JP5621416B2 - Power generation element for metal-air battery, method for producing the same, and metal-air battery - Google Patents

Power generation element for metal-air battery, method for producing the same, and metal-air battery Download PDF

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Description

本発明は、固体電解質層を備える金属空気電池用の発電要素及びその製造方法、並びに、前記発電要素を備える金属空気電池に関する。   The present invention relates to a power generation element for a metal-air battery including a solid electrolyte layer, a manufacturing method thereof, and a metal-air battery including the power generation element.

金属空気電池は、空気極において酸素の酸化還元反応が行われ、負極において負極に含まれる金属の酸化還元反応が行われることで、充放電が可能である。金属空気電池において、放電時、正極活物質である酸素は外部から空気又は酸素ガスとして供給される。そのため、正極活物質及び負極活物質を電池内に収容する電池と比較して、電池の単位体積当たりの負極活物質量を大きくすることが可能である。従って、電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易である。また、酸素は資源的な制約がないというメリットも有している。このように、金属空気電池は多くの利点を有しており、携帯機器用電池、ハイブリッド車用電池、電気自動車用電池等への利用が期待されている。金属空気電池としては、例えば、リチウム空気電池、マグネシウム空気電池、亜鉛空気電池等が知られている。   The metal-air battery can be charged / discharged by performing an oxidation-reduction reaction of oxygen at the air electrode and an oxidation-reduction reaction of a metal contained in the negative electrode at the negative electrode. In a metal-air battery, oxygen, which is a positive electrode active material, is supplied from the outside as air or oxygen gas during discharge. Therefore, it is possible to increase the amount of the negative electrode active material per unit volume of the battery as compared with the battery in which the positive electrode active material and the negative electrode active material are accommodated in the battery. Therefore, the electric capacity is large, and it is easy to reduce the size and weight. In addition, oxygen has the advantage that there are no resource restrictions. As described above, the metal-air battery has many advantages, and is expected to be used for a battery for portable devices, a battery for hybrid vehicles, a battery for electric vehicles, and the like. As metal-air batteries, for example, lithium-air batteries, magnesium-air batteries, zinc-air batteries, and the like are known.

このような金属空気電池は、例えば、導電性材料、触媒、及び結着材を含有する空気極層と、空気極層の集電を行う空気極集電体と、金属又は合金からなる負極層と、負極層の集電を行う負極集電体と、空気極層及び負極層の間に介在する電解質とを有する。
例えば、伝導イオンが一価の金属イオンである金属空気電池では、以下のような充放電反応が進むと考えられる。尚、下記式においてMは金属種を示す。
Such a metal-air battery includes, for example, an air electrode layer containing a conductive material, a catalyst, and a binder, an air electrode current collector that collects the air electrode layer, and a negative electrode layer made of a metal or an alloy. And a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer, and an electrolyte interposed between the air electrode layer and the negative electrode layer.
For example, in a metal air battery in which conductive ions are monovalent metal ions, the following charge / discharge reaction is considered to proceed. In the following formula, M represents a metal species.

[放電時]
負極 : M → M + e
正極 : 2M + O + 2e → M
[充電時]
負極 : M + e → M
正極 : M → 2M + O + 2e
[During discharge]
Negative electrode: M → M + + e
Positive electrode: 2M + + O 2 + 2e → M 2 O 2
[When charging]
Negative electrode: M + + e → M
Positive electrode: M 2 O 2 → 2M + + O 2 + 2e

電解質としては、例えば、有機溶媒に支持電解質塩を溶解させた液体電解質、無機酸化物等の固体電解質などが用いられている。液体電解質は、可燃性の有機溶媒を含むことから、高いイオン電導性を発現する一方、液漏れ防止の他、短絡や過充電などを想定した安全対策が欠かせない。そこで、イオン電導性に優れた固体電解質材料の開発が望まれている。
例えば、特許文献1には、液体を含まないリチウム−空気二次電池であって、リチウム金属を含むアノードと、酸素カソードと、アノード及びカソードの間に、少なくとも1種のポリマー−セラミック電解質、ガラス−セラミック電解質、及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムイオン電導性固体電解質とを含む電池が開示されている。
また、特許文献2には、正極層、固体電解質層、及び負極層が積層された全固体型リチウム二次電池であって、固体電解質が、イオン性液体、平均粒径1μm未満の無機粒子、及び支持電解質塩を含有するゲル状組成物である全固体型リチウム二次電池が開示されている。特許文献2において、正極層及び負極層は固体材料より形成されている。
As the electrolyte, for example, a liquid electrolyte obtained by dissolving a supporting electrolyte salt in an organic solvent, a solid electrolyte such as an inorganic oxide, or the like is used. Since the liquid electrolyte contains a flammable organic solvent, it exhibits high ionic conductivity, and in addition to preventing liquid leakage, safety measures assuming short circuit and overcharge are indispensable. Therefore, development of a solid electrolyte material excellent in ion conductivity is desired.
For example, Patent Document 1 discloses a lithium-air secondary battery that does not contain a liquid, and includes an anode containing lithium metal, an oxygen cathode, and at least one polymer-ceramic electrolyte, glass between the anode and the cathode. Disclosed is a battery comprising a lithium ion conducting solid electrolyte selected from ceramic electrolytes and combinations thereof.
Patent Document 2 discloses an all solid-state lithium secondary battery in which a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer are stacked, and the solid electrolyte is an ionic liquid, inorganic particles having an average particle size of less than 1 μm, And an all-solid-state lithium secondary battery, which is a gel-like composition containing a supporting electrolyte salt. In Patent Document 2, the positive electrode layer and the negative electrode layer are formed of a solid material.

特開2010−3694号公報JP 2010-3694 A 特開2008−146917号公報JP 2008-146917 A

しかしながら、本発明者らが検討した結果、特許文献1に記載の金属空気電池のように、液体を含まない完全固体型の金属空気電池では、空気極の酸素還元反応において、酸素分子が空気極内に取り込まれにくく、その結果、大きな過電圧が生じ、作動電圧(放電電圧)が低下することが見出された。
また、特許文献1の金属空気電池は、十分な放電容量を得るためには、高温(100℃程度)にする必要がある。
However, as a result of investigations by the present inventors, in a completely solid metal-air battery that does not contain a liquid, such as the metal-air battery described in Patent Document 1, in the oxygen reduction reaction of the air electrode, oxygen molecules are present in the air electrode. It has been found that it is difficult to be taken in, and as a result, a large overvoltage occurs, and the operating voltage (discharge voltage) decreases.
Further, the metal-air battery of Patent Document 1 needs to be at a high temperature (about 100 ° C.) in order to obtain a sufficient discharge capacity.

一方、特許文献2に記載の二次電池は、空気電池ではない。そのため、正極における酸素(空気)の取り込み性やそれに伴う正極過電圧については、なんら検討されていない。また、たとえ特許文献2に記載の二次電池を空気電池に応用したとしても、正極層は固体材料から形成されているため、十分な酸素の取り込み性は得られない。   On the other hand, the secondary battery described in Patent Document 2 is not an air battery. Therefore, no consideration has been given to oxygen (air) uptake in the positive electrode and the accompanying positive electrode overvoltage. Moreover, even if the secondary battery described in Patent Document 2 is applied to an air battery, the positive electrode layer is formed from a solid material, so that sufficient oxygen uptake cannot be obtained.

以上のように、従来の金属空気電池では、耐漏液性と作動電圧との両立は非常に困難であった。本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、酸素を正極活物質として用いる金属空気電池であって、空気極における酸素還元反応の過電圧を低減し、優れた放電特性と耐漏液性とを兼備する金属空気電池の提供を目的とする。   As described above, in the conventional metal-air battery, it is very difficult to achieve both the leakage resistance and the operating voltage. The present invention has been achieved in view of the above circumstances, and is a metal-air battery using oxygen as a positive electrode active material, which reduces the overvoltage of the oxygen reduction reaction in the air electrode, and has excellent discharge characteristics and leakage resistance. An object is to provide a metal-air battery that combines the above.

本発明の発電要素は、空気極と、固体電解質層と、を備える金属空気電池用発電要素であって、前記空気極が、第1のイオン性液体と導電性材料とを少なくとも含み、前記第1のイオン性液体の含有量が10〜80wt%である空気極合材よりなる金属空気極層を備えることを特徴とする。 The power generation element of the present invention is a power generation element for a metal-air battery including an air electrode and a solid electrolyte layer, wherein the air electrode includes at least a first ionic liquid and a conductive material, A metal air electrode layer made of an air electrode composite material having a content of 1 ionic liquid of 10 to 80 wt% is provided.

本発明の金属空気電池用発電要素は、イオン性液体を含む空気極層を備えるため、空気極に供給された酸素が空気極内へと取り込まれやすく、酸素還元反応の過電圧を低減することができる。   Since the power generation element for metal-air battery of the present invention includes an air electrode layer containing an ionic liquid, oxygen supplied to the air electrode is easily taken into the air electrode, and the overvoltage of the oxygen reduction reaction can be reduced. it can.

本発明において、前記空気極合材は、空気極層における第1のイオン性液体の保持の観点から、さらに結着材及び/又は無機粒子を含んでいてもよい。
また、前記空気極合材は、さらに第1の支持電解質塩を含有していてもよい。
In the present invention, the air electrode mixture may further contain a binder and / or inorganic particles from the viewpoint of holding the first ionic liquid in the air electrode layer.
Further, the air electrode composite material may further contain a first supporting electrolyte salt.

本発明の金属空気電池用発電要素の具体的な形態として、前記固体電解質層が、第2のイオン性液体及び第2の支持電解質塩を含む液体電解質と、第2の無機粒子と、を少なくとも含む固体電解質合材よりなる形態が挙げられる。   As a specific form of the power generation element for a metal-air battery of the present invention, the solid electrolyte layer includes at least a liquid electrolyte containing a second ionic liquid and a second supporting electrolyte salt, and second inorganic particles. The form which consists of a solid electrolyte compound material to contain is mentioned.

本発明の金属空気電池用発電要素の製造方法は、空気極と、固体電解質層と、を備える金属空気電池用発電要素の製造方法であって、
第1のイオン性液体と導電性材料と溶媒とを少なくとも含有し、溶剤を除く成分に対する前記第1のイオン性液体の含有量が10〜80wt%である空気極合材ペーストを、塗布し、乾燥させる工程、
を備えることを特徴とする。
前記空気極合材ペーストは、さらに結着材及び/又は第1の無機粒子を含有していても
よい。
また、前記空気極合材ペーストは、さらに第1の支持電解質塩を含有していてもよい。
A method for producing a power generation element for a metal-air battery according to the present invention is a method for producing a power generation element for a metal-air battery comprising an air electrode and a solid electrolyte layer,
Applying an air electrode mixture paste containing at least a first ionic liquid, a conductive material, and a solvent, wherein the content of the first ionic liquid with respect to the components excluding the solvent is 10 to 80 wt% , Drying step,
It is characterized by providing.
The air electrode mixture paste may further contain a binder and / or first inorganic particles.
Further, the air electrode composite paste may further contain a first supporting electrolyte salt.

本発明の金属空気電池は、空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に介在する固体電解質層と、を備える金属空気電池であって、
上記本発明の発電要素を備えることを特徴とする。
The metal-air battery of the present invention is a metal-air battery comprising an air electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
The power generation element of the present invention is provided.

本発明によれば、空気極における酸素還元反応の過電圧を低減し、優れた放電特性と耐漏液性とを兼備する金属空気電池を実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the overvoltage of the oxygen reduction reaction in an air electrode can be reduced, and the metal air battery which combines the outstanding discharge characteristic and liquid-proof property is realizable.

本発明の金属空気電池の一形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of a metal air battery of this invention. 実施例における定電流充放電測定の結果である。It is a result of the constant current charging / discharging measurement in an Example.

本発明の金属空気電池用発電要素は、空気極と、固体電解質層と、を備える金属空気電池用発電要素であって、前記空気極が、第1のイオン性液体と導電性材料とを少なくとも含む空気極合材よりなる空気極層を備えることを特徴とする。
また、本発明の金属電池は、空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に介在する固体電解質層と、を備える金属空気電池であって、上記本発明の発電要素を備えることを特徴とする。
The power generation element for a metal-air battery of the present invention is a power generation element for a metal-air battery comprising an air electrode and a solid electrolyte layer, wherein the air electrode includes at least a first ionic liquid and a conductive material. An air electrode layer made of an air electrode composite material is provided.
The metal battery of the present invention is a metal-air battery including an air electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode, and includes the power generation element of the present invention. It is characterized by.

以下、本発明の金属空気電池用発電要素及び金属空気電池について、図を参照しながら説明する。
図1において、金属空気電池10は、空気極(正極)1及び固体電解質層3を備える発電要素11と、及び負極2とが、空気極缶6及び負極缶7で構成される電池ケース内に収容されている。発電要素11と負極2は、固体電解質層3が、空気極1と負極2との間に介在するように、積層されている。空気極缶6及び負極缶7は、ガスケット8により固定されており、電池ケース内の密封性が確保されている。
Hereinafter, the power generation element for metal-air batteries and the metal-air battery of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, a metal-air battery 10 includes a power generation element 11 including an air electrode (positive electrode) 1 and a solid electrolyte layer 3, and a negative electrode 2 in a battery case configured by an air electrode can 6 and a negative electrode can 7. Contained. The power generation element 11 and the negative electrode 2 are laminated so that the solid electrolyte layer 3 is interposed between the air electrode 1 and the negative electrode 2. The air electrode can 6 and the negative electrode can 7 are fixed by a gasket 8 to ensure the sealing performance in the battery case.

空気極1は、空気極層5と、空気極層5の集電を行う空気極集電体4とから構成されている。
空気極層5は、酸素の酸化還元反応場であり、導電性材料(例えばカーボンブラック)、第1のイオン性液体(例えば、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)アミド)、及び結着材(例えば、ポリフッ化ビニリデン)を含む固体状の空気極合材から形成されている。
空気極集電体4は、多孔質構造を有する導電性材料(例えば、金属メッシュ)から構成されており、空気極缶6に設けられた空気孔9から取り込まれた空気が、空気集電体4を経て空気極層5に供給される。
The air electrode 1 includes an air electrode layer 5 and an air electrode current collector 4 that collects the air electrode layer 5.
The air electrode layer 5 is a redox reaction field of oxygen, and includes a conductive material (for example, carbon black), a first ionic liquid (for example, N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide. ) And a binder (for example, polyvinylidene fluoride).
The air electrode current collector 4 is made of a conductive material (for example, a metal mesh) having a porous structure, and the air taken in from the air holes 9 provided in the air electrode can 6 is the air current collector. 4 is supplied to the air electrode layer 5.

負極2は、金属(例えば、Li金属)からなる。すなわち、伝導イオン種である金属イオンを放出・取り込み可能な負極活物質を含んでいる。   The negative electrode 2 is made of metal (for example, Li metal). That is, it contains a negative electrode active material that can release and incorporate metal ions that are conductive ion species.

電解質層3は、第2のイオン性液体(例えば、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)アミド)及び第2の支持電解質塩(例えば、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド)を含む液体電解質と、第2の無機粒子(例えば、SiO)と、を含む固体電解質合材から形成されている。 The electrolyte layer 3 includes a second ionic liquid (eg, N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide) and a second supporting electrolyte salt (eg, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide. ) Containing a liquid electrolyte, and second inorganic particles (for example, SiO 2 ).

本発明の金属空気電池用発電要素は、上記金属空気電池の構成部材のうち、少なくとも空気極及び電解質層を構成するものであって、空気極が、イオン性液体(第1のイオン性液体)を含有する空気極層を備えている点に大きな特徴がある。本発明者が鋭意検討した結果、酸素を正極活物質とする金属空気電池において、空気極(正極)がイオン性液体を含むことによって、空気極における酸素の取り込み性が向上し、空気極での酸素還元反応が促進されることが見出された。すなわち、本発明の金属空気電池用発電要素を用いることによって、金属空気電池の空気極の過電圧を低減させることができ、金属空気電池の作動電圧を向上させることができる。
また、空気極がイオン性液体を含むことによって、空気極と隣接する固体電解質層との界面における金属イオン伝導性の向上効果が期待できる。
しかも、イオン性液体は、難燃性であるため、金属空気電池の安全性向上も可能である。
The power generation element for a metal-air battery of the present invention constitutes at least an air electrode and an electrolyte layer among the constituent members of the metal-air battery, and the air electrode is an ionic liquid (first ionic liquid). It has a great feature in that it has an air electrode layer containing. As a result of intensive studies by the present inventor, in a metal-air battery using oxygen as a positive electrode active material, the air electrode (positive electrode) contains an ionic liquid, thereby improving oxygen uptake in the air electrode, It has been found that the oxygen reduction reaction is promoted. That is, by using the power generation element for a metal-air battery of the present invention, the overvoltage of the air electrode of the metal-air battery can be reduced, and the operating voltage of the metal-air battery can be improved.
Further, when the air electrode contains an ionic liquid, an effect of improving the metal ion conductivity at the interface between the air electrode and the adjacent solid electrolyte layer can be expected.
Moreover, since the ionic liquid is flame retardant, the safety of the metal-air battery can be improved.

尚、本発明において、金属空気電池とは、空気極(正極)において、正極活物質である酸素の酸化還元反応が行われ、負極において、金属の酸化還元反応が行われ、空気極と負極との間に介在する電解質層によって金属イオンが伝導される電池を指す。金属空気電池の種類としては、例えば、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カリウム空気電池、マグネシウム空気電池、カルシウム空気電池、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池等を挙げることができる。
また、本発明において、空気金属電池は、一次電池であっても二次電池であってもよい。
In the present invention, the metal-air battery refers to a redox reaction of oxygen as a positive electrode active material in an air electrode (positive electrode), and a redox reaction of a metal in a negative electrode. A battery in which metal ions are conducted by an electrolyte layer interposed therebetween. Examples of the metal air battery include a lithium air battery, a sodium air battery, a potassium air battery, a magnesium air battery, a calcium air battery, a zinc air battery, and an aluminum air battery.
In the present invention, the air metal battery may be a primary battery or a secondary battery.

以下、本発明の金属空気電池用発電要素及び金属空気電池の各構成について詳しく説明する。
(空気極)
空気極は、少なくとも第1のイオン性液体と導電性材料とを少なくとも含む空気極合材からなる空気極層を備える。空気極層では、供給された酸素(酸素ラジカル)が金属イオンと反応し、導電性材料の表面に金属酸化物が生成する。空気極層は、通常、多孔質構造を有し、活物質である酸素の拡散性が確保される。
Hereafter, each structure of the electric power generation element for metal air batteries of this invention and a metal air battery is demonstrated in detail.
(Air electrode)
The air electrode includes an air electrode layer made of an air electrode composite material including at least a first ionic liquid and a conductive material. In the air electrode layer, the supplied oxygen (oxygen radical) reacts with metal ions, and a metal oxide is generated on the surface of the conductive material. The air electrode layer usually has a porous structure and ensures the diffusibility of oxygen as an active material.

第1のイオン性液体としては、特に限定されない。例えば、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:TMPA−TFSA]、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)アミド[略称:PP13−TFSA]、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:P13−TFSA]、N−メチル−N−ブ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)アミド[略称:P14−TFSA]、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:DEME−TFSA]、等の脂肪族4級アンモニウム塩、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムブロマイド[略称:AEImBr]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AEImBF]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AEImTFSA]、1,3−ジアリルイミダゾリウムブロマイド[略称:AAImBr]、1,3−ジアリルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AAImBF]、1,3−ジアリルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AAImTFSA]等のアルキルイミダゾリウム4級塩、等を挙げることができる。
上記イオン性液体のうち、酸素ラジカルに対して電気化学的に安定であることから、脂肪族4級アンモニウム塩等、中でも、PP13−TFSA、P13−TFSA及びDEME−TFSA等は、二次電池用途において好ましい。
The first ionic liquid is not particularly limited. For example, N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: TMPA-TFSA], N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: PP13] -TFSA], N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: P13-TFSA], N-methyl-N-butylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: P14] -TFSA], N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: DEME-TFSA], aliphatic quaternary ammonium salts, 1-allyl -3-Ethylimidazolium bromide [Abbreviation: AEImBr], 1- allyl-3-ethyl imidazolium tetrafluoroborate [abbreviation: AEImBF 4], 1- allyl-3-ethyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AEImTFSA], 1, 3-diallylimidazolium bromide [abbreviation: AAImBr], 1,3-diallylimidazolium tetrafluoroborate [abbreviation: AAImBF 4 ], 1,3-diallylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AAImTFSA], etc. And alkyl imidazolium quaternary salts.
Among the ionic liquids, since they are electrochemically stable against oxygen radicals, aliphatic quaternary ammonium salts, etc., among them, PP13-TFSA, P13-TFSA, DEME-TFSA, etc. are used for secondary batteries. Is preferable.

イオン性液体は、空気極層における保持性の観点から、揮発性が低いことが好ましく、また、粘度が高いことが好ましい。例えば、イオン性液体の25℃における粘度は、20cP以上であることが好ましく、特に50cP以上であることが好ましく、さらに100cP以上であることが好ましい。   From the viewpoint of retention in the air electrode layer, the ionic liquid is preferably low in volatility and preferably high in viscosity. For example, the viscosity of the ionic liquid at 25 ° C. is preferably 20 cP or more, particularly preferably 50 cP or more, and more preferably 100 cP or more.

空気極層における第1のイオン性液体の含有量は、その粘度や組み合わせる導電性材料、結着材、無機粒子等にもよるが、例えば、10〜80重量%であることが好ましく、特に30〜80重量%であることが好ましく、さらに、50〜80重量%であることが好ましい。第1のイオン性液体の含有量が、10重量%以上であることによって、効果的に酸素分子を空気極内に取り込むことができる。一方、第1のイオン性液体の含有量が80重量%以下であることによって、空気極層の導電性を確保することができると共に、空気極層を固体材料として成形することができる。   The content of the first ionic liquid in the air electrode layer depends on its viscosity and the conductive material to be combined, the binder, the inorganic particles, and the like, but is preferably 10 to 80% by weight, particularly 30. It is preferably -80% by weight, and more preferably 50-80% by weight. When the content of the first ionic liquid is 10% by weight or more, oxygen molecules can be effectively taken into the air electrode. On the other hand, when the content of the first ionic liquid is 80% by weight or less, the conductivity of the air electrode layer can be ensured and the air electrode layer can be formed as a solid material.

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ず、例えば、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては特に限定されないが、金属酸化物が生成する反応場の面積や空間の観点から、高比表面積を有する炭素材料が好ましい。
具体的には、炭素材料は10m/g以上、特に100m/g以上、さらに600m/g以上の比表面積を有することが好ましい。高比表面積を有する炭素材料の具体例として、カーボンブラック、活性炭、カーボン炭素繊維(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等)等を挙げることができる。ここで、導電性材料の比表面積は、たとえばBET法によって測定することができる。
The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a carbon material. Although it does not specifically limit as a carbon material, From the viewpoint of the area and space of the reaction field which a metal oxide produces | generates, the carbon material which has a high specific surface area is preferable.
Specifically, the carbon material preferably has a specific surface area of 10 m 2 / g or more, particularly 100 m 2 / g or more, and more preferably 600 m 2 / g or more. Specific examples of the carbon material having a high specific surface area include carbon black, activated carbon, carbon carbon fiber (for example, carbon nanotube, carbon nanofiber, etc.) and the like. Here, the specific surface area of the conductive material can be measured by, for example, the BET method.

空気極層における導電性材料の含有量は、その密度や比表面積等にもよるが、例えば、10重量%〜90重量%の範囲であることが好ましい。空気極層におけるイオン性液体の保持の観点、及び各成分が均一に分散した空気極層を作製する観点から、特に10〜50重量%であることが好ましい。   The content of the conductive material in the air electrode layer is preferably in the range of, for example, 10% by weight to 90% by weight, although it depends on the density, specific surface area, and the like. From the viewpoint of holding the ionic liquid in the air electrode layer and from the viewpoint of producing an air electrode layer in which each component is uniformly dispersed, the content is particularly preferably 10 to 50% by weight.

本発明の空気電池用発電要素及び空気電池において、第1のイオン性液体は、少なくとも導電性材料との混合、必要に応じて、さらに後述する結着材や第1の無機粒子との混合により複合化され、通常、空気極合材は固体状を呈する。   In the air battery power generation element and the air battery of the present invention, the first ionic liquid is mixed with at least a conductive material and, if necessary, further mixed with a binder and first inorganic particles described later. In general, the air electrode composite is solid.

空気極層は、第1のイオン性液体の保持の観点、また、導電性材料の固定化の観点から、さらに、結着材を含有する空気極合材から形成されていることが好ましい。
結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
空気極層における結着材の含有量は、例えば、5〜50重量%であることが好ましく、特に10〜30重量%であることが好ましい。結着材含有量が、5重量%以上であることによって、固体状の空気極合材が得られやすく、空気極層を容易に成形することができる。一方、結着材含有量が、50重量%以下であることによって、反応場を減少させることなく、所望の反応を効率よく進行させることができる。
The air electrode layer is preferably formed of an air electrode mixture containing a binder, from the viewpoint of holding the first ionic liquid and fixing the conductive material.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), and the like.
The content of the binder in the air electrode layer is preferably, for example, 5 to 50% by weight, and particularly preferably 10 to 30% by weight. When the binder content is 5% by weight or more, a solid air electrode composite is easily obtained, and the air electrode layer can be easily formed. On the other hand, when the binder content is 50% by weight or less, a desired reaction can be efficiently advanced without reducing the reaction field.

また、空気極層は、第1のイオン性液体の保持の観点から、第1の無機粒子を含有する空気極合材から形成されていてもよい。無機粒子を用いることによって、固体状の空気極合材が得られやすくなる。   Moreover, the air electrode layer may be formed from the air electrode mixture containing the 1st inorganic particle from a viewpoint of holding | maintenance of a 1st ionic liquid. By using inorganic particles, a solid air electrode composite can be easily obtained.

第1の無機粒子としては、例えば、SiO、TiO、Al、WO、ZrO等の絶縁性無機酸化物粒子、及びBaTiO等の誘電性無機酸化物粒子が挙げられる。 Examples of the first inorganic particles include insulating inorganic oxide particles such as SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , WO 3 , and ZrO 2 , and dielectric inorganic oxide particles such as BaTiO 3 .

また、第1の無機粒子として、無機固体電解質粒子を用いることもできる。第1の無機粒子として無機固体電解質粒子を用いることによって、空気極層における金属イオン伝導性を向上させることができる。無機固体電解質としては、例えば、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質等が挙げられ、中でも、化学的安定性が高いことから、酸化物系固体電解質が好ましい。酸化物系固体電解質として、具体的には、NASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物等が挙げられる。尚、固体電解質としては、ガラス、結晶、ガラスセラミックスのいずれでもよい。   Moreover, inorganic solid electrolyte particles can also be used as the first inorganic particles. By using inorganic solid electrolyte particles as the first inorganic particles, metal ion conductivity in the air electrode layer can be improved. Examples of inorganic solid electrolytes include oxide solid electrolytes and sulfide solid electrolytes. Among them, oxide solid electrolytes are preferable because of their high chemical stability. Specific examples of the oxide-based solid electrolyte include NASICON type oxides, perovskite type oxides, LISICON type oxides, and garnet type oxides. The solid electrolyte may be glass, crystal, or glass ceramic.

具体的な無機固体電解質は、伝導金属イオンに応じて適宜選択すればよい。
例えば、リチウム空気電池の場合、NASICON型酸化物としては、例えば、Li(XはB、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb及びSeよりなる群から選択される少なくとも1種であり、YはTi、Zr、Ge、In、Ga、Sn及びAlよりなる群から選択される少なくとも1種であり、a〜eは、0.5<a<5.0、0≦b<2.98、0.5≦c<3.0、0.02<d≦3.0、2.0<b+d<4.0、3.0<e≦12.0の関係を満たす)で表される酸化物を挙げることができる。特に、上記式において、X=Al、Y=Tiである酸化物(Li−Al−Ti−P−O系NASICON型酸化物)、及び、X=Al、Y=Ge若しくはX=Ge、Y=Alである酸化物(Li−Al−Ge−Ti−O系NASICON型酸化物)が好ましい。
また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、LiLa1−xTiO等で表される酸化物(Li−La−Ti−O系ペロブスカイト型酸化物)を挙げることができる。
What is necessary is just to select a specific inorganic solid electrolyte suitably according to a conductive metal ion.
For example, in the case of a lithium-air battery, as the NASICON type oxide, for example, Li a Xb Y cP d O e (X is from B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Sb and Se) Y is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ge, In, Ga, Sn and Al, and a to e are 0.5 <a <5.0, 0 ≦ b <2.98, 0.5 ≦ c <3.0, 0.02 <d ≦ 3.0, 2.0 <b + d <4.0, 3.0 <e ≦ 12 0). In particular, in the above formula, an oxide where X = Al and Y = Ti (Li-Al-Ti-PO-based NASICON type oxide), and X = Al, Y = Ge or X = Ge, Y = An oxide that is Al (Li—Al—Ge—Ti—O-based NASICON-type oxide) is preferable.
As the perovskite-type oxide, for example, oxide represented by Li x La 1-x TiO 3, etc. (Li-La-TiO perovskite oxide) can be exemplified.

また、リチウム空気電池の場合、LISICON型酸化物としては、例えば、LiXO−LiYO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である)、LiXO−LiAO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、AはMo及びSから選ばれる少なくとも1種である)、LiXO−LiZO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、ZはAl、Ga及びCrから選ばれる少なくとも1種である)、並びに、LiXO−LiBXO(XはSi、Ge,及びTiから選ばれる少なくとも1種であり、BはCa及びZnから選ばれる少なくとも1種である)、LiDO−LiYO(DはB、YはP、As及びVから選ばれる少なくとも1種である)等が挙げられる。特に、LiSiO−LiPO、LiBO−LiPO等が好ましい。 In the case of a lithium-air battery, as the LISICON-type oxide, for example, Li 4 XO 4 -Li 3 YO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and Y is P, As, and Li 4 XO 4 —Li 2 AO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and A is at least one selected from Mo and S). Li 4 XO 4 —Li 2 ZO 2 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, Z is at least one selected from Al, Ga, and Cr), and Li 4 XO 4 —Li 2 BXO 4 (X is at least one selected from Si, Ge, and Ti, and B is at least one selected from Ca and Zn), Li 3 DO 3 —Li 3 YO 4 (D is B, Y is at least one selected from P, As and V). In particular, Li 4 SiO 4 —Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 —Li 3 PO 4, and the like are preferable.

また、リチウム空気電池の場合、ガーネット型酸化物としては、例えば、Li3+x2−v12で表される酸化物を挙げることができる。ここで、A、G、MおよびBは金属カチオンである。Aは、Ca、Sr、Ba及びMg等のアルカリ土類金属カチオン、又は、Zn等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Gは、La、Y、Pr、Nd、Sm、Lu、Eu等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Mとしては、Zr、Nb、Ta、Bi、Te、Sb等の遷移金属カチオンを挙げることができ、中でもZrが好ましい。また、Bは、例えばInであることが好ましい。xは、0≦x≦5を満たすことが好ましく、4≦x≦5を満たすことがより好ましい。yは、0≦y≦3を満たすことが好ましく、0≦y≦2を満たすことがより好ましい。zは、0≦z≦3を満たすことが好ましく、1≦z≦3を満たすことがより好ましい。vは、0≦v≦2を満たすことが好ましく、0≦v≦1を満たすことがより好ましい。なお、Oは部分的に、または、完全に二価アニオン及び/又は三価のアニオン、例えばN3−と交換されていてもよい。ガーネット型酸化物としては、LiLaZr12が等のLi−La−Zr−O系酸化物が好ましい。 In the case of a lithium-air battery, examples of the garnet-type oxide include an oxide represented by Li 3 + x A y G z M 2 -v B v O 12 . Here, A, G, M and B are metal cations. A is preferably an alkaline earth metal cation such as Ca, Sr, Ba and Mg, or a transition metal cation such as Zn. G is preferably a transition metal cation such as La, Y, Pr, Nd, Sm, Lu, or Eu. Examples of M include transition metal cations such as Zr, Nb, Ta, Bi, Te, and Sb. Among these, Zr is preferable. B is preferably In, for example. x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 5, and more preferably satisfies 4 ≦ x ≦ 5. y preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 3, and more preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 2. z preferably satisfies 0 ≦ z ≦ 3, and more preferably satisfies 1 ≦ z ≦ 3. v preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 2, and more preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 1. O may be partially or completely exchanged with a divalent anion and / or a trivalent anion, for example, N 3− . As the garnet-type oxide, Li—La—Zr—O-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 are preferable.

第1の無機粒子は、一次粒子の平均粒径が、1nm〜10μmの範囲内、特に1nm〜1μmの範囲内、さらに10nm〜100nmの範囲内であることが好ましい。第1の無機粒子が上記範囲内の一次粒子の平均粒径を有する場合、保持可能なイオン性液体の量を増加させることができるからである。なお、第1の無機粒子の平均粒径は、例えば、コールカウンター(粒度分布計)により算出することができる。   The first inorganic particles preferably have an average primary particle size in the range of 1 nm to 10 μm, particularly in the range of 1 nm to 1 μm, and further in the range of 10 nm to 100 nm. This is because when the first inorganic particles have an average particle size of primary particles within the above range, the amount of ionic liquid that can be retained can be increased. The average particle size of the first inorganic particles can be calculated by, for example, a coal counter (particle size distribution meter).

また、第1の無機粒子は、比表面積が、1m/g以上、中でも10m/g以上、さらに100m/g以上であることが好ましい。比表面積が1m/g以上の第1の無機粒子を用いることで、少量の第1の無機粒子で固体状の空気極合材を得ることができ、電池容量を高くすることができるからである。なお、絶縁性無機粒子の比表面積は、例えば、BET法を用いて測定することができる。
空気極層における第1の無機粒子の含有量は、特に限定されない。
The first inorganic particles have a specific surface area of 1 m 2 / g or more, preferably 10 m 2 / g or more, and more preferably 100 m 2 / g or more. By using the first inorganic particles having a specific surface area of 1 m 2 / g or more, a solid air electrode composite can be obtained with a small amount of the first inorganic particles, and the battery capacity can be increased. is there. The specific surface area of the insulating inorganic particles can be measured using, for example, the BET method.
The content of the first inorganic particles in the air electrode layer is not particularly limited.

空気極層は、さらに第1の支持電解質塩を含有する空気極合材から形成されていてもよい。支持電解質塩を含有する空気極合材を用いて空気極層を形成することによって、空気極層における金属イオン伝導性を向上させることができる。
第1の支持電解質塩としては、空気極と負極との間を伝導させたい金属イオンの伝導性を向上できるものであれば特に限定されず、適宜選択すればよい。通常、伝導金属イオンを含む金属塩を第1の支持電解質塩として用いることができる。
The air electrode layer may further be formed from an air electrode mixture containing a first supporting electrolyte salt. By forming the air electrode layer using the air electrode mixture containing the supporting electrolyte salt, the metal ion conductivity in the air electrode layer can be improved.
The first supporting electrolyte salt is not particularly limited as long as it can improve the conductivity of metal ions that are desired to be conducted between the air electrode and the negative electrode, and may be selected as appropriate. Usually, a metal salt containing a conductive metal ion can be used as the first supporting electrolyte salt.

例えば、リチウム空気電池の場合、支持電解質塩としてリチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiOH、LiCl、LiNO、LiSO等の無機リチウム塩が挙げられる。
また、CHCOLi等の有機リチウム塩、下記式(1)、(2)で表わされる有機リチウム塩を用いることもできる。
Li(C2m+1SO) (1)
式(1)中、mは、1以上8以下、好ましくは1以上4以下である。
LiN(C2n+1SO)(C2p+1SO
式(2)中、n及びpは、それぞれ1以上8以下、好ましくは1以上4以下であり、互いに同じであっても異なっていてもよい。
式(1)で表わされる有機リチウム塩としては、例えば、LiCFSO等が挙げられる。また、式(2)で表わされる有機リチウム塩としては、例えば、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等が挙げられる。
空気極層における第1の支持電解質塩の含有量は、特に限定されない。
For example, in the case of a lithium air battery, a lithium salt can be used as the supporting electrolyte salt. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiOH, LiCl, LiNO 3 , Li 2 SO 4 .
Moreover, CH 3 CO 2 organolithium salt such as Li, formula (1), it can also be used organic lithium salt represented by (2).
Li (C m F 2m + 1 SO 3) (1)
In formula (1), m is 1 or more and 8 or less, preferably 1 or more and 4 or less.
LiN (C n F 2n + 1 SO 2) (C p F 2p + 1 SO 2)
In formula (2), n and p are each 1 or more and 8 or less, preferably 1 or more and 4 or less, and may be the same or different from each other.
Examples of the organic lithium salt represented by the formula (1) include LiCF 3 SO 3 . The organic lithium salt represented by the formula (2), for example, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiC (CF 3 SO 2) 3 and the like.
The content of the first supporting electrolyte salt in the air electrode layer is not particularly limited.

空気極合材は、空気極における酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含有していてもよい。触媒は、上記導電性材料に担持されていてもよい。
触媒としては、特に限定されず、例えば、コバルトフタロシアニン、マンガンフタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、スズフタロシアニンオキサイド、チタンフタロシアニン、ジリチウムフタロシアニン等のフタロシアニン系化合物;コバルトナフトシアニン等のナフトシアニン系化合物;鉄ポルフィリン等のポリフィリン系化合物;MnO、CeO、Co、NiO、V、Fe、ZnO、CuO、LiMnO、LiMnO、LiMn、LiTi12、LiTiO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiVO、LiFeO、LiFeO、LiCrO、LiCoO、LiCuO、LiZnO、LiMoO、LiNbO、LiTaO、LiWO、LiZrO、NaMnO、CaMnO、CaFeO、MgTiO、KMnO等の金属酸化物、Pt、Au、Ag、Pd、Ru、Ir等の貴金属、等が挙げられる。
空気極層における触媒の含有量は、例えば、1重量%〜90重量%の範囲であることが好ましい。
The air electrode composite material may contain a catalyst that promotes the oxidation-reduction reaction of oxygen in the air electrode. The catalyst may be supported on the conductive material.
The catalyst is not particularly limited. For example, phthalocyanine compounds such as cobalt phthalocyanine, manganese phthalocyanine, nickel phthalocyanine, tin phthalocyanine oxide, titanium phthalocyanine, and dilithium phthalocyanine; naphthocyanine compounds such as cobalt naphthocyanine; iron porphyrin, etc. Porphyrin compounds; MnO 2 , CeO 2 , Co 3 O 4 , NiO, V 2 O 5 , Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 TiO 3, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiNiO 2, LiVO 3, Li 5 FeO 4, LiFeO 2, LiCrO 2, LiCoO 2, LiCuO 2, LiZnO 2, Li 2 M oO 4 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 WO 4 , Li 2 ZrO 3 , NaMnO 2 , CaMnO 3 , CaFeO 3 , MgTiO 3 , KMnO 2 and other metal oxides, Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Ir And noble metals.
The catalyst content in the air electrode layer is preferably in the range of, for example, 1 wt% to 90 wt%.

空気極は、空気極層の他、さらに該空気極層の集電を行う空気極集電体を備えていてもよい。
空気極集電体としては、所望の電子伝導性を有していれば、多孔質構造を有するものであっても、或いは緻密構造を有するものであってもよいが、空気(酸素)の拡散性の観点から、多孔質構造を有するものが好ましい。多孔質構造としては、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、構成繊維がランダムに配列された不織布構造、独立孔や連結孔を有する三次元網目構造等が挙げられる。多孔質構造を有する集電体の気孔率は特に限定されないが、例えば、20〜99%の範囲であることが好ましい。
尚、多孔質構造を有する空気極集電体を用いる場合、空気極層と該空気極集電体を積層(隣接)させた図1とは異なり、空気極層の内部に該空気極集電体を配置することもできる。空気極層の内部に空気極集電体を配置する場合、空気極の集電効率の向上効果が期待できる場合がある。
In addition to the air electrode layer, the air electrode may further include an air electrode current collector that collects current from the air electrode layer.
The air electrode current collector may have a porous structure or a dense structure as long as it has a desired electronic conductivity, but it may diffuse air (oxygen). From the viewpoint of safety, those having a porous structure are preferred. Examples of the porous structure include a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which constituent fibers are randomly arranged, and a three-dimensional network structure having independent holes and connecting holes. The porosity of the current collector having a porous structure is not particularly limited, but is preferably in the range of 20 to 99%, for example.
When an air electrode current collector having a porous structure is used, unlike FIG. 1 in which the air electrode layer and the air electrode current collector are stacked (adjacent), the air electrode current collector is provided inside the air electrode layer. The body can also be placed. When the air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer, an effect of improving the current collection efficiency of the air electrode may be expected.

空気極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅等の金属材料、カーボンファイバー等のカーボン材料、窒化チタン等の高電子伝導性セラミックス材料等が挙げられる。中でも、耐腐食性の観点から、カーボン材料を用いた集電体が好ましい。空気極における放電反応により強アルカリ性の金属酸化物が生成した場合に、多孔質集電体が溶出するのを抑制し、これに起因する電池特性の低下を抑えることができるからである。
空気極集電体の厚さは特に限定されないが、例えば、10μm〜1000μm、特に20〜400μmであることが好ましい。
尚、金属空気電池においては、後述する電池ケースが空気極の集電体としての機能を兼ね備えていてもよい。
Examples of the material for the air electrode current collector include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and copper, carbon materials such as carbon fiber, and high electron conductive ceramic materials such as titanium nitride. Among these, from the viewpoint of corrosion resistance, a current collector using a carbon material is preferable. This is because when a strongly alkaline metal oxide is generated by a discharge reaction at the air electrode, it is possible to suppress the elution of the porous current collector, and to suppress the deterioration of the battery characteristics due to this.
Although the thickness of an air electrode electrical power collector is not specifically limited, For example, it is preferable that they are 10 micrometers-1000 micrometers, especially 20-400 micrometers.
In the metal-air battery, a battery case, which will be described later, may also have a function as a current collector for the air electrode.

空気極層の厚さは、金属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、特に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 use of the metal-air battery, but is preferably in the range of 2 μm to 500 μm, particularly in the range of 5 μm to 300 μm.

空気極の製造方法は、特に限定されない。例えば、第1のイオン性液体と導電性材料と溶媒とを含む空気極合材ペーストを、塗布し、乾燥する工程を備える方法が挙げられる。このように、空気極層を構成する成分を溶媒と混合し、ペースト状にすることで、イオン性液体と導電性材料を均一に分散させることができる。
空気極合材ペーストを乾燥させた後、さらに必要に応じて、加圧処理や加熱処理を施してもよい。
上記空気極合材ペーストを、空気極集電体の表面に塗布、乾燥させることで、空気極層と空気極集電体とが積層した空気極を作製することができる。或いは、上記空気極合材ペーストを塗布、乾燥して得られた空気極層を、空気極集電体と重ね合わせ、適宜、加圧や加熱等を行うことで、空気極層と空気極集電体とが積層した空気極を作製することもできる。
The method for producing the air electrode is not particularly limited. For example, there is a method including a step of applying and drying an air electrode mixture paste containing a first ionic liquid, a conductive material, and a solvent. Thus, the component which comprises an air electrode layer is mixed with a solvent, and can be disperse | distributed uniformly by mixing an ionic liquid and an electroconductive material by making it into a paste form.
After the air electrode mixture paste is dried, pressure treatment or heat treatment may be further performed as necessary.
By applying and drying the air electrode mixture paste on the surface of the air electrode current collector, an air electrode in which an air electrode layer and an air electrode current collector are laminated can be produced. Alternatively, the air electrode layer obtained by applying and drying the air electrode mixture paste is superimposed on the air electrode current collector, and appropriately subjected to pressurization, heating, etc. It is also possible to produce an air electrode laminated with an electric body.

空気極合材ペーストの溶媒としては、揮発性を有していれば特に限定されず、適宜選択することができる。具体的には、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。空気極材混合物の乾燥が容易になることから、沸点が200℃以下の溶媒が好ましい。
空気極材混合物を塗布する方法は特に限定されず、ドクターブレード、スプレー法等の一般的な方法を用いることができる。
The solvent for the air electrode mixture paste is not particularly limited as long as it has volatility, and can be appropriately selected. Specific examples include acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like. A solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is preferable because the air electrode material mixture can be easily dried.
The method for applying the air electrode material mixture is not particularly limited, and general methods such as a doctor blade and a spray method can be used.

空気極合材ペーストは、第1のイオン性液体、導電性材料及び溶媒に加えて、さらに上記したような結合材、無機粒子、第1の支持電解質塩、触媒等を含有していてもよい。   In addition to the first ionic liquid, the conductive material, and the solvent, the air electrode mixture paste may further contain a binder, inorganic particles, a first supporting electrolyte salt, a catalyst, and the like as described above. .

(固体電解質層)
固体電解質層は、固体状であり、空気極と負極との間で金属イオンが伝導できれば、特に限定されず、固体電解質を用いてもよいし、液体電解質を用いてもよい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer is solid and is not particularly limited as long as metal ions can conduct between the air electrode and the negative electrode, and a solid electrolyte or a liquid electrolyte may be used.

中でも、耐漏液性、作動電圧及び放電容量の観点から、液体電解質と第2の無機微粒子とを少なくとも含む固体電解質合材よりなる電解質層が好ましい。このような固体電解質合材よりなる電解質層は、液体電解質を含むにも関わらず固体状を呈するため耐漏液性に優れ、さらに、空気極層と電解質層の界面及び負極層と電解質層の界面の密着性を向上させることができる。
ここで、液体電解質としては、非水溶媒に支持電解質塩(第2の支持電解質塩)を溶解させた非水電解液が挙げられる。
Among these, from the viewpoint of leakage resistance, operating voltage, and discharge capacity, an electrolyte layer made of a solid electrolyte mixture containing at least a liquid electrolyte and second inorganic fine particles is preferable. The electrolyte layer made of such a solid electrolyte mixture is excellent in leakage resistance because it has a solid state despite containing a liquid electrolyte, and further has an interface between the air electrode layer and the electrolyte layer and an interface between the negative electrode layer and the electrolyte layer. It is possible to improve the adhesion.
Here, examples of the liquid electrolyte include a nonaqueous electrolytic solution in which a supporting electrolyte salt (second supporting electrolyte salt) is dissolved in a nonaqueous solvent.

非水溶媒としては、特に限定されず、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート、イソプロピオメチルカーボネート、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸メチル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコージジエチルエーテル、アセトニトリル(AcN)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジエトキシエタン、ジメトキシエタン(DME)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)等が挙げられる。   The non-aqueous solvent is not particularly limited. For example, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate. , Isopropiomethyl carbonate, ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone, ethyl acetate, methyl acetate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol didiethyl ether, acetonitrile (AcN), dimethyl sulfoxide (DMSO) ), Diethoxyethane, dimethoxyethane (DME), tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and the like. .

また、イオン性液体(第2のイオン性液体)を非水溶媒として用いることもできる。イオン性液体としては、例えば、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:TMPA−TFSA]、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)アミド[略称:PP13−TFSA]、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:P13−TFSA]、N−メチル−N−ブ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)アミド[略称:P14−TFSA]、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:DEME−TFSA]等の脂肪族4級アンモニウム塩;1−メチル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート[略称:EMIBF]、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:EMITFSA]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムブロマイド[略称:AEImBr]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AEImBF]、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AEImTFSA]、1,3−ジアリルイミダゾリウムブロマイド[略称:AAImBr]、1,3−ジアリルイミダゾリウムテトラフルオロボラート[略称:AAImBF]、1,3−ジアリルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:AAImTFSA]等のアルキルイミダゾリウム4級塩等が挙げられる。 An ionic liquid (second ionic liquid) can also be used as a non-aqueous solvent. Examples of the ionic liquid include N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: TMPA-TFSA], N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl). ) Amide [abbreviation: PP13-TFSA], N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: P13-TFSA], N-methyl-N-butylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) ) Aliphatic quaternary ammonium such as amide [abbreviation: P14-TFSA], N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: DEME-TFSA] Salt; 1-methyl-3-ethyl ester Dazo tetrafluoroborate [abbreviation: EMIBF 4], 1- methyl-3-ethyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: EMITFSA], 1- allyl-3-ethyl imidazolium bromide [abbreviation: AEImBr], 1-allyl-3-ethylimidazolium tetrafluoroborate [abbreviation: AEImBF 4 ], 1-allyl-3-ethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AEImTFSA], 1,3-diallylimidazolium bromide [abbreviation: AAImBr], 1,3- diallyl tetrafluoroborate [abbreviation: AAImBF 4], 1,3- diallyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: AAImTFSA] Include alkyl imidazolium quaternary salt of.

揮発しにくい、漏液しにくい、及び固体電解質層が固体形状を維持しやすいという観点からは、非水溶媒として、イオン性液体が好ましい。
また、酸素ラジカルに対する安定性の観点からは、非水溶媒として、AcN、DME、DMSO、PP13−TFSA、P13−TFSA、DEME−TFSAが好ましく、さらには、揮発性、漏液性の観点、固体形状を保持しやすい観点から、特に、イオン性液体である、PP13−TFSA、P13−TFSA、DEME−TFSAが好ましい。
An ionic liquid is preferable as the non-aqueous solvent from the viewpoints that it is difficult to volatilize, liquid is difficult to leak, and the solid electrolyte layer easily maintains a solid shape.
Further, from the viewpoint of stability against oxygen radicals, AcN, DME, DMSO, PP13-TFSA, P13-TFSA, and DEME-TFSA are preferable as the non-aqueous solvent. From the viewpoint of easily maintaining the shape, PP13-TFSA, P13-TFSA, and DEME-TFSA which are ionic liquids are particularly preferable.

非水電解液に用いられる第2の支持電解質塩は、非水溶媒に対して溶解性を有し、所望の金属イオン伝導性を発現するものであればよい。通常、伝導させたい金属イオンを含む金属塩を用いることができる。例えば、上記空気極の説明において例示した支持電解質塩(第1の支持電解質塩)を第2の支持電解質塩として用いることができる。
非水電解液における第2の支持電解質塩の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01〜3mol/kgであることが好ましく、特に0.1〜1.2mol/kgであることが好ましく、さらに0.1〜0.7mol/kgであることが好ましい。
The second supporting electrolyte salt used in the non-aqueous electrolyte may be any one that has solubility in the non-aqueous solvent and expresses desired metal ion conductivity. Usually, a metal salt containing a metal ion to be conducted can be used. For example, the supporting electrolyte salt (first supporting electrolyte salt) exemplified in the description of the air electrode can be used as the second supporting electrolyte salt.
The content of the second supporting electrolyte salt in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably, for example, 0.01 to 3 mol / kg, and particularly preferably 0.1 to 1.2 mol / kg. More preferably, it is 0.1 to 0.7 mol / kg.

尚、固体電解質合材において、上記非水電解液に例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加してゲル化し、得られた電解質ゲルを用いることもできる。しかしながら、固体電解質層における金属イオン伝導性や、隣接する空気極層へのイオン性液体及び/又は有機溶媒の滲み出しによる固体電解質層−空気極層間界面のイオン伝導性の観点から、固体電解質合材において非水電解液はゲル化せずに用いることが好ましい。   In the solid electrolyte mixture, for example, a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) is added to the non-aqueous electrolyte to form a gel. It can also be used. However, from the viewpoint of the metal ion conductivity in the solid electrolyte layer and the ionic conductivity at the interface between the solid electrolyte layer and the air electrode layer due to the leaching of the ionic liquid and / or organic solvent into the adjacent air electrode layer, It is preferable to use the non-aqueous electrolyte in the material without gelation.

第2の無機粒子としては、上記第1の無機粒子と同様のものを用いることができる。第2の無機微粒子の材料、粒径、比表面積等について、第1の無機粒子と同様であるため、ここでの説明は省略する。   As the second inorganic particles, the same particles as the first inorganic particles can be used. Since the material, particle size, specific surface area, and the like of the second inorganic fine particles are the same as those of the first inorganic particles, description thereof is omitted here.

上記固体電解質合材における第2の無機粒子の含有量は、例えば、上記非水電解液中のイオン性液体、有機溶媒又はこれらの混合物に対する第2の無機粒子の体積比(第2の無機粒子/イオン性液体、有機溶媒又はこれらの混合物)が、0.05〜10であることが好ましく、特に0.25〜4であることが好ましく、特に0.5〜3であることが好ましい。上記体積比が0.05以上であることによって、固体電解質合材を固体材料として粉末成形することができ、上記体積比が10以下であることによって、固体電解質のイオン伝導度を高く保持することができる。   The content of the second inorganic particles in the solid electrolyte mixture is, for example, the volume ratio of the second inorganic particles to the ionic liquid, the organic solvent, or a mixture thereof in the nonaqueous electrolytic solution (second inorganic particles). / Ionic liquid, organic solvent, or a mixture thereof) is preferably 0.05 to 10, particularly preferably 0.25 to 4, particularly preferably 0.5 to 3. When the volume ratio is 0.05 or more, the solid electrolyte mixture can be powder-molded as a solid material, and when the volume ratio is 10 or less, the ionic conductivity of the solid electrolyte is kept high. Can do.

尚、本発明の金属空気電池において、固体電解質層は、上記固体電解質合材以外の固体電解質からなるものであってもよい。上記固体電解質合材以外の固体電解質として、例えば、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質等の無機固体電解質が挙げられる。無機固体電解質の中でも、化学的安定性が高いことから、酸化物系固体電解質が好ましい。酸化物系固体電解質の具体例としては、上記空気極の説明において記載したNASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物等が挙げられる。尚、固体電解質としては、ガラス、結晶、ガラスセラミックスのいずれでもよい。   In the metal-air battery of the present invention, the solid electrolyte layer may be made of a solid electrolyte other than the solid electrolyte mixture. Examples of the solid electrolyte other than the solid electrolyte mixture include inorganic solid electrolytes such as oxide solid electrolytes and sulfide solid electrolytes. Among inorganic solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes are preferred because of their high chemical stability. Specific examples of the oxide-based solid electrolyte include NASICON type oxides, perovskite type oxides, LISICON type oxides, garnet type oxides and the like described in the description of the air electrode. The solid electrolyte may be glass, crystal, or glass ceramic.

本発明の金属空気電池用発電要素は、上記空気極と上記固体電解質層とを積層したものであり、典型的には、空気極層と固体電解質層とが隣接するように、空気極と固体電解質層とが積層される。
本発明の金蔵空気電池用発電要素は、上記空気極及び固体電解質層以外の構成部材を備えていてもよい。
The power generation element for metal-air battery of the present invention is a laminate of the air electrode and the solid electrolyte layer, and typically the air electrode and the solid electrolyte layer so that the air electrode layer and the solid electrolyte layer are adjacent to each other. An electrolyte layer is laminated.
The power generation element for a metal air battery of the present invention may include components other than the air electrode and the solid electrolyte layer.

(負極)
負極は、金属イオンを放出・取り込み可能な負極活物質を含有する負極層を備える。通常は、負極層に加えて、負極層の集電を行う負極集電体も備える。
負極活物質は、金属イオンの放出・取り込みが可能なものであれば特に限定されず、例えば、伝導イオンである金属イオンを含有する単体金属、合金、金属酸化物、金属硫化物、及び金属窒化物等が挙げられる。また、炭素材料も負極活物質として用いることができる。負極活物質としては、単体金属又は合金が好ましく、特に単体金属が好ましい。
具体的には、リチウム空気電池の負極活物質としては、例えば金属リチウム;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のリチウム合金;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等の金属酸化物;スズ硫化物、チタン硫化物等の金属硫化物;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の金属窒化物;並びにグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウム及び炭素材料が好ましく、高容量化の観点から金属リチウムがより好ましい。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material capable of releasing and capturing metal ions. Usually, in addition to the negative electrode layer, a negative electrode current collector for collecting current in the negative electrode layer is also provided.
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can release and capture metal ions. For example, simple metals, alloys, metal oxides, metal sulfides, and metal nitrides containing metal ions that are conductive ions Thing etc. are mentioned. A carbon material can also be used as the negative electrode active material. As the negative electrode active material, a single metal or an alloy is preferable, and a single metal is particularly preferable.
Specifically, as a negative electrode active material of a lithium air battery, for example, metal lithium; lithium alloys such as lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium lead alloy, lithium silicon alloy; tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide Oxides, metal oxides such as niobium oxide and tungsten oxide; metal sulfides such as tin sulfide and titanium sulfide; metal nitrides such as lithium cobalt nitride, lithium iron nitride and lithium manganese nitride; and graphite Among them, metallic lithium and carbon materials are preferable, and metallic lithium is more preferable from the viewpoint of increasing capacity.

負極層は、少なくとも負極活物質を含有してればよいが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着材を含有していてもよい。例えば、負極活物質として箔状の金属や合金を用いる場合には、負極層を負極活物質のみを含有する形態とすることができるが、粉末状の負極活物質を用いる場合には、負極層を負極活物質と結着材を含有する形態とすることができる。また、負極層は、導電性材料を含有していてもよい。結着材及び導電性材料の種類、使用量等については、上述した空気極と同様であるため、ここでの説明は省略する。   Although the negative electrode layer should just contain a negative electrode active material at least, it may contain the binder which fixes a negative electrode active material as needed. For example, when a foil-like metal or alloy is used as the negative electrode active material, the negative electrode layer can be configured to contain only the negative electrode active material, but when a powdered negative electrode active material is used, the negative electrode layer Can be made into a form containing a negative electrode active material and a binder. The negative electrode layer may contain a conductive material. Since the types and usage amounts of the binder and the conductive material are the same as those of the air electrode described above, description thereof is omitted here.

負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。例えば、銅、ステンレス、ニッケル等が挙げられる。負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、及びメッシュ状等が挙げられる。また、電池ケースが負極集電体としての機能を有していてもよい。   The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, copper, stainless steel, nickel, etc. are mentioned. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh shape. Further, the battery case may have a function as a negative electrode current collector.

負極の製造方法は特に限定されない。例えば、箔状の負極活物質と負極集電体とを重ね合わせて加圧する方法が挙げられる。また、別の方法として、負極活物質と結着材とを含有する負極材混合物を調製し、該混合物を負極集電体上に塗布、乾燥する方法を挙げることができる。   The manufacturing method of a negative electrode is not specifically limited. For example, there is a method in which a foil-like negative electrode active material and a negative electrode current collector are superposed and pressed. Another method includes preparing a negative electrode material mixture containing a negative electrode active material and a binder, and applying and drying the mixture on a negative electrode current collector.

本発明の金属空気電池は、上記空気極と固体電解質層とを備える本発明の金属空気電池用発電要素を備えるものであり、具体的には、空気極と負極との間に固体電解質層が介在するように、発電要素と負極とが積層されて構成される。   The metal-air battery of the present invention is provided with the power generation element for a metal-air battery of the present invention including the air electrode and the solid electrolyte layer. Specifically, a solid electrolyte layer is provided between the air electrode and the negative electrode. The power generation element and the negative electrode are laminated so as to intervene.

(その他)
金属空気電池は、通常、空気極、負極、電解質層を収納する電池ケースを有する。電池ケースの形状は特に限定されないが、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。電池ケースは、大気開放型であっても、密閉型であってもよい。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を接触可能な構造を有する。一方、密閉型の電池ケースは、正極活物質である酸素(空気)の導入管及び排気管を設けることができる。導入される酸素濃度は高いことが好ましく、純酸素であることが特に好ましい。
(Other)
A metal-air battery usually has a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer. The shape of the battery case is not particularly limited, and specific examples include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. The battery case may be an open air type or a sealed type. The battery case that is open to the atmosphere has a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently contact the atmosphere. On the other hand, a sealed battery case can be provided with an introduction pipe and an exhaust pipe for oxygen (air), which is a positive electrode active material. The oxygen concentration to be introduced is preferably high, and particularly preferably pure oxygen.

また、空気極集電体及び負極集電体には、それぞれ、外部との接続部となる端子を設けることができる。
本発明の金属空気電池の製造方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。
本発明の空気電池は、例えば、0〜60℃のような比較的低温でも優れた放電特性を示す。
Each of the air electrode current collector and the negative electrode current collector can be provided with a terminal serving as a connection portion with the outside.
The method for producing the metal-air battery of the present invention is not particularly limited, and a general method can be adopted.
The air battery of the present invention exhibits excellent discharge characteristics even at a relatively low temperature such as 0 to 60 ° C.

[実施例1]
(金属空気電池の製造)
まず、カーボンブラックと、PVDFと、PP13−TFSAとを、30:15:55(wt%)の比率で混合し、空気極合材ペーストを調製した。該空気極合材ペーストを、カーボンペーパー上に塗布、乾燥し、空気極を作製した。
一方、PP13−TFSAにLiTFSAを溶解させた溶液(LiTFSA濃度 0.32mol/kg)と、SiO微粒子(BET比表面積215m/g)とを、アセトニトリル中、(PP13−TFSA)/(SiO)=0.7(体積比)の比率で混合攪拌した。得られた混合物を自然乾燥させ、固体粉末を得た。該固体粉末を圧縮成形して固体電解質層を作製した。
また、SUS箔(SUS304製)と金属リチウム箔とを重ね合わせて負極を作製した。
得られた空気極と負極との間に、固体電解質層を挟んだ状態で加圧し、金属空気電池(リチウム空気電池)を作製した。このとき、空気極と負極は、それぞれ空気極のカーボンペーパーと負極のSUS箔とが最外層となるように重ねた。
尚、得られた金属空気電池において、空気極層及び固体電解質層は液体成分を含むが、完全に固体状を呈していることが目視で確認された。すなわち、上記金属空気電池は、耐漏液性を有することが確認された。
[Example 1]
(Manufacture of metal-air batteries)
First, carbon black, PVDF, and PP13-TFSA were mixed at a ratio of 30:15:55 (wt%) to prepare an air electrode mixture paste. The air electrode mixture paste was applied onto carbon paper and dried to produce an air electrode.
On the other hand, a solution obtained by dissolving LiTFSA in PP13-TFSA (LiTFSA concentration 0.32 mol / kg) and SiO 2 fine particles (BET specific surface area 215 m 2 / g) in (PP13-TFSA) / (SiO 2 ) in acetonitrile. ) = 0.7 (volume ratio). The obtained mixture was naturally dried to obtain a solid powder. The solid powder was compression molded to produce a solid electrolyte layer.
Also, a SUS foil (manufactured by SUS304) and a metal lithium foil were superposed to produce a negative electrode.
The metal air battery (lithium air battery) was produced by applying pressure with the solid electrolyte layer sandwiched between the obtained air electrode and negative electrode. At this time, the air electrode and the negative electrode were overlapped so that the carbon paper of the air electrode and the SUS foil of the negative electrode were the outermost layers, respectively.
In the obtained metal-air battery, the air electrode layer and the solid electrolyte layer contained liquid components, but it was visually confirmed that they were completely solid. That is, it was confirmed that the metal-air battery has liquid leakage resistance.

[比較例1]
(金属空気電池の製造)
実施例1において、空気極合材ペーストを、カーボンブラック:PVDF=2:1(重量比)の比率で混合して調製した以外は、同様にして、金属空気電池を作製した。
[Comparative Example 1]
(Manufacture of metal-air batteries)
A metal-air battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the air electrode mixture paste was prepared by mixing at a ratio of carbon black: PVDF = 2: 1 (weight ratio).

(金属空気電池の評価)
得られた実施例及び比較例の金属空気電池を用いて、純酸素(99.9%)雰囲気中、200nA/cm、60℃にて、定電流充放電測定を行った。実施例の結果を図2に示す。
図2より、本発明の発電要素を備えた金属空気電池は、2.6V付近で放電させることが可能であり、高い放電特性を有していることがわかる。すなわち、本発明により、耐漏液性と高い放電特性とを兼ね備える金属空気電池を得ることが可能である。また、従来のリチウム空気電池の定電流充放電測定では、2〜2.6V付近の低電圧域に、空気極における過電圧に起因する平担部が観察されることが多いが、実施例1の金属空気電池は過電圧を低減できたといえる。
一方、比較例1の金属空気電池は、全く放電ができなかった。
(Evaluation of metal-air battery)
Using the obtained metal-air batteries of Examples and Comparative Examples, constant current charge / discharge measurements were performed in a pure oxygen (99.9%) atmosphere at 200 nA / cm 2 and 60 ° C. The results of the examples are shown in FIG.
FIG. 2 shows that the metal-air battery provided with the power generation element of the present invention can be discharged near 2.6 V and has high discharge characteristics. That is, according to the present invention, it is possible to obtain a metal-air battery having both leakage resistance and high discharge characteristics. Further, in the constant current charge / discharge measurement of the conventional lithium air battery, a flat portion due to overvoltage in the air electrode is often observed in a low voltage region around 2 to 2.6 V. It can be said that the metal-air battery was able to reduce overvoltage.
On the other hand, the metal-air battery of Comparative Example 1 could not be discharged at all.

1…空気極
2…負極
3…固体電解質層
4…空気極集電体
5…空気極層
6…空気極缶
7…負極缶
8…ガスケット
9…空気孔
10…金属空気電池
11…発電要素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air electrode 2 ... Negative electrode 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Air electrode collector 5 ... Air electrode layer 6 ... Air electrode can 7 ... Negative electrode can 8 ... Gasket 9 ... Air hole 10 ... Metal-air battery 11 ... Power generation element

Claims (10)

空気極と、固体電解質層と、を備える金属空気電池用発電要素であって、
前記空気極が、第1のイオン性液体と導電性材料とを少なくとも含み、前記第1のイオン性液体の含有量が10〜80wt%である空気極合材よりなる金属空気極層を備えることを特徴とする、発電要素。
A power generation element for a metal-air battery comprising an air electrode and a solid electrolyte layer,
The air electrode includes a metal air electrode layer made of an air electrode mixture material including at least a first ionic liquid and a conductive material , wherein the content of the first ionic liquid is 10 to 80 wt%. A power generation element characterized by
前記空気極合材が、さらに結着材を含む、請求項に記載の発電要素。 The power generation element according to claim 1 , wherein the air electrode composite further includes a binder . 前記空気極合材が、さらに第1の無機粒子を含む、請求項1又は2に記載の発電要素。 The power generating element according to claim 1 or 2 , wherein the air electrode composite further includes first inorganic particles. 前記空気極合材が、さらに第1の支持電解質塩を含む、請求項1乃至のいずれかに記載の発電要素。 The power generation element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the air electrode mixture further includes a first supporting electrolyte salt. 前記固体電解質層が、第2のイオン性液体及び第2の支持電解質塩を含む液体電解質と、第2の無機粒子と、を少なくとも含む固体電解質合材よりなる、請求項1乃至のいずれかに記載の発電要素。 The solid electrolyte layer, and a liquid electrolyte containing a second ionic liquid and a second supporting electrolyte salt, and a second inorganic particle, comprising at least comprises a solid electrolyte mixture material to any of claims 1 to 4 Power generation element as described in. 空気極と、固体電解質層と、を備える金属空気電池用発電要素の製造方法であって、
第1のイオン性液体と導電性材料と溶媒とを少なくとも含有し、溶剤を除く成分に対する前記第1のイオン性液体の含有量が10〜80wt%である空気極合材ペーストを、塗布し、乾燥させる工程、
を備えることを特徴とする、製造方法。
A method for producing a power generation element for a metal-air battery comprising an air electrode and a solid electrolyte layer,
Applying an air electrode mixture paste containing at least a first ionic liquid, a conductive material, and a solvent, wherein the content of the first ionic liquid with respect to the components excluding the solvent is 10 to 80 wt% , Drying step,
A manufacturing method comprising:
前記空気極合材ペーストがさらに結着材を含む、請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6 , wherein the air electrode mixture paste further includes a binder . 前記空気極合材ペーストがさらに第1の無機粒子を含む、請求項6又は7に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6 or 7 , wherein the air electrode mixture paste further contains first inorganic particles. 前記空気極合材ペーストがさらに第1の支持電解質塩を含む、請求項6乃至8のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6 , wherein the air electrode mixture paste further contains a first supporting electrolyte salt. 空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に介在する固体電解質層と、を備える金属空気電池であって、
請求項1乃至のいずれかに記載の発電要素を備えることを特徴とする、金属空気電池。
A metal-air battery comprising an air electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
Characterized in that it comprises a power generating element according to any of claims 1 to 5, metal-air batteries.
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