100分間浸漬させても化学構造が変化せず、安定なアニオンをいう。一方、リチウム金属に対して活性なアニオンとは、当該アニオンを含む電解液にリチウム金属を100分間浸漬させることによって分解するアニオンをいう。
本発明に使用されるカウンターアニオンは、具体的には、[N(CF、[N(SOCF、[N(SO等のイミドアニオン;RSO (以下、Rは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基を指す)、RSO 、RSO (以下、Rは含フッ素ハロゲン化炭化水素基を指す)、RSO 等の亜硫酸アニオン又は硫酸アニオン;R P(O)O、R PF 等のリン酸アニオン;その他、ラクテートアニオン、トリフルオロアセテートアニオン等が挙げられる。
これらのアニオンのうち、本発明に使用されるカウンターアニオンは、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン([N(SOCF)であることが好ましい。
The counter anion used in the present invention is not particularly limited as long as it is normally used as an anionic species of an ionic liquid, but an anion which is inactive with respect to lithium metal is preferable.
The anion inactive to the lithium metal herein refers to a stable anion that does not change its chemical structure even when the lithium metal is immersed in an electrolytic solution containing the anion for 100 minutes. On the other hand, an anion active against lithium metal refers to an anion that decomposes by immersing lithium metal in an electrolyte containing the anion for 100 minutes.
The counter anions used in the present invention are specifically [N (CF 3 ) 2 ] , [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] , [N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ] −. Imide anions such as RSO 3 (hereinafter R represents an aliphatic hydrocarbon group or aromatic hydrocarbon group), RSO 4 , R f SO 3 (hereinafter R f is a fluorine-containing halogenated hydrocarbon group) Sulfite anion or sulfate anion such as R f SO 4 ; phosphate anions such as R f 2 P (O) O , R f 3 PF 3 ; and others such as lactate anion, trifluoroacetate anion, etc. Can be mentioned.
Among these anions, the counter anion used in the present invention is preferably a bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion ([N (SO 2 CF 3 ) 2 ] ).

本発明に使用される電解液は、さらにリチウム塩を含有する。リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;LiCFSO、LiN(SOCF(Li−TFSI)、LiN(SO及びLiC(SOCF等の有機リチウム塩が挙げられる。このようなリチウム塩を2種以上組み合わせて用いてもよい。 The electrolytic solution used in the present invention further contains a lithium salt. Examples of lithium salts include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and organic lithium salts such as LiC (SO 2 CF 3 ) 3 . Two or more such lithium salts may be used in combination.

本発明においては、電解液中のリチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgであることが主な特徴の1つである。後述する実施例において示すように、電解液中のリチウム塩の濃度が0.37mol/kg未満である場合には、充電時において、1分程度の極めて短い時間のみリチウムが均一に析出し、その後は負極にリチウムデンドライトが発生するおそれが極めて高い。これは、電解液中のリチウム塩の濃度が低すぎることにより、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給できないことによるものと考えられる。一方、電解液中のリチウム塩の濃度が0.75mol/kgを超える場合には、充電時において、1分程度の極めて短い時間のみリチウムが均一に析出し、その後は負極にリチウムデンドライトが発生するおそれが極めて高く、且つ、イオン導電率も極めて低い。これは、電解液中のリチウム塩の濃度が高すぎることにより、電解液の粘度が高くなりすぎ、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給できないことによるものと考えられる。
本発明においては、電解液中のリチウム塩の濃度が0.4〜0.7mol/kgであることが好ましく、0.45〜0.6mol/kgであることがより好ましい。
In the present invention, one of the main features is that the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is 0.37 to 0.75 mol / kg. As shown in the examples described later, when the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is less than 0.37 mol / kg, lithium is uniformly deposited only for an extremely short time of about 1 minute at the time of charging. Is extremely likely to generate lithium dendrite on the negative electrode. This is considered to be due to the fact that the lithium ion concentration in the electrolyte is too low, so that lithium ions cannot be sufficiently supplied to the vicinity of the negative electrode during charging. On the other hand, when the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution exceeds 0.75 mol / kg, lithium is uniformly deposited only for an extremely short time of about 1 minute during charging, and then lithium dendrite is generated on the negative electrode. The fear is very high and the ionic conductivity is also very low. This is considered to be due to the fact that the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is too high, the viscosity of the electrolytic solution becomes too high, and lithium ions cannot be sufficiently supplied to the vicinity of the negative electrode during charging.
In the present invention, the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is preferably 0.4 to 0.7 mol / kg, and more preferably 0.45 to 0.6 mol / kg.

本発明に使用される電解液は、上記イオン液体及びリチウム塩の他に、非水系電解質を含んでいてもよい。
非水系電解質としては、非水系電解液及び非水ゲル電解質を用いることができる。
本発明に使用される非水系電解液は、通常、上述したリチウム塩および非水溶媒を含有する。上記非水溶媒としては、例えば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)、エチルカーボネート、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、ジメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、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及びこれらの混合物等を挙げることができる。また、溶存した酸素を効率良く反応に用いることができるという観点から、上記非水溶媒は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。
The electrolytic solution used in the present invention may contain a non-aqueous electrolyte in addition to the ionic liquid and the lithium salt.
As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte solution and a non-aqueous gel electrolyte can be used.
The nonaqueous electrolytic solution used in the present invention usually contains the above-described lithium salt and nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, and sulfolane. , Acetonitrile, dimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof. Further, from the viewpoint that dissolved oxygen can be efficiently used for the reaction, the non-aqueous solvent is preferably a solvent having high oxygen solubility.

また、本発明に用いられる非水ゲル電解質は、通常、非水系電解液にポリマーを添加してゲル化したものである。例えば、上述した非水系電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加し、ゲル化することにより、得ることができる。   Further, the non-aqueous gel electrolyte used in the present invention is usually a gel obtained by adding a polymer to a non-aqueous electrolyte solution. For example, it can be obtained by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) to the non-aqueous electrolyte solution described above and gelling.

2.リチウム二次電池及びリチウム空気電池
本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解液とを備えるリチウム二次電池であって、前記電解液が、上記リチウム二次電池用電解液であることを特徴とする。
本発明のリチウム空気電池は、少なくとも空気極と、負極と、当該空気極と当該負極との間に介在する電解液とを備えるリチウム空気電池であって、前記電解液が上記リチウム二次電池用電解液であり、且つ、前記空気極がニッケル触媒を含有することを特徴とする。
2. Lithium secondary battery and lithium air battery The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode. The liquid is the above-mentioned electrolytic solution for a lithium secondary battery.
The lithium-air battery of the present invention is a lithium-air battery comprising at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the electrolyte solution is for the lithium secondary battery. It is an electrolytic solution, and the air electrode contains a nickel catalyst.

図1は、本発明に係るリチウム二次電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明に係るリチウム二次電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
リチウム二次電池100は、正極活物質層2及び正極集電体4を備える正極6と、負極活物質層3及び負極集電体5を備える負極7と、正極6及び負極7に挟持される電解液1を備える。
本発明に係るリチウム二次電池のうち、電解液については上述した通りである。以下、本発明に係るリチウム二次電池の構成要素である、正極、負極、セパレータ、電池ケースについて、詳細に説明する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a layer configuration of a lithium secondary battery according to the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in a stacking direction. The lithium secondary battery according to the present invention is not necessarily limited to this example.
The lithium secondary battery 100 is sandwiched between the positive electrode 6 including the positive electrode active material layer 2 and the positive electrode current collector 4, the negative electrode 7 including the negative electrode active material layer 3 and the negative electrode current collector 5, and the positive electrode 6 and the negative electrode 7. An electrolytic solution 1 is provided.
Among the lithium secondary batteries according to the present invention, the electrolytic solution is as described above. Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the battery case, which are components of the lithium secondary battery according to the present invention, will be described in detail.

(正極)
本発明に係るリチウム二次電池の正極は、好ましくは正極活物質を有する正極活物質層を備えるものであり、通常、これに加えて、正極集電体、及び当該正極集電体に接続された正極リードを備えるものである。なお、本発明に係るリチウム二次電池がリチウム空気電池である場合には、上記正極の替わりに、空気極層を含む空気極を備える。
(Positive electrode)
The positive electrode of the lithium secondary battery according to the present invention preferably comprises a positive electrode active material layer having a positive electrode active material, and is usually connected to the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. The positive electrode lead is provided. When the lithium secondary battery according to the present invention is a lithium-air battery, an air electrode including an air electrode layer is provided instead of the positive electrode.

(正極活物質層)
以下、正極として、正極活物質層を備える正極を採用した場合について説明する。
本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、LiFe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。これらの中でも、本発明においては、LiCoOを正極活物質として用いることが好ましい。
(Positive electrode active material layer)
Hereinafter, the case where the positive electrode provided with a positive electrode active material layer is employ | adopted as a positive electrode is demonstrated.
Specific examples of the positive electrode active material used in the present invention include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4. , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. Among these, in the present invention, LiCoO 2 is preferably used as the positive electrode active material.

本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とするリチウム二次電池の用途等により異なるものであるが、10μm〜250μmの範囲内であるのが好ましく、20μm〜200μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に30μm〜150μmの範囲内であることが最も好ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the lithium secondary battery, but is preferably in the range of 10 μm to 250 μm, and in the range of 20 μm to 200 μm. It is particularly preferred that it is most preferably in the range of 30 μm to 150 μm.

正極活物質の平均粒径としては、例えば1μm〜50μmの範囲内、中でも1μm〜20μmの範囲内、特に3μm〜5μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   The average particle diameter of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 μm to 50 μm, more preferably in the range of 1 μm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 μm to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Because. The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by measuring and averaging the particle diameter of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).

正極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着剤等を含有していても良い。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material included in the positive electrode active material layer used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. For example, carbon black such as acetylene black and ketjen black Etc. Moreover, although content of the electrically conductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1 mass%-10 mass% normally.

本発明において用いられる正極活物質層が有する結着剤としては、例えばポリビニリデンフロライド(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。また、正極活物質層における結着剤の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着剤の含有量は、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。   Examples of the binder included in the positive electrode active material layer used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content of the binder is usually in the range of 1% by mass to 10% by mass.

(正極集電体)
本発明において用いられる正極集電体は、上記の正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Among these, aluminum and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.

前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方の電極の電極活物質層が、少なくとも電極活物質及び電極用電解質を含有するという構成をとることもできる。この場合、電極用電解質としては、固体酸化物電解質、固体硫化物電解質等の固体電解質や、上述したゲル電解質等を用いることができる。   The electrode active material layer of at least one of the positive electrode and the negative electrode can also be configured to contain at least an electrode active material and an electrode electrolyte. In this case, as the electrode electrolyte, a solid electrolyte such as a solid oxide electrolyte or a solid sulfide electrolyte, the above-described gel electrolyte, or the like can be used.

本発明に用いられる正極を製造する方法は、上記の正極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い。なお、正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。   The method for producing the positive electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the positive electrode. In addition, after forming a positive electrode active material layer, in order to improve an electrode density, you may press a positive electrode active material layer.

(空気極層)
以下、正極として、空気極層を備える空気極を採用した場合について説明する。本発明に用いられる空気極層は、少なくとも触媒及び導電性材料を含有するものであることが好ましい。本発明に用いられる空気極層は、必要に応じて、さらに結着剤を含有していても良い。
(Air electrode layer)
Hereinafter, a case where an air electrode including an air electrode layer is employed as the positive electrode will be described. The air electrode layer used in the present invention preferably contains at least a catalyst and a conductive material. The air electrode layer used in the present invention may further contain a binder as necessary.

本発明に使用される空気極は、ニッケル触媒を含有し、当該空気極の全質量を100質量%としたときのニッケル触媒の含有割合が5〜15質量%であることが好ましい。
後述する実施例において示すように、ニッケル触媒の当該含有割合が5質量%未満である場合には、ニッケルの含有割合が低すぎることにより、空気極中の放電生成物の析出サイトを有効利用できず、放電生成物が偏って析出するために、放電容量が低くなるおそれがあり、さらに、放電時に生成したリチウム酸化物(Li及び/又はLiO)が、充電時において全て電気的に分解されないため、クーロン効率が低くなるおそれがある。
一方、ニッケル触媒の当該含有割合が15質量%を超える場合には、ニッケルの含有割合が高すぎることにより、相対的に空気極中のカーボン材料等の導電性材料等の含有割合が低下し、カーボン材料等の表面の活性点が減少するために、放電容量が低くなるおそれがあり、さらに、放電時に生成するリチウム酸化物(Li及び/又はLiO)の析出物のサイズが大きくなり、充電時において当該析出物を全て分解することが困難となるため、クーロン効率が低くなるおそれがある。
本発明においては、空気極の全質量を100質量%としたときのニッケル触媒の含有割合が5〜15質量%であることがより好ましく、7〜12質量%であることがさらに好ましい。
The air electrode used in the present invention contains a nickel catalyst, and the content ratio of the nickel catalyst is preferably 5 to 15% by mass when the total mass of the air electrode is 100% by mass.
As shown in the examples described later, when the content ratio of the nickel catalyst is less than 5% by mass, the deposition site of the discharge product in the air electrode can be effectively used because the nickel content ratio is too low. In addition, since the discharge products are preferentially deposited, the discharge capacity may be lowered, and the lithium oxide (Li 2 O 2 and / or Li 2 O) generated at the time of discharge is all electrically charged at the time of charge. The coulomb efficiency is likely to be low.
On the other hand, when the content ratio of the nickel catalyst exceeds 15% by mass, the content ratio of the conductive material such as the carbon material in the air electrode is relatively reduced due to the nickel content being too high, Since the active sites on the surface of the carbon material and the like are reduced, the discharge capacity may be lowered, and further, the size of the precipitate of lithium oxide (Li 2 O 2 and / or Li 2 O) generated during discharge is small. Since it becomes large and it becomes difficult to decompose | disassemble all the said deposits at the time of charge, there exists a possibility that coulomb efficiency may become low.
In this invention, it is more preferable that the content rate of a nickel catalyst when the total mass of an air electrode is 100 mass% is 5-15 mass%, and it is further more preferable that it is 7-12 mass%.

本発明に使用できるニッケル触媒としては、ニッケル金属(Ni);Fe、Cu、Ti、Au、Pt、Zu、Cr、Mo及びW等からなる群から選ばれる少なくとも1つの金属とニッケルとの合金;B、C及びSi等からなる群から選ばれる少なくとも1つの非金属元素とニッケルとからなるニッケル化合物;等を使用することができる。   The nickel catalyst that can be used in the present invention is nickel metal (Ni); an alloy of nickel and at least one metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Au, Pt, Zu, Cr, Mo, W, and the like; A nickel compound comprising at least one nonmetallic element selected from the group consisting of B, C, Si and the like and nickel; and the like can be used.

上述したニッケル触媒の他にも、上記空気極層に使用できる触媒としては、例えば、酸素活性触媒が挙げられる。酸素活性触媒の例としては、例えば、パラジウム及び白金等の白金族;コバルト、マンガン又は鉄等の遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物;ルテニウム、イリジウム又はパラジウム等の貴金属酸化物を含む無機化合物;ポルフィリン骨格又はフタロシアニン骨格を有する金属配位有機化合物;酸化マンガン等が挙げられる。
電極反応がよりスムーズに行われるという観点から、後述する導電性材料に上記触媒が担持されていることが好ましい。
In addition to the nickel catalyst described above, examples of a catalyst that can be used for the air electrode layer include an oxygen active catalyst. Examples of oxygen active catalysts include, for example, platinum groups such as palladium and platinum; perovskite oxides containing transition metals such as cobalt, manganese or iron; inorganic compounds containing noble metal oxides such as ruthenium, iridium or palladium; porphyrins Metal coordination organic compounds having a skeleton or a phthalocyanine skeleton; manganese oxide and the like.
From the viewpoint that the electrode reaction is performed more smoothly, it is preferable that the catalyst is supported on a conductive material described later.

上記空気極層に用いられ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、ペロブスカイト型導電性材料、多孔質導電性ポリマー及び金属多孔体等を挙げることができる。特に、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、本発明においては、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でき、さらにガス拡散層としての役割も果たすからである。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割合としては、例えば65質量%〜99質量%の範囲内、中でも75質量%〜95質量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有割合が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じるおそれがある。導電性材料の含有割合が多すぎると、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おそれがある。
The conductive material used for the air electrode layer is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a carbon material, a perovskite-type conductive material, a porous conductive polymer, a metal porous body, etc. Can be mentioned. In particular, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure, but in the present invention, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the specific surface area is large, so that many reaction fields can be provided, and it also serves as a gas diffusion layer. 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.
As a content rate of the electroconductive material in an air electrode layer, it is preferable to exist in the range of 65 mass%-99 mass%, for example in the range of 75 mass%-95 mass% especially. When the content ratio of the conductive material is too small, the reaction field is decreased, and the battery capacity may be reduced. When the content ratio of the conductive material is too large, the content of the catalyst is relatively reduced, and there is a possibility that a sufficient catalytic function cannot be exhibited.

上記空気極層は、少なくとも触媒及び導電性材料を含有してれば良いが、さらに結着剤を含有することが好ましい。結着剤としては、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)や、スチレン・ブタジエンゴム(SBRゴム)等のゴム系樹脂等を挙げることができる。空気極層における結着剤の含有割合としては、特に限定されるものではないが、例えば30質量%以下、中でも1質量%〜10質量%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 catalyst and a conductive material, but preferably further contains a binder. Examples of the binder include rubber resins such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene / butadiene rubber (SBR rubber). Although it does not specifically limit as a content rate of the binder in an air electrode layer, For example, it is preferable that it is in the range of 30 mass% or less, especially 1 mass%-10 mass%.

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.

(空気極集電体)
本発明に用いられる空気極集電体は、空気極層の集電を行うものである。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、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、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、本発明のリチウム二次電池は、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)を備えていても良い。また、本発明においては、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。
空気極集電体の厚さは、例えば10μm〜1000μmの範囲内、中でも20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。
(Air current collector)
The air electrode current collector used in the present invention collects 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 invention, it is preferable that the shape of an air electrode electrical power collector is a mesh form. 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 lithium secondary battery of the present invention may include another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. good. In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
The thickness of the air electrode current collector is, for example, preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 20 μm to 400 μm.

(負極)
本発明に係るリチウム二次電池中の負極は、好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備えるものであり、通常、これに加えて負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを備えるものである。
(Negative electrode)
The negative electrode in the lithium secondary battery according to the present invention preferably comprises a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and is usually connected to the negative electrode current collector and the negative electrode current collector in addition to this. The negative electrode lead is provided.

(負極活物質層)
本発明に係るリチウム二次電池中の負極層は、金属及び合金材料を含む負極活物質を含有する。負極活物質層に用いられる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、リチウム元素を含有する金属酸化物、リチウム元素を含有する金属硫化物、リチウム元素を含有する金属窒化物、及びグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
リチウム合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。また、負極層には、固体電解質をコートしたリチウムを用いることもできる。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode layer in the lithium secondary battery according to the present invention contains a negative electrode active material including a metal and an alloy material. The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can occlude / release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide containing lithium element, and lithium element Examples thereof include metal sulfides, metal nitrides containing lithium element, and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.
Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Moreover, as a metal oxide containing a lithium element, lithium titanium oxide etc. can be mentioned, for example. Examples of the metal nitride containing a lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride. Further, lithium coated with a solid electrolyte can also be used for the negative electrode layer.

また、上記負極層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、導電性材料及び結着剤の少なくとも一方を含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及び結着剤を有する負極層とすることができる。なお、導電性材料及び結着剤については、上述した「正極活物質層」又は「空気極層」の項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。
負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10μm〜100μmの範囲内、中でも10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
The negative electrode layer may contain only a negative electrode active material, or may contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, a negative electrode layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, a negative electrode layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained. The conductive material and the binder are the same as the contents described in the above-mentioned “positive electrode active material layer” or “air electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here.
Although it does not specifically limit as a film thickness of a negative electrode active material layer, For example, it is preferable to exist in the range of 10 micrometers-100 micrometers, especially in the range of 10 micrometers-50 micrometers.

(負極集電体)
負極集電体の材料及び形状としては、上述した正極集電体の材料及び形状と同様のものを採用することができる。
(Negative electrode current collector)
As the material and shape of the negative electrode current collector, the same materials and shapes as those of the positive electrode current collector described above can be employed.

(セパレータ)
本発明に係るリチウム二次電池は、正極及び負極の間に、電解液を含浸させたセパレータを備えていてもよい。上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;及び樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
(Separator)
The lithium secondary battery according to the present invention may include a separator impregnated with an electrolytic solution between the positive electrode and the negative electrode. Examples of the separator include porous films such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.

(電池ケース)
本発明に係るリチウム二次電池は、通常、正極、電解液及び負極等を収納する電池ケースを有する。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。
本発明に係る電池がリチウム空気電池である場合には、電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極層が十分に大気と接触可能な構造を有する電池ケースである。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、気体(空気)の導入管及び排気管を設けることが好ましい。この場合、導入・排気する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。
(Battery case)
The lithium secondary battery according to the present invention usually has a battery case that houses a positive electrode, an electrolyte, a negative electrode, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type.
When the battery according to the present invention is a lithium-air battery, the battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. An open-air battery case is a battery case having a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently come into contact with the atmosphere. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) introduction pipe and an exhaust pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be introduced / exhausted preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen. In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.

1.電解液の調製
[実施例1]
N−メチル−N−プロピルピペリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(関東化学株式会社製;以下、PP13TFSIと称する場合がある)に、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(以下、LiTFSIと称する場合がある)を濃度が0.4mol/kgとなるように溶解させ、実施例1の電解液を調製した。
1. Preparation of electrolyte [Example 1]
N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc .; hereinafter referred to as PP13TFSI) and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (hereinafter referred to as LiTFSI) Was dissolved to a concentration of 0.4 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Example 1.

[実施例2]
PP13TFSIに、LiTFSIを濃度が0.5mol/kgとなるように溶解させ、実施例2の電解液を調製した。
[Example 2]
LiTFSI was dissolved in PP13TFSI so as to have a concentration of 0.5 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Example 2.

[実施例3]
PP13TFSIに、LiTFSIを濃度が0.75mol/kgとなるように溶解させ、実施例3の電解液を調製した。
[Example 3]
LiTFSI was dissolved in PP13TFSI so as to have a concentration of 0.75 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Example 3.

[実施例4]
N−ブチル−N−メチルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(関東化学株式会社製:以下、P14TFSIと称する場合がある)に、LiTFSIを濃度が0.5mol/kgとなるように溶解させ、実施例4の電解液を調製した。
[Example 4]
LiTFSI is dissolved in N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc .: hereinafter sometimes referred to as P14TFSI) to a concentration of 0.5 mol / kg. The electrolyte solution of Example 4 was prepared.

[比較例1]
PP13TFSIに、LiTFSIを濃度が0.1mol/kgとなるように溶解させ、比較例1の電解液を調製した。
[Comparative Example 1]
LiTFSI was dissolved in PP13TFSI so as to have a concentration of 0.1 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Comparative Example 1.

[比較例2]
PP13TFSIに、LiTFSIを濃度が0.32mol/kgとなるように溶解させ、比較例2の電解液を調製した。
[Comparative Example 2]
LiTFSI was dissolved in PP13TFSI so as to have a concentration of 0.32 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Comparative Example 2.

[比較例3]
PP13TFSIに、LiTFSIを濃度が1.0mol/kgとなるように溶解させ、比較例3の電解液を調製した。
[Comparative Example 3]
LiTFSI was dissolved in PP13TFSI so as to have a concentration of 1.0 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Comparative Example 3.

[比較例4]
P14TFSIに、LiTFSIを濃度が0.32mol/kgとなるように溶解させ、比較例4の電解液を調製した。
[Comparative Example 4]
LiTFSI was dissolved in P14TFSI so as to have a concentration of 0.32 mol / kg to prepare an electrolytic solution of Comparative Example 4.

2.リチウム空気電池の作製
[実施例5]
まず、導電性材料としてケッチェンブラック(ECP600JD;以下、KBと称する場合がある)を、結着剤としてPTFE(ダイキン工業株式会社製、商品名:F−104)を、空気極触媒としてニッケル粉末を、それぞれ用意した。これら導電性材料、結着剤及び空気極触媒を、KB:PTFE:Ni=80質量%:10質量%:10質量%の割合で混合し、空気極ペーストを調製した。
2. Production of lithium-air battery [Example 5]
First, ketjen black (ECP600JD; hereinafter may be referred to as KB) as a conductive material, PTFE (trade name: F-104, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) as a binder, and nickel powder as an air electrode catalyst Were prepared. The conductive material, the binder and the air electrode catalyst were mixed at a ratio of KB: PTFE: Ni = 80 mass%: 10 mass%: 10 mass% to prepare an air electrode paste.

空気極集電体として、SUS100メッシュ(株式会社ニラコ製)を用意し、当該SUSメッシュの一面側に上記空気極ペーストを塗布して、空気極を作製した。また、負極集電体としてSUS板を用意し、当該SUS板の一面側にリチウム金属(極東金属、厚み200μm、Φ15mm)を貼り合わせて、負極を作製した。
ポリプロピレン製不織布(JH1004N)に、上述した実施例2の電解液(リチウム塩濃度:0.5mol/kg)0.75mLを浸漬させたものを電解質層とした。当該電解質層を、気泡が入らないように、上記空気極と負極によって、重力方向略下側から、負極集電体−リチウム金属−電解質層−空気極ペースト−空気極集電体の順となるように挟持し、実施例5のリチウム空気電池を作製した。
以上の工程は、全て窒素雰囲気下のグローブボックス内で行った。
金属空気電池はF型セル(北斗電工(株)製)内に配置し、当該セルはガス置換コックつきガラスデシケーター内に配置した。デシケータ−内にはモレキュラーシーブ約50mLを配置し、容器内を酸素で置換した。
As an air electrode current collector, SUS100 mesh (manufactured by Niraco Co., Ltd.) was prepared, and the air electrode paste was applied to one surface side of the SUS mesh to produce an air electrode. Moreover, a SUS plate was prepared as a negative electrode current collector, and lithium metal (Far East Metal, thickness 200 μm, Φ15 mm) was bonded to one surface side of the SUS plate to produce a negative electrode.
An electrolyte layer was prepared by immersing 0.75 mL of the electrolyte solution (lithium salt concentration: 0.5 mol / kg) of Example 2 described above into a polypropylene nonwoven fabric (JH1004N). In order to prevent bubbles from entering the electrolyte layer, the negative electrode current collector-lithium metal-electrolyte layer-air electrode paste-air electrode current collector are arranged in this order from the lower side in the direction of gravity by the air electrode and the negative electrode. Thus, a lithium air battery of Example 5 was produced.
All the above steps were performed in a glove box under a nitrogen atmosphere.
The metal-air battery was placed in an F-type cell (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), and the cell was placed in a glass desiccator with a gas replacement cock. About 50 mL of molecular sieve was placed in the desiccator, and the inside of the container was replaced with oxygen.

[比較例5]
導電性材料、結着剤及び空気極触媒を、KB:PTFE:Ni=70質量%:10質量%:20質量%の割合で混合し、空気極ペーストを調製したこと以外は、実施例5と同様に、比較例5のリチウム空気電池を作製した。
[Comparative Example 5]
The conductive material, the binder, and the air electrode catalyst were mixed in a ratio of KB: PTFE: Ni = 70% by mass: 10% by mass: 20% by mass to prepare an air electrode paste as in Example 5. Similarly, a lithium air battery of Comparative Example 5 was produced.

[比較例6]
空気極ペーストにニッケル粉末を混合せず、導電性材料及び結着剤を、KB:PTFE=90質量%:10質量%の割合で混合し、空気極ペーストを調製したこと以外は、実施例5と同様に、比較例6のリチウム空気電池を作製した。
[Comparative Example 6]
Example 5 except that the air electrode paste was prepared by mixing the conductive material and the binder at a ratio of KB: PTFE = 90 mass%: 10 mass% without mixing the nickel powder with the air electrode paste. Similarly, a lithium air battery of Comparative Example 6 was produced.

3.リチウムが均一に析出した時間、及びイオン導電率の比較
実施例1−3、及び比較例1−3の電解液を、それぞれリチウム/リチウム対称セルに導入し、電流密度0.2mA/cmの条件で、一定時間定電流保持した。一定時間経過後、セル内の負極を取り出し、当該負極表面に析出したリチウム固体の表面を光学顕微鏡にて観察した。同一条件で複数回、一定時間ごとに負極表面の観察を繰り返し、負極表面において均一にリチウムが析出する時間を、その電解液においてリチウムが均一に析出した時間とした。これらの操作は、全てアルゴン雰囲気下で行った。
3. Comparison of time during which lithium was deposited uniformly and ionic conductivity The electrolytes of Examples 1-3 and 1-3 were introduced into lithium / lithium symmetrical cells, respectively, and the current density was 0.2 mA / cm 2 . The constant current was maintained for a certain time under the conditions. After a certain period of time, the negative electrode in the cell was taken out, and the surface of the lithium solid deposited on the negative electrode surface was observed with an optical microscope. The observation of the negative electrode surface was repeated several times under the same conditions at regular intervals, and the time during which lithium was uniformly deposited on the negative electrode surface was defined as the time during which lithium was uniformly deposited in the electrolyte. All of these operations were performed under an argon atmosphere.

実施例2及び3、並びに比較例2及び3の電解液について、伝導度計(TOA Electronics Ltd.製、製品番号:CM−40S)を用いて、評価温度25℃でイオン導電率を測定した。   For the electrolyte solutions of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 3, ionic conductivity was measured at an evaluation temperature of 25 ° C. using a conductivity meter (manufactured by TOA Electronics Ltd., product number: CM-40S).

図2は、実施例1−3、並びに比較例1−3の電解液を使用した場合において、リチウムが均一に析出した時間、及び、イオン導電率の値をプロットしたグラフである。図2のグラフは、左の縦軸としてリチウムが均一に析出した時間(秒)をとり、右の縦軸としてイオン導電率(mS/cm)をとり、横軸としてリチウム塩濃度(mol/kg)をとったグラフである。黒菱形のプロットはリチウムが均一に析出した時間を、黒四角のプロットはイオン導電率を、それぞれ示す。   FIG. 2 is a graph plotting the time during which lithium was deposited uniformly and the value of ionic conductivity in the case where the electrolytic solutions of Example 1-3 and Comparative Example 1-3 were used. In the graph of FIG. 2, the left vertical axis represents the time (seconds) in which lithium was uniformly deposited, the right vertical axis represents the ionic conductivity (mS / cm), and the horizontal axis represents the lithium salt concentration (mol / kg). ). The black rhombus plot shows the time during which lithium was deposited uniformly, and the black square plot shows the ionic conductivity.

まず、比較例1(リチウム塩濃度:0.1mol/kg)及び比較例2(リチウム塩濃度:0.32mol/kg)について検討する。比較例2の電解液のイオン導電率は0.78mS/cmである。しかし、比較例1の電解液における、リチウムが均一に析出した時間は55秒であり、比較例2の電解液における、リチウムが均一に析出した時間は60秒である。これらの結果より、リチウム塩濃度が0.32mol/kg以下の場合には、リチウムが均一に析出した時間は極めて短いことが分かる。これは、電解液中のリチウム塩の濃度が、従来の電解液のリチウム塩濃度と同様に、0.32mol/kg以下と低すぎることにより、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給できず、その結果、リチウムイオンの欠乏が主な原因の1つとなるデンドライトが発生しやすくなることによるものと考えられる。   First, Comparative Example 1 (lithium salt concentration: 0.1 mol / kg) and Comparative Example 2 (lithium salt concentration: 0.32 mol / kg) will be examined. The ionic conductivity of the electrolytic solution of Comparative Example 2 is 0.78 mS / cm. However, the time during which lithium was uniformly deposited in the electrolytic solution of Comparative Example 1 was 55 seconds, and the time during which lithium was uniformly deposited in the electrolytic solution of Comparative Example 2 was 60 seconds. From these results, it can be seen that when the lithium salt concentration is 0.32 mol / kg or less, the time during which lithium is uniformly deposited is extremely short. This is because the lithium salt concentration in the electrolyte solution is too low, 0.32 mol / kg or less, similar to the lithium salt concentration in the conventional electrolyte solution, so that sufficient lithium ions are supplied near the negative electrode during charging. As a result, it is considered that dendrite, which is one of the main causes of lithium ion deficiency, is likely to occur.

次に、比較例3(リチウム塩濃度:1.0mol/kg)について検討する。比較例3の電解液のイオン導電率は0.015mS/cmであり、リチウムが均一に析出した時間は80秒である。これらの結果より、リチウム塩濃度が1.0mol/kg以上の場合には、イオン導電率が0.1mS/cm未満と極めて低くなり、且つ、リチウムが均一に析出した時間が極めて短いことが分かる。これは、電解液中のリチウム塩の濃度が1mol/kgと高すぎることにより、電解液の粘度が高くなりすぎ、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給できず、その結果、リチウムイオンの欠乏が主な原因の1つとなるデンドライトが発生しやすくなることによるものと考えられる。なお、比較例3の電解液の粘度が高いことは、比較例3のイオン導電率が0.1mS/cm未満と極めて低いことからも明らかである。   Next, Comparative Example 3 (lithium salt concentration: 1.0 mol / kg) will be examined. The ionic conductivity of the electrolytic solution of Comparative Example 3 is 0.015 mS / cm, and the time during which lithium is uniformly deposited is 80 seconds. From these results, it is understood that when the lithium salt concentration is 1.0 mol / kg or more, the ionic conductivity is extremely low as less than 0.1 mS / cm, and the time during which lithium is uniformly deposited is extremely short. . This is because when the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is too high, 1 mol / kg, the viscosity of the electrolytic solution becomes too high and lithium ions cannot be sufficiently supplied to the vicinity of the negative electrode during charging. It is thought that dendrite, which is one of the main causes due to the lack of ions, is likely to occur. The high viscosity of the electrolyte solution of Comparative Example 3 is apparent from the fact that the ionic conductivity of Comparative Example 3 is extremely low, less than 0.1 mS / cm.

一方、実施例1(リチウム塩濃度:0.4mol/kg)の電解液における、リチウムが均一に析出した時間は350秒である。この結果は、比較例2の結果の5倍以上長い時間リチウムが均一に析出したことを示す。
また、実施例2(リチウム塩濃度:0.5mol/kg)の電解液のイオン導電率は0.60mS/cmであり、リチウムが均一に析出した時間は600秒である。実施例2の結果は、イオン導電率を十分高く保ったまま、比較例2の結果の10倍長い時間リチウムが均一に析出したことを示す。
さらに、実施例3(リチウム塩濃度:0.75mol/kg)の電解液のイオン導電率は0.28mS/cmであり、リチウムが均一に析出した時間は240秒である。実施例3の結果は、イオン導電率は比較例2のイオン導電率の1/3程度であるが、比較例2の結果の4倍長い時間リチウムが均一に析出したことを示す。
On the other hand, in the electrolytic solution of Example 1 (lithium salt concentration: 0.4 mol / kg), the time during which lithium is uniformly deposited is 350 seconds. This result shows that lithium was deposited uniformly for a time longer than the result of Comparative Example 2 by 5 times or more.
Moreover, the ionic conductivity of the electrolyte solution of Example 2 (lithium salt concentration: 0.5 mol / kg) is 0.60 mS / cm, and the time during which lithium is uniformly deposited is 600 seconds. The result of Example 2 shows that lithium was uniformly deposited for 10 times longer than the result of Comparative Example 2 while keeping the ionic conductivity sufficiently high.
Furthermore, the ionic conductivity of the electrolyte solution of Example 3 (lithium salt concentration: 0.75 mol / kg) is 0.28 mS / cm, and the time during which lithium is deposited uniformly is 240 seconds. The results of Example 3 indicate that lithium was uniformly deposited for a time four times longer than the results of Comparative Example 2, although the ionic conductivity was about 1/3 that of Comparative Example 2.

なお、比較例2の電解液のイオン導電率は、実施例1の電解液のイオン導電率よりも若干高い。しかし、サイクル特性を向上させる観点や、本願発明の電解液をリチウム空気電池等の高容量型電池に使用する場合を鑑みると、比較例2の電解液よりも、リチウムが均一に析出する時間が5倍以上長い実施例1の電解液の方が、より実用的であり好ましい。   In addition, the ionic conductivity of the electrolytic solution of Comparative Example 2 is slightly higher than the ionic conductivity of the electrolytic solution of Example 1. However, considering the viewpoint of improving cycle characteristics and the case where the electrolytic solution of the present invention is used in a high capacity battery such as a lithium-air battery, the time during which lithium is deposited more uniformly than the electrolytic solution of Comparative Example 2 is longer. The electrolytic solution of Example 1 that is five times longer is more practical and preferred.

以上の結果から、実施例1−3の電解液においては、電解液中のリチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgの範囲内であることにより、電解液が適度な粘度を有し、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給でき、デンドライトの発生を抑制できることが分かる。   From the above results, in the electrolytic solution of Example 1-3, the concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is in the range of 0.37 to 0.75 mol / kg, so that the electrolytic solution has an appropriate viscosity. At the time of charging, it can be seen that lithium ions can be sufficiently supplied in the vicinity of the negative electrode, and the generation of dendrites can be suppressed.

図3は、実施例4及び比較例4の電解液を使用した場合において、リチウムが均一に析出した時間、及び、イオン導電率の値をプロットしたグラフである。図3のグラフの左の縦軸、右の縦軸、横軸、黒菱形のプロット及び黒四角のプロットは、図2のグラフと同様のものを示す。   FIG. 3 is a graph plotting the time during which lithium was uniformly deposited and the value of ionic conductivity when the electrolytic solutions of Example 4 and Comparative Example 4 were used. The left vertical axis, right vertical axis, horizontal axis, black rhombus plot, and black square plot of the graph of FIG. 3 are the same as the graph of FIG.

まず、比較例4(リチウム塩濃度:0.32mol/kg)について検討する。比較例4の電解液のイオン導電率は1.4mS/cmを超える。しかし、比較例4の電解液における、リチウムが均一に析出した時間は100秒未満である。これらの結果より、リチウム塩濃度が0.32mol/kg以下の場合には、リチウムが均一に析出した時間は極めて短いことが分かる。
一方、実施例4(リチウム塩濃度:0.5mol/kg)の電解液のイオン導電率は0.9mS/cmを超え、リチウムが均一に析出した時間は400秒である。実施例4の結果は、イオン導電率を十分高く保ったまま、比較例4の結果の4倍以上長い時間リチウムが均一に析出したことを示す。
以上の結果から、上記実施例1−3の電解液のようにピペリジニウム塩を含む場合のみならず、実施例4の電解液のようにピロリジニウム塩を含む場合にも、電解液中のリチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgの範囲内であることにより、電解液が適度な粘度を有し、充電時において、負極近傍にリチウムイオンを十分に供給でき、デンドライトの発生を抑制できることが分かる。
First, Comparative Example 4 (lithium salt concentration: 0.32 mol / kg) will be examined. The ionic conductivity of the electrolytic solution of Comparative Example 4 exceeds 1.4 mS / cm. However, the time during which lithium is uniformly deposited in the electrolytic solution of Comparative Example 4 is less than 100 seconds. From these results, it can be seen that when the lithium salt concentration is 0.32 mol / kg or less, the time during which lithium is uniformly deposited is extremely short.
On the other hand, the ionic conductivity of the electrolyte solution of Example 4 (lithium salt concentration: 0.5 mol / kg) exceeds 0.9 mS / cm, and the time during which lithium is uniformly deposited is 400 seconds. The results of Example 4 indicate that lithium was uniformly deposited for a time that is at least 4 times longer than the results of Comparative Example 4 while keeping the ionic conductivity sufficiently high.
From the above results, not only when the piperidinium salt was included as in the electrolyte solution of Example 1-3 above, but also when the pyrrolidinium salt was included as in the electrolyte solution of Example 4, the lithium salt in the electrolyte solution When the concentration is in the range of 0.37 to 0.75 mol / kg, the electrolyte solution has an appropriate viscosity, can sufficiently supply lithium ions near the negative electrode during charging, and can suppress the generation of dendrites. I understand.

4.リチウム空気電池の充放電実験
実施例5、並びに比較例5及び比較例6のリチウム空気電池について充放電を行い、得られた充放電曲線から放電容量及びクーロン効率を算出した。詳細な充放電条件は以下の通りである。
充放電装置:BTS2004H、ナガノ製
放電カットオフ電圧:2V
放電レート:0.02mA/cm
充電カットオフ電圧:3.85V
充電レート:0.02mA/cm
充放電温度:60℃
雰囲気:純酸素1気圧
4). Charge / Discharge Experiment of Lithium Air Battery Charge / discharge was performed on the lithium air batteries of Example 5 and Comparative Examples 5 and 6, and the discharge capacity and Coulomb efficiency were calculated from the obtained charge / discharge curves. Detailed charge / discharge conditions are as follows.
Charge / discharge device: BTS2004H, manufactured by Nagano Discharge cut-off voltage: 2V
Discharge rate: 0.02 mA / cm 2
Charge cut-off voltage: 3.85V
Charging rate: 0.02 mA / cm 2
Charge / discharge temperature: 60 ° C
Atmosphere: Pure oxygen 1 atm

図4は、実施例5のリチウム空気電池の充放電曲線である。図6は、比較例5(図6(a))及び比較例6(図6(b))のリチウム空気電池の充放電曲線である。図5は、図4及び図6の充放電曲線から得られた、実施例5、並びに比較例5及び比較例6のリチウム空気電池の放電容量及びクーロン効率の値をプロットしたグラフである。図5のグラフは、左の縦軸として放電容量(mAh/g)をとり、右の縦軸としてクーロン効率(%)をとり、横軸としてニッケル添加量(質量%)をとったグラフである。黒菱形のプロットは放電容量を、黒四角のプロットはクーロン効率を、それぞれ示す。   4 is a charge / discharge curve of the lithium-air battery of Example 5. FIG. FIG. 6 is a charge / discharge curve of the lithium air battery of Comparative Example 5 (FIG. 6A) and Comparative Example 6 (FIG. 6B). FIG. 5 is a graph plotting discharge capacity and coulomb efficiency values of the lithium-air batteries of Example 5 and Comparative Examples 5 and 6 obtained from the charge / discharge curves of FIGS. 4 and 6. The graph of FIG. 5 is a graph in which the discharge capacity (mAh / g) is taken on the left vertical axis, the Coulomb efficiency (%) is taken on the right vertical axis, and the nickel addition amount (mass%) is taken on the horizontal axis. . The black diamond plot shows the discharge capacity, and the black square plot shows the Coulomb efficiency.

図5から分かるように、比較例5のリチウム空気電池の放電容量は728mAh/gであり、比較例6のリチウム空気電池の放電容量は794mAh/gである。一方、実施例5のリチウム空気電池の放電容量は859mAh/gである。これらの結果から、ニッケル添加量が10質量%である場合に、最も放電容量が高くなることが分かる。
まず、実施例5と比較例6の結果を比較する。ニッケルを添加した実施例5のリチウム空気電池は、ニッケルを添加しない比較例6のリチウム空気電池よりも放電容量が高い。その理由は、均一な放電反応を実現することで、放電生成物の偏った析出や凝集成長を抑制し、空気極中の放電生成物の析出サイトを有効利用できるためである。
次に、実施例5と比較例5の結果を比較する。ニッケルを20質量%添加した比較例5のリチウム空気電池は、ニッケルを10質量%添加した実施例5のリチウム空気電池よりも放電容量が低い。その理由は、そもそもニッケルは、金属空気電池の空気極におけるリチウムの酸化反応、すなわち、下記式(1)及び/又は下記式(2)に示す反応の触媒とはならないため、ニッケルの添加割合を高くし過ぎることにより、相対的に空気極中のカーボン材料等の導電性材料等の含有割合が低下し、カーボン材料等の表面の活性点が減少するからである。
2Li+O+2e→Li (1)
2Li+1/2O+2e→LiO (2)
As can be seen from FIG. 5, the discharge capacity of the lithium air battery of Comparative Example 5 is 728 mAh / g, and the discharge capacity of the lithium air battery of Comparative Example 6 is 794 mAh / g. On the other hand, the discharge capacity of the lithium air battery of Example 5 is 859 mAh / g. From these results, it can be seen that the discharge capacity is highest when the amount of nickel added is 10% by mass.
First, the results of Example 5 and Comparative Example 6 are compared. The lithium air battery of Example 5 to which nickel was added had a higher discharge capacity than the lithium air battery of Comparative Example 6 to which nickel was not added. The reason is that by realizing a uniform discharge reaction, uneven precipitation and cohesive growth of the discharge product can be suppressed, and the precipitation site of the discharge product in the air electrode can be effectively used.
Next, the results of Example 5 and Comparative Example 5 are compared. The lithium air battery of Comparative Example 5 to which 20% by mass of nickel was added has a lower discharge capacity than the lithium air battery of Example 5 to which 10% by mass of nickel was added. The reason is that nickel is not a catalyst for the oxidation reaction of lithium in the air electrode of a metal-air battery, that is, the reaction shown in the following formula (1) and / or the following formula (2). This is because if the amount is too high, the content of the conductive material such as the carbon material in the air electrode is relatively decreased, and the active points on the surface of the carbon material and the like are decreased.
2Li + + O 2 + 2e → Li 2 O 2 (1)
2Li + + 1 / 2O 2 + 2e → Li 2 O (2)

また、図5から分かるように、比較例5のリチウム空気電池のクーロン効率は55.8%であり、比較例6のリチウム空気電池のクーロン効率は32.7%である。一方、実施例5のリチウム空気電池のクーロン効率は95.6%である。これらの結果から、ニッケル添加量が10質量%である場合に、最もクーロン効率が高くなることが分かる。
まず、実施例5と比較例6の結果を比較する。ニッケルを添加した実施例5のリチウム空気電池は、ニッケルを添加しない比較例6のリチウム空気電池よりもクーロン効率が高い。その理由は、実施例5のリチウム空気電池の空気極においては、放電時に生成したリチウム酸化物(Li及び/又はLiO)が、充電時において、添加されたニッケルによりほぼ全て分解されるからである。
次に、実施例5と比較例5の結果を比較する。ニッケルを20質量%添加した比較例5のリチウム空気電池は、ニッケルを10質量%添加した実施例5のリチウム空気電池よりもクーロン効率が低い。その理由は、上述したように、ニッケルの添加割合を高くし過ぎることにより、相対的に空気極中のカーボン材料等の導電性材料等の含有割合が低下する結果、放電時に生成するリチウム酸化物(Li及び/又はLiO)の析出物のサイズが大きくなりすぎ、充電時において当該析出物を全て分解することが困難となるからである。
Further, as can be seen from FIG. 5, the coulomb efficiency of the lithium air battery of Comparative Example 5 is 55.8%, and the Coulomb efficiency of the lithium air battery of Comparative Example 6 is 32.7%. On the other hand, the coulomb efficiency of the lithium-air battery of Example 5 is 95.6%. From these results, it can be seen that the Coulomb efficiency is highest when the amount of nickel added is 10% by mass.
First, the results of Example 5 and Comparative Example 6 are compared. The lithium air battery of Example 5 to which nickel was added has higher coulomb efficiency than the lithium air battery of Comparative Example 6 to which nickel was not added. The reason is that in the air electrode of the lithium-air battery of Example 5, almost all of the lithium oxide (Li 2 O 2 and / or Li 2 O) generated during discharging is decomposed by the added nickel during charging. Because it is done.
Next, the results of Example 5 and Comparative Example 5 are compared. The lithium air battery of Comparative Example 5 to which 20% by mass of nickel was added has lower Coulomb efficiency than the lithium air battery of Example 5 to which 10% by mass of nickel was added. The reason for this is that, as described above, when the addition ratio of nickel is made too high, the content ratio of conductive materials such as carbon materials in the air electrode relatively decreases, and as a result, lithium oxide generated during discharge This is because the size of the precipitate of (Li 2 O 2 and / or Li 2 O) becomes too large, and it becomes difficult to decompose all the precipitate during charging.

なお、図4から分かるように、実施例5の1回目の放電曲線(太線のグラフ)と、2回目の放電曲線(細線のグラフ)とは、ほぼ重なる。この結果から、本願発明に係るリチウム空気電池は、サイクル特性が高いことが分かる。   As can be seen from FIG. 4, the first-time discharge curve (thick line graph) and the second-time discharge curve (thin line graph) of Example 5 almost overlap each other. From this result, it can be seen that the lithium-air battery according to the present invention has high cycle characteristics.

1 電解液
2 正極活物質層
3 負極活物質層
4 正極集電体
5 負極集電体
6 正極
7 負極
100 リチウム二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolytic solution 2 Positive electrode active material layer 3 Negative electrode active material layer 4 Positive electrode collector 5 Negative electrode collector 6 Positive electrode 7 Negative electrode 100 Lithium secondary battery

Claims (4)

少なくとも空気極と、負極と、当該空気極と当該負極との間に介在する電解液とを備えるリチウム空気電池であって、
前記電解液が、少なくともイオン液体とリチウム塩を含有し、且つ、当該電解液中の前記リチウム塩の濃度が0.37〜0.75mol/kgであり、且つ、
前記空気極がニッケル触媒を含有することを特徴とする、リチウム空気電池。
A lithium-air battery comprising at least an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the air electrode and the negative electrode,
The electrolyte contains at least an ionic liquid and a lithium salt, and the concentration of the lithium salt in the electrolyte is 0.37 to 0.75 mol / kg , and
The lithium air battery, wherein the air electrode contains a nickel catalyst.
前記イオン液体は、カチオン及びそのカウンターアニオンを含み、
前記カチオンは、窒素原子及び炭素数2〜10のアルキル鎖により閉じたヘテロ環構造を有するアンモニウムカチオンであり、
前記カウンターアニオンはリチウム金属に対して不活性である、請求項1に記載のリチウム空気電池
The ionic liquid contains a cation and its counter anion,
The cation is an ammonium cation having a heterocyclic structure closed by a nitrogen atom and an alkyl chain having 2 to 10 carbon atoms,
The lithium air battery according to claim 1, wherein the counter anion is inert to lithium metal.
前記カチオンは、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムカチオン、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムカチオン、N−ブチル−N−メチルピペリジニウムカチオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムカチオン、N−メチル−N−メトキシエチルピペリジニウムカチオン及びN−メチル−N−メトキシエチルピロリジニウムカチオンからなる群から選ばれるカチオンである、請求項2に記載のリチウム空気電池The cations are N-methyl-N-propylpiperidinium cation, N-methyl-N-propylpyrrolidinium cation, N-butyl-N-methylpiperidinium cation, N-butyl-N-methylpyrrolidinium. The lithium air battery according to claim 2, wherein the battery is a cation selected from the group consisting of a cation, an N-methyl-N-methoxyethylpiperidinium cation, and an N-methyl-N-methoxyethylpyrrolidinium cation. 前記空気極の全質量を100質量%としたときのニッケル触媒の含有割合が5〜15質量%である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のリチウム空気電池。The lithium air battery according to any one of claims 1 to 3, wherein a content ratio of the nickel catalyst is 5 to 15% by mass when the total mass of the air electrode is 100% by mass.
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