JP5678499B2

JP5678499B2 - Lithium air battery

Info

Publication number: JP5678499B2
Application number: JP2010160936A
Authority: JP
Inventors: 飯坂　浩文; 浩文飯坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: JP2012022935A

Description

本発明は、リチウム空気電池の空気極触媒として使用した際に、高い放電開始電圧及び放電容量を有する空気極触媒用材料を含む空気極を備えるリチウム空気電池に関する。 The present invention relates to a lithium air battery including an air electrode containing an air electrode catalyst material having a high discharge start voltage and a discharge capacity when used as an air electrode catalyst of a lithium air battery.

金属空気電池は、金属単体又は金属化合物を負極活物質に、酸素を正極活物質に利用した、充放電可能な電池である。正極活物質である酸素は空気から得られるため、電池内に正極活物質を封入する必要がないことから、理論上、金属空気電池は、固体の正極活物質を用いる二次電池よりも大きな容量を実現できる。 The metal-air battery is a chargeable / dischargeable battery using a single metal or a metal compound as a negative electrode active material and oxygen as a positive electrode active material. Since oxygen, which is a positive electrode active material, is obtained from air, it is not necessary to enclose the positive electrode active material in the battery, so theoretically, a metal-air battery has a larger capacity than a secondary battery using a solid positive electrode active material. Can be realized.

金属空気電池の一種であるリチウム空気電池においては、放電の際、負極では式（Ｉ）の反応が進行する。
２Ｌｉ→２Ｌｉ^＋＋２ｅ⁻ （Ｉ）
式（Ｉ）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、空気極に到達する。そして、式（Ｉ）で生じたリチウムイオン（Ｌｉ^＋）は、負極と空気極に挟持された電解質内を、負極側から空気極側に電気浸透により移動する。 In a lithium-air battery, which is a type of metal-air battery, the reaction of formula (I) proceeds at the negative electrode during discharge.
2Li → 2Li ⁺ + 2e ⁻ (I)
The electrons generated in the formula (I) reach the air electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li ⁺ ) generated in the formula (I) move by electroosmosis from the negative electrode side to the air electrode side in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the air electrode.

また、放電の際、空気極では式（ＩＩ）及び式（ＩＩＩ）の反応が進行する。
２Ｌｉ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｌｉ_２Ｏ_２（ＩＩ）
２Ｌｉ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｌｉ_２Ｏ（ＩＩＩ）
生じた過酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ_２）及び酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ）は、固体として空気極に蓄積される。
充電時においては、負極において上記式（Ｉ）の逆反応、空気極において上記式（ＩＩ）及び（ＩＩＩ）の逆反応がそれぞれ進行し、負極において金属リチウムが再生するため、再放電が可能となる。 Further, during discharge, the reactions of the formulas (II) and (III) proceed at the air electrode.
2Li ⁺ + O ₂ + 2e ⁻ → Li ₂ O ₂ (II)
2Li ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → Li ₂ O (III)
The generated lithium peroxide (Li ₂ O ₂ ) and lithium oxide (Li ₂ O) are accumulated in the air electrode as solids.
At the time of charging, the reverse reaction of the above formula (I) proceeds at the negative electrode, and the reverse reaction of the above formulas (II) and (III) proceeds at the air electrode, respectively. Become.

近年、高容量でかつ大電流放電に対応可能な非水電解質空気電池に関する研究が盛んに行われている。特許文献１には、正極が組成の異なる２つの層からなり、空気穴側に少なくとも酸素還元能を有する層、負極側に少なくともリチウムイオン吸蔵能を有する層がそれぞれ配置され、前記酸素還元能を有する層は、少なくとも特定の比表面積を有する炭素質物と、結着剤からなり、前記リチウムイオン吸蔵能を有する層は、リチウムイオンを一定の範囲内の電位において吸蔵する能力を有するマンガン酸化物（ＭｎＯ_２）等の活物質と、導電剤と、結着剤からなることを特徴とする非水電解質空気電池が開示されている。 In recent years, research has been actively conducted on non-aqueous electrolyte air batteries that have a high capacity and can cope with a large current discharge. In Patent Document 1, the positive electrode is composed of two layers having different compositions, and a layer having at least oxygen reduction ability is disposed on the air hole side, and a layer having at least lithium ion storage ability is disposed on the negative electrode side. The layer having at least a carbonaceous material having a specific specific surface area and a binder, and the layer having lithium ion occlusion capacity is a manganese oxide having the ability to occlude lithium ions at a potential within a certain range ( A nonaqueous electrolyte air battery comprising an active material such as MnO ₂ ), a conductive agent, and a binder is disclosed.

特開２００６−２８６４１４号公報JP 2006-286414 A

特許文献１の実施例には、温度２０℃の条件で、放電電流０．０１ｍＡで放電、さらに１０秒毎に０．１ｍＡ、０．１秒のパルス放電を実施、電圧が２．０Ｖとなるまで放電した際の放電容量時間が開示されている。しかし、特許文献１には、放電開始電圧の測定結果が記載されていないため、当該文献に記載された電池が、通常電池に必要とされる放電能力を発揮するか否かは定かではない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、リチウム空気電池の空気極触媒として使用した際に、高い放電開始電圧及び放電容量を有する空気極触媒用材料、当該材料を含むリチウム空気電池用空気極、及び当該空気極を備えるリチウム空気電池を提供することを目的とする。 In the example of Patent Document 1, discharge was performed at a discharge current of 0.01 mA at a temperature of 20 ° C., and further, pulse discharge of 0.1 mA and 0.1 second was performed every 10 seconds, and the voltage became 2.0V. Discharge capacity time at the time of discharging is disclosed. However, since the measurement result of the discharge start voltage is not described in Patent Document 1, it is not certain whether or not the battery described in the document exhibits the discharge capability required for a normal battery.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and when used as an air electrode catalyst of a lithium air battery, the air electrode catalyst material having a high discharge start voltage and a discharge capacity, and lithium air containing the material An object of the present invention is to provide a battery air electrode and a lithium-air battery including the air electrode.

本発明のリチウム空気電池は、下記式（１）に示す組成を有する硫化物材料、及びカーボン材料を含む空気極触媒用材料を含有する空気極、並びに、リチウム塩及び非水溶媒を含有する非水系電解液を備えることを特徴とする。
Ｒｕ _ｘＭｏ _ｙＳ _ｚ式（１）
（上記式（１）中、３≦ｘ≦７、０＜ｙ≦２、３≦ｚ≦７である。） The lithium air battery of the present invention includes a sulfide material having a composition represented by the following formula (1), an air electrode containing an air electrode catalyst material containing a carbon material, and a non-acid containing a lithium salt and a nonaqueous solvent. An aqueous electrolyte solution is provided .
Ru _x Mo _y S _z formula (1)
(In the above formula (1), 3 ≦ x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 3 ≦ z ≦ 7.)

本発明によれば、上記式（１）に示す組成を有するルテニウム−モリブデン−硫黄化合物を含むため、リチウム空気電池の空気極触媒として使用した際に、４電子還元反応よりも２電子還元反応の発生割合が高くなる結果、放電開始電圧及び放電容量を向上させることができる。 According to the present invention, since it contains a ruthenium-molybdenum-sulfur compound having the composition represented by the above formula (1), when used as an air electrode catalyst of a lithium-air battery, a two-electron reduction reaction is performed rather than a four-electron reduction reaction. As a result of the high generation rate, the discharge start voltage and the discharge capacity can be improved.

本発明に係る触媒材料における、炭素担体に担持された触媒の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of the catalyst carry | supported by the carbon support | carrier in the catalyst material which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム空気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。It is a figure which shows an example of the laminated constitution of the lithium air battery which concerns on this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 空気極を組み込んだ実施例１のリチウム空気電池セルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the lithium air battery cell of Example 1 incorporating an air electrode. 実施例１及び比較例１〜５のリチウム空気電池の放電曲線である。It is a discharge curve of the lithium air battery of Example 1 and Comparative Examples 1-5. 実施例１及び比較例１〜４のリチウム空気電池の放電開始電圧及び放電容量を比較した棒グラフである。It is the bar graph which compared the discharge start voltage and discharge capacity of the lithium air battery of Example 1 and Comparative Examples 1-4. 硫黄を含む環状化合物を空気極に使用した従来技術における、炭素担体に担持された触媒の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of the catalyst carry | supported by the carbon support | carrier in the prior art which uses the cyclic compound containing sulfur for an air electrode.

１．リチウム空気電池の空気極触媒用材料
本発明のリチウム空気電池の空気極触媒用材料は、下記式（１）に示す組成を有する硫化物材料、及びカーボン材料を含むことを特徴とする。
Ｒｕ_ｘＭｏ_ｙＳ_ｚ式（１）
（上記式（１）中、３≦ｘ≦７、０＜ｙ≦２、３≦ｚ≦７である。） 1. The material for an air electrode catalyst of a lithium air battery The material for an air electrode catalyst of a lithium air battery of the present invention is characterized by containing a sulfide material having a composition represented by the following formula (1) and a carbon material.
Ru _x Mo _y S _z formula (1)
(In the above formula (1), 3 ≦ x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 3 ≦ z ≦ 7.)

従来から、出力特性およびサイクル特性の向上を目的として、硫黄を含む環状化合物を空気極に使用する技術が知られている。これは、硫黄を含む環状化合物の全部または一部が分解してなる分解生成物が、空気極中の導電性材料の表面を被覆するため、リチウムイオンが移動し易くなることを狙いとした技術である。 2. Description of the Related Art Conventionally, a technique using a cyclic compound containing sulfur for an air electrode is known for the purpose of improving output characteristics and cycle characteristics. This is a technology aimed at making lithium ions easy to move because the decomposition products formed by decomposition of all or part of the cyclic compound containing sulfur cover the surface of the conductive material in the air electrode. It is.

図６は、硫黄を含む環状化合物を空気極に使用した従来技術における、炭素担体に担持された触媒の様子を示す模式図である。なお、図６は、説明の簡便のために略円により各粒子の断面を描いたものである。
空気極触媒粒子１及び炭素担体粒子２は、いずれも硫黄を含む環状化合物の被膜３によって被覆されている。本発明者が検討した結果、このような空気極を用いた空気電池は、放電電圧が低いものであった。これは、このような空気極においては、触媒と担体との接合が不十分なため、触媒まで電子が到達しにくいためであると考えられる。また、本発明者が検討した結果、このような空気極を用いた空気電池は、放電容量が小さいものであった。これは、このような空気極においては、リチウムと反応する触媒活性サイトに被膜が形成されるため、触媒の分子認識、変化、移動の基本的な機能が作用しないためであると考えられる。 FIG. 6 is a schematic view showing a state of a catalyst supported on a carbon support in a conventional technique using a cyclic compound containing sulfur for an air electrode. In FIG. 6, the cross section of each particle is drawn by a substantially circle for the sake of simplicity of explanation.
Both the air electrode catalyst particles 1 and the carbon support particles 2 are covered with a coating 3 of a cyclic compound containing sulfur. As a result of investigation by the present inventors, an air battery using such an air electrode has a low discharge voltage. This is considered to be because, in such an air electrode, the bonding between the catalyst and the carrier is insufficient, so that electrons do not easily reach the catalyst. Further, as a result of the study by the present inventors, an air battery using such an air electrode has a small discharge capacity. This is presumably because, in such an air electrode, a basic function of molecular recognition, change, and movement of the catalyst does not act because a film is formed at the catalytically active site that reacts with lithium.

従来の硫黄を含む環状化合物を使用した空気極においては、触媒活性点に形成された被膜により、触媒活性が低下するため、以下の式（２）〜（５）に示す４電子還元反応が進行する。
Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ_２ ⁻ 式（２）
Ｏ_２ ⁻＋Ｌｉ^＋→ＬｉＯ_２式（３）
Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２ ^２− 式（４）
Ｏ_２ ^２−＋２Ｌｉ^＋→Ｌｉ_２Ｏ_２式（５）
このような４電子還元反応を経て得られる放電電圧は２．７Ｖであり、後述する２電子還元反応の場合よりも０．４Ｖ程度低い。また、ラジカルが反応中間体となるため、電解液の分解生成物が生成し、当該生成物が空気極や負極等に堆積するおそれがある。さらに、反応経路が複雑であるため、予期せぬ副生成物が生成するおそれがある。 In a conventional air electrode using a cyclic compound containing sulfur, the catalytic activity is reduced due to the coating formed at the catalytic active point, and therefore, the four-electron reduction reaction shown in the following formulas (2) to (5) proceeds. To do.
O ₂ + e ⁻ → O ₂ ⁻ Formula (2)
O ₂ ⁻ + Li ⁺ → LiO ₂ formula (3)
O ₂ + 2e ⁻ → O ₂ ^2— Formula (4)
O ₂ ²⁻ + 2Li ⁺ → Li ₂ O ₂ formula (5)
The discharge voltage obtained through such a 4-electron reduction reaction is 2.7 V, which is about 0.4 V lower than the case of the 2-electron reduction reaction described later. Further, since radicals become reaction intermediates, decomposition products of the electrolytic solution are generated, and the products may be deposited on the air electrode, the negative electrode, or the like. Furthermore, since the reaction path is complicated, an unexpected by-product may be generated.

本発明者は、鋭意検討の結果、硫黄含有化合物の中でも、特にＲｕ_ｘＭｏ_ｙＳ_ｚ（以下、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物と称する場合がある）を含む材料をリチウム空気電池の空気極触媒として使用することにより、４電子還元反応よりも２電子還元反応の発生割合が高くなる結果、放電開始電圧及び放電容量を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies, the present inventor has made a material containing Ru _x Mo _y S _z (hereinafter, sometimes referred to as ruthenium-molybdenum-sulfur compound) among sulfur-containing compounds as an air electrode catalyst of a lithium air battery. As a result of the use, the occurrence rate of the two-electron reduction reaction is higher than that of the four-electron reduction reaction. As a result, it was found that the discharge starting voltage and the discharge capacity can be improved, and the present invention was completed.

本発明のリチウム空気電池の空気極触媒用材料（以下、本発明に係る触媒材料と称する場合がある）を使用した空気極においては、以下の式（６）に示す２電子還元反応が進行する。
Ｏ_２＋２ｅ⁻＋２Ｌｉ^＋→Ｌｉ_２Ｏ_２式（６）
このような２電子還元反応を経て得られる放電電圧は３．１Ｖであり、上述した４電子還元反応の場合よりも放電電圧が高い。また、ラジカルを介さないため、電解液の分解が抑制できる。さらに、反応経路が単純であるため、予期せぬ副生成物が生成するおそれがない。 In the air electrode using the air electrode catalyst material of the lithium-air battery of the present invention (hereinafter sometimes referred to as the catalyst material according to the present invention), the two-electron reduction reaction represented by the following formula (6) proceeds. .
O ₂ + 2e ⁻ + 2Li ⁺ → Li ₂ O ₂ formula (6)
The discharge voltage obtained through such a two-electron reduction reaction is 3.1 V, which is higher than that in the case of the four-electron reduction reaction described above. Moreover, since no radical is involved, the decomposition of the electrolytic solution can be suppressed. Furthermore, since the reaction path is simple, there is no possibility of generating an unexpected by-product.

図１（ａ）は、本発明に係る触媒材料における、炭素担体に担持された触媒の様子を示す模式図である。なお、図１（ａ）は、説明の簡便のために略円により各粒子の断面を描いたものである。図１（ｂ）は、図１（ａ）中の一点鎖線の円５によって囲んだ部分の拡大図である。図１（ｂ）中の二重波線は、図の省略を意味する。
図１（ａ）に示すように、本発明に係る触媒材料においては、炭素担体粒子２がアモルファスの硫黄からなる被膜４によって被覆されている。当該被膜４上には、ルテニウム金属の単結晶５ａや、硫化ルテニウム（ＲｕＳ_２）の微結晶５ｂが担持されている。当該被膜４によって被覆された炭素担体粒子２の平均粒径が約５〜２０μｍであるのに対し、ルテニウム金属の単結晶５ａの平均粒径は１〜２０ｎｍ、ＲｕＳ_２の微結晶５ｂの平均粒径は１〜２０ｎｍである。このような微小な硫化物結晶が高い分散性をもって炭素担体に担持されることにより、触媒特性を向上させることができる。 Fig.1 (a) is a schematic diagram which shows the mode of the catalyst carry | supported by the carbon support | carrier in the catalyst material which concerns on this invention. In FIG. 1A, the cross section of each particle is drawn by a substantially circle for the sake of simplicity of explanation. FIG.1 (b) is an enlarged view of the part enclosed by the dashed-dotted line circle 5 in Fig.1 (a). The double wavy line in FIG. 1 (b) means that the drawing is omitted.
As shown in FIG. 1 (a), in the catalyst material according to the present invention, the carbon support particles 2 are covered with a coating 4 made of amorphous sulfur. On the coating 4, a ruthenium metal single crystal 5 a and a ruthenium sulfide (RuS ₂ ) microcrystal 5 b are supported. The average particle size of the carbon carrier particles 2 coated with the coating 4 is about 5 to 20 μm, whereas the average particle size of the ruthenium metal single crystal 5a is 1 to 20 nm, and the average particle size of the RuS ₂ microcrystal 5b. The diameter is 1 to 20 nm. Such fine sulfide crystals are supported on the carbon support with high dispersibility, whereby the catalyst characteristics can be improved.

本発明に使用されるルテニウム−モリブデン−硫黄化合物は、触媒活性成分であるＲｕＳ_２と、助触媒成分であるＭｏＳ_２から構成されると推定される。後述する実施例の結果より、リチウム空気電池の放電開始電圧と放電容量は、空気極触媒がＲｕ_５ＭｏＳ_５（実施例１）、ＲｕＳ_２（比較例１）、ＭｏＳ_２（比較例２）、硫黄（比較例３）、カーボン材料（比較例４）である順に高い。一般に、ルテニウムは酸素−酸素二重結合の切断能を有し、完全酸化反応に活性であること、及び、モリブデンは適度な酸化還元能力を有することが知られている。したがって、これらの事実と後述する実施例の結果から、ＲｕＳ_２が触媒活性成分であり、ＭｏＳ_２が助触媒成分であると推定できる。
図１（ｂ）に示すように、本発明に使用されるルテニウム−モリブデン−硫黄化合物においては、ＲｕＳ_２の微結晶５ｂに含まれるルテニウム金属が吸着点、すなわち活性点であり、電気陰性度の高い硫黄原子からルテニウム金属に電子が供給される。しかし、電気陰性度の高い硫黄原子がルテニウム金属に極めて近接しているため、ルテニウム金属と酸素との間に強い結合が生じない。
一方、ＭｏＳ_ｐＯ_ｑに含まれるモリブデン金属は、作動電位により価数が変化するため、酸素をルテニウム金属に引き寄せる働きがある。また、硫黄原子により、ルテニウム金属とＭｏＳ_ｐＯ_ｑは近接する。
図１（ｂ）に示すように、本発明においては、活性点となるルテニウム金属の表面が硫黄被膜で被覆されないようにすることが好ましい。 The ruthenium-molybdenum-sulfur compound used in the present invention is presumed to be composed of RuS ₂ which is a catalytically active component and MoS ₂ which is a promoter component. From the results of Examples to be described later, the discharge start voltage and discharge capacity of the lithium-air battery are such that the air electrode catalyst is Ru ₅ MoS ₅ (Example 1), RuS ₂ (Comparative Example 1), MoS ₂ (Comparative Example 2), It is higher in the order of sulfur (Comparative Example 3) and carbon material (Comparative Example 4). Generally, it is known that ruthenium has an ability to break an oxygen-oxygen double bond, is active in a complete oxidation reaction, and molybdenum has an appropriate redox ability. Therefore, from these facts and the results of Examples described later, it can be estimated that RuS ₂ is a catalytically active component and MoS ₂ is a promoter component.
As shown in FIG. 1B, in the ruthenium-molybdenum-sulfur compound used in the present invention, the ruthenium metal contained in the RuS ₂ microcrystal 5b is an adsorption point, that is, an active point, and has an electronegativity of Electrons are supplied to the ruthenium metal from high sulfur atoms. However, since the sulfur atom having high electronegativity is very close to the ruthenium metal, no strong bond is generated between the ruthenium metal and oxygen.
On the other hand, the molybdenum metal contained in MoS _p O _q has a function of attracting oxygen to the ruthenium metal because the valence changes depending on the operating potential. Also, the ruthenium metal and MoS _p O _q are close to each other due to the sulfur atom.
As shown in FIG. 1B, in the present invention, it is preferable that the surface of the ruthenium metal serving as the active site is not covered with the sulfur coating.

本発明に使用されるルテニウム−モリブデン−硫黄化合物粒子の平均粒径は、２〜１０ｎｍであるのが好ましい。当該粒子の平均粒径が２ｎｍ未満であると、十分な触媒機能を発揮することができない。また、当該粒子の平均粒径が１０ｎｍを超えると、炭素担体への担持の際の分散性に劣るおそれがある。
なお、本発明における粒子の平均粒径は、常法により算出される。粒子の平均粒径の算出方法の例は以下の通りである。まず、４００，０００倍又は１，０００，０００倍のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像において、ある１つの粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径を算出する。このようなＴＥＭ観察による平均粒径の算出を、同じ種類の２００〜３００個の粒子について行い、これらの粒子の平均を平均粒径とする。 The average particle size of the ruthenium-molybdenum-sulfur compound particles used in the present invention is preferably 2 to 10 nm. When the average particle size of the particles is less than 2 nm, a sufficient catalytic function cannot be exhibited. Moreover, when the average particle diameter of the said particle | grain exceeds 10 nm, there exists a possibility that it may be inferior to the dispersibility at the time of carrying | supporting to a carbon support | carrier.
In addition, the average particle diameter of the particle | grains in this invention is computed by a conventional method. An example of a method for calculating the average particle size of the particles is as follows. First, in a TEM (transmission electron microscope) image having a magnification of 400,000 times or 1,000,000 times, a particle size is calculated for a certain particle when the particle is considered to be spherical. Calculation of the average particle diameter by such TEM observation is performed for 200 to 300 particles of the same type, and the average of these particles is taken as the average particle diameter.

上記式（１）中、３≦ｘ≦７、０＜ｙ≦２、３≦ｚ≦７である。
ルテニウムの組成比が３未満である場合には、本発明に係る触媒材料が十分な酸素還元機能を発揮できる触媒とならないおそれがある。また、ルテニウムの組成比が７を超える場合には、ルテニウムのシンタリングが発生し、触媒活性が低下するおそれがある。
モリブデンを含まない場合（ｙ＝０）には、後述する比較例１において示すように、放電開始電圧及び放電容量を向上させる本願発明の目的が達成できない。また、モリブデンの組成比が２を超える場合には、酸素−酸素二重結合の切断能が低下し、触媒が完全酸化反応に対して不活性となるおそれがある。
硫黄の組成比が３未満である場合には、ルテニウムのシンタリングが発生し、触媒活性が低下するおそれがある。一方、硫黄の組成比が７を超える場合には、ルテニウムの活性面が硫黄により被毒され、触媒活性が低下するおそれがある。
上記式（１）中、４≦ｘ≦６、０．５≦ｙ≦１．５、４≦ｚ≦６であるのが好ましく、ｘ＝５、ｙ＝１、ｚ＝５、すなわち、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物の組成式がＲｕ_５ＭｏＳ_５であることがより好ましい。 In the above formula (1), 3 ≦ x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, and 3 ≦ z ≦ 7.
When the composition ratio of ruthenium is less than 3, the catalyst material according to the present invention may not be a catalyst that can exhibit a sufficient oxygen reduction function. On the other hand, when the composition ratio of ruthenium exceeds 7, ruthenium sintering may occur and the catalytic activity may be lowered.
When molybdenum is not included (y = 0), as shown in Comparative Example 1 described later, the object of the present invention for improving the discharge start voltage and the discharge capacity cannot be achieved. On the other hand, when the composition ratio of molybdenum exceeds 2, the oxygen-oxygen double bond scission ability decreases, and the catalyst may become inactive with respect to the complete oxidation reaction.
When the composition ratio of sulfur is less than 3, ruthenium sintering may occur and the catalytic activity may be reduced. On the other hand, when the sulfur composition ratio exceeds 7, the active surface of ruthenium is poisoned by sulfur, and the catalytic activity may be reduced.
In the above formula (1), 4 ≦ x ≦ 6, 0.5 ≦ y ≦ 1.5, and 4 ≦ z ≦ 6 are preferable, and x = 5, y = 1, z = 5, that is, ruthenium- The composition formula of the molybdenum-sulfur compound is more preferably Ru ₅ MoS ₅ .

本発明に係る触媒材料は、さらにカーボン材料を含む。これは、本発明に係る触媒材料を使用したリチウム空気電池の空気極において、電極反応をよりスムーズに進行させるという観点から、当該カーボン材料に上記ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物を担持させるためである。
本発明に使用されるルテニウム−モリブデン−硫黄化合物粒子は、カーボン材料に高分散担持されていることが好ましい。高分散担持によって、触媒の分子認識、変化、移動の基本機能を向上させることができる。
触媒の分子認識機能とは、例えば、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物粒子をリチウム空気電池の空気極に用いた場合に、酸素分子と酸素分子以外の分子を識別し、酸素分子のみを効率よく還元する機能のことを指す。
触媒の変化の機能とは、例えば、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物粒子をリチウム空気電池の空気極に用いた場合に、酸素分子を効率よく還元するために触媒内の電子状態を変化させる機能のことを指す。
触媒の移動の機能とは、例えば、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物粒子をリチウム空気電池の空気極に用いた場合に、酸素分子を効率よく還元するために空気極内を触媒が移動する機能のことを指す。 The catalyst material according to the present invention further includes a carbon material. This is because the ruthenium-molybdenum-sulfur compound is supported on the carbon material from the viewpoint that the electrode reaction proceeds more smoothly in the air electrode of the lithium-air battery using the catalyst material according to the present invention.
The ruthenium-molybdenum-sulfur compound particles used in the present invention are preferably highly dispersed and supported on the carbon material. The highly dispersed support can improve the basic functions of catalyst molecular recognition, change and movement.
The molecular recognition function of the catalyst is, for example, when ruthenium-molybdenum-sulfur compound particles are used for the air electrode of a lithium-air battery, distinguishing oxygen molecules from molecules other than oxygen molecules and efficiently reducing only oxygen molecules. Refers to the function.
The function of changing the catalyst is, for example, the function of changing the electronic state in the catalyst in order to efficiently reduce oxygen molecules when ruthenium-molybdenum-sulfur compound particles are used in the air electrode of a lithium-air battery. Point to.
The function of moving the catalyst is, for example, the function of moving the catalyst in the air electrode in order to efficiently reduce oxygen molecules when ruthenium-molybdenum-sulfur compound particles are used in the air electrode of a lithium-air battery. Point to.

以下、本発明に使用される、カーボン材料に担持されたルテニウム−モリブデン−硫黄化合物の製造方法の一例について説明する。
まず、原料となるルテニウム化合物、モリブデン化合物、硫黄及びカーボン材料を準備する。
原料となるルテニウム化合物は、１００〜２００℃でガス分解するルテニウム化合物であれば特に限定されないが、例えば、Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２、Ｒｕ（ＣＯ）_５、Ｒｕ（ＣＯ）_３（ＰＰｈ_３）_２等が挙げられる。
原料となるモリブデン化合物は、１００〜２００℃でガス分解するモリブデン化合物であれば特に限定されないが、例えば、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｍｏ（ＣＯ）_２（ｄｉｐｈｏｓ）_２、Ｍｏ（ＣＯ）_２ｄｉａｒｓ、等が挙げられる。
原料となる硫黄は、１００〜２００℃で流動性の液体となる硫黄化合物であれば特に限定されないが、例えば、斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄、プラスチック硫黄等が挙げられる。 Hereinafter, an example of a method for producing a ruthenium-molybdenum-sulfur compound supported on a carbon material used in the present invention will be described.
First, a ruthenium compound, a molybdenum compound, sulfur and a carbon material as raw materials are prepared.
The ruthenium compound as a raw material is not particularly limited as long as it is a ruthenium compound that undergoes gas decomposition at 100 to 200 ° C., for example, Ru ₃ (CO) ₁₂ , Ru (CO) ₅ , Ru (CO) ₃ (PPh ₃ ) ₂ Etc.
The molybdenum compound as a raw material is not particularly limited as long as it is a molybdenum compound that undergoes gas decomposition at 100 to 200 ° C., for example, Mo (CO) ₆ , Mo (CO) ₂ (diphos) ₂ , Mo (CO) ₂ diars, Etc.
The sulfur as a raw material is not particularly limited as long as it is a sulfur compound that becomes a fluid liquid at 100 to 200 ° C., and examples thereof include orthorhombic sulfur, monoclinic sulfur, rubber-like sulfur, and plastic sulfur.

本発明に使用されるカーボン材料は、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することができるからである。多孔質構造を有するカーボン材料としては、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カーボン材料としては、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、カーボンファイバー及び活性炭等の高比表面積カーボン材料を挙げることができる。 The carbon material used in the present invention may have a porous structure or may not have a porous structure, but in the present invention, the carbon material has a porous structure. Is preferred. This is because the specific surface area is large and many reaction fields can be provided. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include high specific surface area carbon materials such as graphite, acetylene black, carbon nanotube, carbon fiber, and activated carbon.

次に、上記ルテニウム原料、モリブデン原料、硫黄原料及びカーボン材料を混合し、触媒混合物を調製する。このとき、所望の組成比を有するＲｕ_ｘＭｏ_ｙＳ_ｚが合成できるように、混合比を調整する。例えば、ルテニウム原料としてＲｕ_３（ＣＯ）_１２、モリブデン原料としてＭｏ（ＣＯ）_６、硫黄原料として単体の硫黄（Ｓ）を用いて、Ｒｕ_５ＭｏＳ_５を合成する場合には、モル比がＲｕ_３（ＣＯ）_１２：Ｍｏ（ＣＯ）_６：Ｓ＝５／３：１：５＝５：３：１５の整数比となるように混合すればよい。
触媒混合物におけるカーボン材料の含有割合としては、触媒混合物全体の質量を１００質量％とした場合に、６５質量％〜９９質量％であることが好ましく、７５質量％〜９５質量％であることがより好ましい。カーボン材料の含有割合が少なすぎると、本発明に係る空気極触媒用材料を使用してリチウム空気電池を作製した際に、反応場が減少し、電池容量の低下が生じるおそれがあり、カーボン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。 Next, the ruthenium raw material, molybdenum raw material, sulfur raw material and carbon material are mixed to prepare a catalyst mixture. At this time, the mixing ratio is adjusted so that Ru _x Mo _y S _z having a desired composition ratio can be synthesized. For example, when Ru ₅ MoS ₅ is synthesized using Ru ₃ (CO) ₁₂ as a ruthenium raw material, Mo (CO) ₆ as a molybdenum raw material, and simple sulfur (S) as a sulfur raw material, the molar ratio is Ru _3. What is necessary is just to mix so that it may become an integer ratio of (CO) ₁₂ : Mo (CO) ₆ : S = 5/3: 1: 5 = 5: 3: 15.
The content ratio of the carbon material in the catalyst mixture is preferably 65% by mass to 99% by mass and more preferably 75% by mass to 95% by mass when the mass of the entire catalyst mixture is 100% by mass. preferable. If the content ratio of the carbon material is too small, when the lithium-air battery is produced using the air electrode catalyst material according to the present invention, the reaction field may be reduced and the battery capacity may be reduced. If the content ratio is too large, the content of the catalyst is relatively reduced, and a sufficient catalytic function may not be exhibited.

上記触媒混合物の調製においては、溶媒を使用してもよい。触媒混合物の調製に使用できる溶媒としては、沸点２００℃以下の溶媒が好ましく、例えば、キシレンやアセトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等を使用することができる。 In the preparation of the catalyst mixture, a solvent may be used. As a solvent that can be used for the preparation of the catalyst mixture, a solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is preferable. For example, xylene, acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or the like is used. be able to.

上述したように、本発明に使用されるルテニウム−モリブデン−硫黄化合物は、炭素担体に高分散に担持されていることが好ましい。したがって、触媒混合物の混合方法として、還流法、グロー放電法、超臨界法等を用いることが好ましい。 As described above, the ruthenium-molybdenum-sulfur compound used in the present invention is preferably supported on the carbon support in a highly dispersed state. Therefore, it is preferable to use a reflux method, a glow discharge method, a supercritical method or the like as a mixing method of the catalyst mixture.

続いて、触媒混合物を窒素、アルゴン等の不活性雰囲気下、１００〜１５０℃の温度条件で加熱する。溶媒を加えて触媒混合物を調製した場合には、当該温度条件下で還流を行うことが好ましい。加熱は５〜２５時間行うことが好ましい。
さらに、加熱後の固体を、アルゴン雰囲気下、２５０〜４００℃の温度条件下で、１〜５時間焼成を行うことにより、本発明に使用されるカーボン材料に担持されたルテニウム−モリブデン−硫黄化合物を得ることができる。 Subsequently, the catalyst mixture is heated under a temperature condition of 100 to 150 ° C. under an inert atmosphere such as nitrogen or argon. When a catalyst mixture is prepared by adding a solvent, it is preferable to perform reflux under the temperature condition. Heating is preferably performed for 5 to 25 hours.
Furthermore, the solid after heating is calcined under a temperature condition of 250 to 400 ° C. for 1 to 5 hours under an argon atmosphere, whereby a ruthenium-molybdenum-sulfur compound supported on the carbon material used in the present invention. Can be obtained.

このように、２５０〜４００℃という極めて高い温度条件下で焼成を行うことにより、得られたルテニウム−モリブデン−硫黄化合物を触媒として使用した際に、４電子還元反応よりも、２原子還元反応の発生割合を高くすることができ、電池の放電開始電圧を向上させることができる。焼成の温度条件が２５０℃未満である場合には、触媒の活性面が形成されず、触媒活性を高くすることができない。また、焼成の温度条件が４００℃を超える温度である場合には、ルテニウムのシンタリングが発生し、特に、硫黄の沸点である４４４．６℃以上の温度で焼成すると、焼成後の触媒の組成比が、想定していた組成比から大きくずれるおそれがある。 As described above, when the obtained ruthenium-molybdenum-sulfur compound is used as a catalyst by firing under an extremely high temperature condition of 250 to 400 ° C., a diatomic reduction reaction is performed rather than a 4-electron reduction reaction. The generation rate can be increased, and the discharge start voltage of the battery can be improved. When the calcination temperature condition is less than 250 ° C., the active surface of the catalyst is not formed, and the catalyst activity cannot be increased. In addition, ruthenium sintering occurs when the temperature condition of the calcination is higher than 400 ° C. Especially when the calcination is performed at a temperature of 444.6 ° C. or higher, which is the boiling point of sulfur, the composition of the catalyst after calcination The ratio may deviate greatly from the assumed composition ratio.

２．リチウム空気電池用空気極
本発明のリチウム空気電池用空気極は、上記リチウム空気電池の空気極触媒用材料を含有することを特徴とする。 2. Air electrode for lithium air battery The air electrode for lithium air battery of the present invention is characterized by containing the material for an air electrode catalyst of the lithium air battery.

本発明に係るリチウム空気電池用空気極は、上記リチウム空気電池の空気極触媒用材料を、好ましくは空気極層に含有する。本発明に係るリチウム空気電池用空気極は、当該空気極層に加えて、空気極集電体、及び当該空気極集電体に接続された空気極リードを備える。 The air electrode for a lithium air battery according to the present invention preferably contains the air electrode catalyst material for the lithium air battery in the air electrode layer. The air electrode for a lithium-air battery according to the present invention includes an air electrode current collector and an air electrode lead connected to the air electrode current collector in addition to the air electrode layer.

（空気極層）
本発明に係るリチウム空気電池用空気極中の空気極層は、少なくとも上述したルテニウム−モリブデン−硫黄化合物を空気極触媒として、且つ、上述したカーボン材料を導電性材料として含有する。さらに、必要に応じて結着剤を含有していても良い。 (Air electrode layer)
The air electrode layer in the air electrode for a lithium-air battery according to the present invention contains at least the above-described ruthenium-molybdenum-sulfur compound as an air electrode catalyst and the above-described carbon material as a conductive material. Furthermore, you may contain the binder as needed.

上述したルテニウム−モリブデン−硫黄化合物は、単独で空気極触媒として使用してもよいし、当該ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物に他の酸素活性触媒を混合したものを空気極触媒として使用してもよい。
他の酸素活性触媒の例としては、例えば、ニッケル、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；二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）及び酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の無機セラミックス；これらの材料を混合した複合材料等が挙げられる。
空気極層における空気極触媒の含有割合としては、空気極層全体の質量を１００質量％とした場合に、１質量％〜３０質量％であることが好ましく、５質量％〜１５質量％であることがより好ましい。空気極触媒の含有割合が少なすぎると、充分な触媒機能を発揮できないおそれがあり、空気極触媒の含有割合が多すぎると、相対的に導電性材料の含有割合が減る結果、反応場が減少し、電池容量の低下が生じるおそれがあるからである。 The ruthenium-molybdenum-sulfur compound described above may be used alone as an air electrode catalyst, or a mixture of the ruthenium-molybdenum-sulfur compound and another oxygen active catalyst may be used as the air electrode catalyst. .
Examples of other oxygen active catalysts include, for example, platinum groups such as nickel, palladium and platinum; perovskite oxides containing transition metals such as cobalt, manganese or iron; noble metal oxides such as ruthenium, iridium or palladium Examples thereof include inorganic compounds; metal coordination organic compounds having a porphyrin skeleton or phthalocyanine skeleton; inorganic ceramics such as manganese dioxide (MnO ₂ ) and cerium oxide (CeO ₂ ); and composite materials obtained by mixing these materials.
The content ratio of the air electrode catalyst in the air electrode layer is preferably 1% by mass to 30% by mass and preferably 5% by mass to 15% by mass when the mass of the entire air electrode layer is 100% by mass. It is more preferable. If the content ratio of the air electrode catalyst is too small, there is a possibility that a sufficient catalytic function may not be exhibited. If the content ratio of the air electrode catalyst is too large, the content ratio of the conductive material is relatively reduced, resulting in a decrease in the reaction field. This is because the battery capacity may be reduced.

空気極層中の導電性材料は、「１．リチウム空気電池の空気極触媒用材料」の項において説明したカーボン材料と同様である。
上記空気極層は、さらに、導電性材料を固定化する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は、特に限定されるものではないが、空気極層全体の質量を１００質量％とした場合に、３０質量％以下であることが好ましく、１質量％〜２０質量％であることがより好ましい。 The conductive material in the air electrode layer is the same as the carbon material described in the section “1. Material for air electrode catalyst of lithium-air battery”.
The air electrode layer preferably further contains a binder for fixing the conductive material. Examples of the binder include rubber resins such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene / butadiene rubber (SBR rubber). The content ratio of the binder in the air electrode layer is not particularly limited, but is preferably 30% by mass or less when the mass of the entire air electrode layer is 100% by mass. More preferably, it is 20 mass%.

空気極層は、少なくとも本発明に係るリチウム空気電池の空気極触媒用材料、及び必要に応じて結着剤を混合した空気極合剤を、後述する空気極集電体等の支持体に塗布することにより形成する。
空気極合剤の調製においては、溶媒を使用してもよい。空気極合剤の調製において使用できる溶媒は、「１．リチウム空気電池の空気極触媒用材料」の項において説明した溶媒と同様である。 The air electrode layer is applied to a support such as an air electrode current collector, which will be described later, with at least an air electrode catalyst material for a lithium-air battery according to the present invention and an air electrode mixture mixed with a binder as necessary. To form.
In the preparation of the air electrode mixture, a solvent may be used. Solvents that can be used in the preparation of the air electrode mixture are the same as those described in the section of “1.

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）
本発明に係るリチウム空気電池用空気極中の空気極集電体は、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。空気極集電体としては、例えば箔状集電体、板状集電体、多孔質集電体、繊維状集電体、不織布集電体及びメッシュ（グリッド）状集電体等を挙げることができる。中でも、本発明においては、集電効率に優れるという観点から、カーボンペーパー及びメッシュ状集電体が好ましい。
このうち、メッシュ状集電体を使用する場合、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、本発明に係るリチウム空気電池用空気極は、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 in the air electrode for a lithium-air battery according to 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 air electrode current collector include a foil current collector, a plate current collector, a porous current collector, a fibrous current collector, a nonwoven fabric current collector, and a mesh (grid) current collector. Can do. Among them, in the present invention, carbon paper and a mesh current collector are preferable from the viewpoint of excellent current collection efficiency.
Among these, when a mesh current collector is used, the mesh air electrode current collector is usually disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the air electrode for a lithium-air battery according to the present invention includes another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. May be. 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.

３．リチウム空気電池
本発明のリチウム空気電池は、上記リチウム空気電池用空気極を備えることを特徴とする。 3. Lithium-air battery The lithium-air battery of the present invention includes the above-described air electrode for a lithium-air battery.

図２は、本発明に係るリチウム空気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空気電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
リチウム空気電池１００は、空気極層１２及び空気極集電体１４を備える空気極１６と、負極活物質層１３及び負極集電体１５を備える負極１７と、空気極１６及び負極１７に挟持される電解質１１を有する。
本発明に係るリチウム空気電池のうち、空気極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空気電池の構成要素である、負極、電解質、セパレータ、電池ケースについて、詳細に説明する。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a layer configuration of the lithium-air battery according to the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The lithium air battery according to the present invention is not necessarily limited to this example.
The lithium air battery 100 is sandwiched between an air electrode 16 including an air electrode layer 12 and an air electrode current collector 14, a negative electrode 17 including a negative electrode active material layer 13 and a negative electrode current collector 15, and the air electrode 16 and the negative electrode 17. The electrolyte 11 is included.
Among the lithium air batteries according to the present invention, the air electrode is as described above. Hereinafter, the negative electrode, the electrolyte, the separator, and the battery case, which are components of the lithium-air battery according to the present invention, will be described in detail.

（負極）
本発明に係るリチウム空気電池中の負極は、好ましくは負極活物質を含有する負極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-air battery according to the present invention preferably comprises a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and in general, in addition to this, a negative electrode current collector, and a negative electrode connected to the negative electrode current collector It is equipped with a lead.

（負極層）
本発明に係るリチウム空気電池中の負極層は、リチウム金属、又はリチウム元素を含有する合金材料若しくは化合物を含有する。
リチウム元素を含有する合金としては、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 layer)
The negative electrode layer in the lithium air battery according to the present invention contains lithium metal or an alloy material or compound containing lithium element.
Examples of the alloy containing lithium element 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、導電性材料およ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、負極活物質および結着剤を含有する負極層とすることができる。なお、導電性材料および結着剤については、上述した「空気極」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。 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 containing a negative electrode active material and a binder can be obtained. Note that the conductive material and the binder are the same as those described in the section “Air electrode” described above, and thus the description thereof is omitted here.

（負極集電体）
本発明に係るリチウム空気電池中の負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。上記負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケースが負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。 (Negative electrode current collector)
The material for the negative electrode current collector in the lithium-air battery according to the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. In the present invention, a battery case, which will be described later, may have the function of a negative electrode current collector.

（電解質）
本発明に係るリチウム空気電池中の電解質は、空気極層及び負極層の間に保持され、空気極層及び負極層との間でリチウムイオンを交換する働きを有する。
電解質としては、水系電解質及び非水系電解質を用いることができる。 (Electrolytes)
The electrolyte in the lithium-air battery according to the present invention is held between the air electrode layer and the negative electrode layer and has a function of exchanging lithium ions between the air electrode layer and the negative electrode layer.
As the electrolyte, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte can be used.

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。
本発明に用いられる非水系電解液は、リチウム塩および非水溶媒を含有する。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４及びＬｉＡｓＦ_６等の無機リチウム塩；ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２（Ｌｉ−ＴＦＳＩ）、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２及びＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３等の有機リチウム塩等を挙げることができる。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、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合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。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．５ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌの範囲内である。なお、本発明においては、非水系電解液として、例えば、テトラエチルアンモニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド等のアンモニウム塩に代表されるような、イオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。 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 contains a lithium salt and a nonaqueous solvent. Examples of the lithium salt 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 ) Organic lithium salts such as ₂ and LiC (SO ₂ CF ₃ ) ₃ can be mentioned. 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, 1,2-dimethoxymethane, 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. The concentration of the lithium salt in the nonaqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L. In the present invention, a low volatile liquid such as an ionic liquid such as an ammonium salt such as tetraethylammonium bistrifluoromethanesulfonylimide may be used as the nonaqueous electrolytic solution.

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。非水ゲル電解質は、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。本発明においては、ＬｉＴＦＳＩ（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）−ＰＥＯ系の非水ゲル電解質が好ましい。 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. The non-aqueous gel electrolyte 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. . In the present _{_{_{invention, LiTFSI (LiN (CF 3 SO}}} 2) 2) -PEO nonaqueous gel electrolyte systems are preferred.

本発明に用いられる水系電解液としては、通常、水にリチウム塩を含有させたものを用いる。リチウム塩としては、例えばＬｉＯＨ、ＬｉＣｌ、ＬｉＮＯ_３、ＣＨ_３ＣＯ_２Ｌｉ等のリチウム塩等を挙げることができる。 As the aqueous electrolyte solution used in the present invention, a solution containing lithium salt in water is usually used. Examples of the lithium salt include lithium salts such as LiOH, LiCl, LiNO ₃ , and CH ₃ CO ₂ Li.

上記水系電解質及び非水系電解質中に、さらに固体電解質を混合して用いることができる。固体電解質としては、例えば、Ｌｉ−Ｌａ−Ｔｉ−Ｏ系固体電解質等を用いることができる。 A solid electrolyte can be further mixed and used in the aqueous electrolyte and the non-aqueous electrolyte. As the solid electrolyte, for example, a Li—La—Ti—O based solid electrolyte can be used.

（セパレータ）
本発明に係る電池が、空気極−電解質−負極の順番で配置されている積層体を、繰り返し何層も重ねる構造を取る場合には、安全性の観点から、異なる積層体に属する空気極および負極の間に、セパレータを有することが好ましい。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；および樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
セパレータに使用できるこれらの材料は、上述した電解質を含浸させることにより、電解質の支持材として使用することもできる。 (Separator)
In the case where the battery according to the present invention has a structure in which a laminated body arranged in the order of air electrode-electrolyte-negative electrode is repeatedly stacked, from the viewpoint of safety, air electrodes belonging to different laminated bodies and It is preferable to have a separator between the negative electrodes. 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.
These materials that can be used for the separator can also be used as an electrolyte support material by impregnating the above-described electrolyte.

（電池ケース）
また、本発明に係るリチウム空気電池は、通常、空気極、負極、電解質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。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）の導入管およ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 air battery according to the present invention usually has a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, an electrolyte, 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. 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.

１．カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５の合成
硫黄（ＡＬＤＲＩＣＨ社製）０．０７３ｇを、キシレン０．３Ｌと混合し、１時間攪拌した。その後、硫黄のキシレン分散液に、金属カルボニル塩としてＲｕ_３（ＣＯ）_１２（ＡＬＤＲＩＣＨ社製）０．２６ｇ、Ｍｏ（ＣＯ）_６（ＡＬＤＲＩＣＨ社製）０．０６５ｇ、及び、カーボン材料としてＳｕｐｅｒＰ（ＭＭＭＣａｒｂｏｎ社製）１．５ｇを加え、５分間攪拌した。
窒素雰囲気下（１００ｍＬ／分）、１３５℃の温度条件で、上記キシレン分散液を還流した。その際、排風機、冷却水を作動させ、還流塔は開放した。還流開始から２〜３時間後に、キシレン分散液の色が黄色、橙色、茶色、黒色の順に変化していった。
還流開始から２１時間後に加熱を止め、還流を停止した。キシレン分散液を濾過し、濾過物をアセトンで洗浄した。
アセトンで洗浄後の濾過物について、室温下（１５℃〜２５℃）で４時間真空乾燥を行った。その後、アルゴン雰囲気下、３５０℃の温度条件下で、１時間焼成を行い、カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５を得た。 1. Synthesis of Ru ₅ MoS ₅ supported on carbon material 0.073 g of sulfur (manufactured by ALDRICH) was mixed with 0.3 L of xylene and stirred for 1 hour. Thereafter, 0.26 g of Ru ₃ (CO) ₁₂ (manufactured by ALDRICH), 0.065 g of Mo (CO) ₆ (manufactured by ALDRICH) as a metal carbonyl salt, and SuperP (MMMC Carbon) as a carbon material were added to a sulfur xylene dispersion. 1.5 g) was added and stirred for 5 minutes.
The xylene dispersion was refluxed under a nitrogen atmosphere (100 mL / min) under a temperature condition of 135 ° C. At that time, the ventilator and the cooling water were operated, and the reflux tower was opened. Two to three hours after the start of reflux, the color of the xylene dispersion changed in the order of yellow, orange, brown and black.
Heating was stopped 21 hours after the start of reflux, and reflux was stopped. The xylene dispersion was filtered and the filtrate was washed with acetone.
The filtrate after washing with acetone was vacuum-dried at room temperature (15 ° C. to 25 ° C.) for 4 hours. Then, under argon atmosphere, at a temperature of 350 ° C., baked for one hour to obtain a _Ru 5 MoS ₅ supported on a carbon material.

２．リチウム空気電池セルの製造
［実施例１］
上記方法によりカーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５と、結着剤としてのＰＴＦＥを、カーボン材料：結着剤：触媒＝８０質量％：１０質量％：１０質量％の比となるように混合して、空気極合剤を作製した。当該空気極合剤を、ペレット化し乾燥させることにより、空気極を作製した。 2. Production of lithium-air battery cell [Example 1]
Ru ₅ MoS ₅ supported on a carbon material by the above method and PTFE as a binder are mixed so that the ratio of carbon material: binder: catalyst = 80% by mass: 10% by mass: 10% by mass. Thus, an air electrode mixture was prepared. The air electrode mixture was pelletized and dried to prepare an air electrode.

図３は、上記工程により作製した空気極を組み込んだ、実施例１のリチウム空気電池セルの断面模式図である。なお、図中の白丸は気密性を保つためのパッキンを示し、二重波線は図の省略を意味している。
空気極２１には、酸素タンク（図示せず）から酸素（１ａｔｍ）が供給されている。空気極２１は、電解質層２２を挟んで、リチウム金属箔からなる負極活物質層２３と対峙している。電解質層２２には、ポリプロピレン不織布（旭化成株式会社製、商品番号：ＪＨ１００４Ｎ）に電解液を含浸させたものを用いた。電解液としては、イオン液体の一種であるＮ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウム−ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）アミン（ＰＰ１３−ＴＦＳＡ）を用い、電解液中にリチウム塩としてＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２（Ｌｉ−ＴＦＳＡ）を、リチウム塩濃度が０．３２ｍｏｌ／ｋｇとなるように調整して加えた。
空気極２１、電解質層２２及び負極活物質層２３は、ステンレス製筐体２４及びテフロン（登録商標）製筐体２５（Ｆ型セル：北斗電工株式会社製）に収納されている。なお、ステンレス製筐体２４と電解質層２２との間は、ニッケル層２６によって仕切られている。さらに、負極活物質層２３側には負極リード２７を、空気極２１側には空気極リード２８を、それぞれ設置した。空気極２１と負極活物質層２３との距離は２ｃｍとした。
セル全体をガス置換コック付ガラスデシケータ（図示せず）内に載置した。ガラスデシケータには、アルゴンタンク（図示せず）からアルゴン（分圧：１ａｔｍ）が供給されている。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the lithium-air battery cell of Example 1 in which the air electrode produced by the above process is incorporated. In addition, the white circle in a figure shows the packing for maintaining airtightness, and a double wavy line means omission of a figure.
The air electrode 21 is supplied with oxygen (1 atm) from an oxygen tank (not shown). The air electrode 21 is opposed to the negative electrode active material layer 23 made of lithium metal foil with the electrolyte layer 22 interposed therebetween. As the electrolyte layer 22, a polypropylene nonwoven fabric (manufactured by Asahi Kasei Corporation, product number: JH1004N) impregnated with an electrolyte solution was used. As the electrolytic solution, N-methyl-N-propylpiperidinium-bis (trifluoromethylsulfonyl) amine (PP13-TFSA) which is a kind of ionic liquid is used, and LiN (SO ₂ CF) is used as a lithium salt in the electrolytic solution. ₃ ) ₂ (Li-TFSA) was added after adjusting so that the lithium salt concentration would be 0.32 mol / kg.
The air electrode 21, the electrolyte layer 22, and the negative electrode active material layer 23 are accommodated in a stainless steel casing 24 and a Teflon (registered trademark) casing 25 (F-type cell: manufactured by Hokuto Denko Corporation). The stainless steel casing 24 and the electrolyte layer 22 are partitioned by a nickel layer 26. Further, a negative electrode lead 27 was installed on the negative electrode active material layer 23 side, and an air electrode lead 28 was installed on the air electrode 21 side. The distance between the air electrode 21 and the negative electrode active material layer 23 was 2 cm.
The entire cell was placed in a glass desiccator (not shown) with a gas replacement cock. The glass desiccator is supplied with argon (partial pressure: 1 atm) from an argon tank (not shown).

［比較例１］
上記実施例１の空気極の作製工程において、カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５の代わりに、カーボン材料に担持したＲｕＳ_２を合成して使用したこと以外は、実施例１と同様に、比較例１のリチウム空気電池セルを製造した。 [Comparative Example 1]
In the air electrode fabrication process of Example 1 above, in the same manner as in Example 1 except that RuS ₂ supported on a carbon material was synthesized and used instead of Ru ₅ MoS ₅ supported on a carbon material. The lithium air battery cell of Example 1 was manufactured.

［比較例２］
上記実施例１の空気極の作製工程において、カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５の代わりに、カーボン材料に担持したＭｏＳ_２を合成して使用したこと以外は、実施例１と同様に、比較例２のリチウム空気電池セルを製造した。 [Comparative Example 2]
In the air electrode production process of Example 1 above, a comparison was made in the same manner as in Example 1 except that MoS ₂ supported on the carbon material was synthesized and used instead of Ru ₅ MoS ₅ supported on the carbon material. The lithium air battery cell of Example 2 was manufactured.

［比較例３］
上記実施例１の空気極の作製工程において、カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５の代わりに、カーボン材料に担持した硫黄を合成して使用したこと以外は、実施例１と同様に、比較例３のリチウム空気電池セルを製造した。 [Comparative Example 3]
Comparative Example as in Example 1 except that in the air electrode production process of Example 1 above, sulfur supported on the carbon material was synthesized and used instead of Ru ₅ MoS ₅ supported on the carbon material. Three lithium-air battery cells were produced.

［比較例４］
上記実施例１の空気極の作製工程において、カーボン材料に担持したＲｕ_５ＭｏＳ_５の代わりに、カーボン材料（三菱化学株式会社製）を使用したこと以外は、実施例１と同様に、比較例４のリチウム空気電池セルを製造した。 [Comparative Example 4]
In the air electrode fabrication process of Example 1, the same comparative example as in Example 1, except that a carbon material (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used instead of Ru ₅ MoS ₅ supported on the carbon material. Four lithium-air battery cells were produced.

３．リチウム空気電池セルの放電評価
上記実施例１及び比較例１〜４のリチウム空気電池について、放電評価を行った。評価方法の詳細は下記の通りである。
充放電試験機：（株）ナガノ社製充放電試験装置（商品番号：ＢＴＳ２００４Ｈ）
電流密度：０．０５ｍＡ／ｃｍ^２
放電終始電圧：２．０Ｖ
充電終始電圧：３．８Ｖ
測定温度：６０℃ 3. Discharge evaluation of lithium air battery cells Discharge evaluation was performed on the lithium air batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4. Details of the evaluation method are as follows.
Charge / discharge tester: Charge / discharge tester manufactured by Nagano Co., Ltd. (product number: BTS2004H)
Current density: 0.05 mA / cm ²
Discharge start voltage: 2.0V
Charge starting voltage: 3.8V
Measurement temperature: 60 ° C

図４は、上記実施例１及び比較例１〜４、並びに後述する比較例５のリチウム空気電池の放電曲線である。酸素雰囲気下における実施例１及び比較例１〜４のリチウム空気電池の電圧は、放電容量（比容量）が大きくなるにつれて、いずれもなだらかに減少した。一般に、空気極の空気極触媒にリチウムイオンが挿入されると、放電曲線にプラトー（停滞状態）が生じる。実施例１及び比較例１、３及び４の放電曲線にはプラトーが生じていたが、比較例２の放電曲線にはプラトーが生じていなかった。したがって、ＭｏＳ_２を含む空気極触媒の層構造には、リチウムイオンの挿入は起こらなかったと考えられる。
なお、図４中の比較例５の曲線は、上記実施例１及び比較例１〜４のリチウム空気電池にアルゴンを供給した際の各放電曲線が重なった曲線である。比較例５の曲線から分かるように、アルゴン雰囲気下では、各空気極触媒間で放電曲線に大きな差は見られず、また、放電容量（比容量）は小さいものであった。 FIG. 4 is a discharge curve of the lithium air battery of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 and Comparative Example 5 described later. The voltages of the lithium-air batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 under an oxygen atmosphere all decreased gradually as the discharge capacity (specific capacity) increased. Generally, when lithium ions are inserted into the air electrode catalyst of the air electrode, a plateau (stagnation state) occurs in the discharge curve. A plateau occurred in the discharge curves of Example 1 and Comparative Examples 1, 3 and 4, but no plateau occurred in the discharge curve of Comparative Example 2. Therefore, it is considered that lithium ions were not inserted into the layer structure of the air electrode catalyst containing MoS ₂ .
In addition, the curve of the comparative example 5 in FIG. 4 is a curve with which each discharge curve overlapped when argon was supplied to the lithium air battery of the said Example 1 and Comparative Examples 1-4. As can be seen from the curve of Comparative Example 5, there was no significant difference in the discharge curve between the air electrode catalysts in the argon atmosphere, and the discharge capacity (specific capacity) was small.

図５は、図４の放電曲線から読み取れる上記実施例１及び比較例１〜４のリチウム空気電池の放電開始電圧（図５（ａ））及び放電容量（図５（ｂ））をそれぞれ比較した棒グラフである。
図５（ａ）から分かるように、実施例１の放電開始電圧は２．８６Ｖである。この結果は、上述した４電子還元反応の電位である２．７Ｖを超えており、上述した２電子還元反応の電位である３．１Ｖに近い。一方、比較例１の放電開始電圧は２．８２５Ｖ、比較例２の放電開始電圧は２．８Ｖ、比較例３の放電開始電圧は２．７５Ｖであり、いずれも実施例１の放電開始電圧よりも低い。さらに、比較例４の放電開始電圧は２．５８Ｖであり、上述した４電子還元反応の電位である２．７Ｖにも満たない。
また、図５（ｂ）から分かるように、比較例１の放電容量は７８１ｍＡｈ／ｇ、比較例２の放電容量は４４８ｍＡｈ／ｇ、比較例３の放電容量は３４１ｍＡｈ／ｇであり、比較例４の放電容量は１６６ｍＡｈ／ｇであった。一方、実施例１の放電容量は８６０ｍＡｈ／ｇであり、実施例１及び比較例１〜４中、最も高い放電容量となった。
以上より、ルテニウム−モリブデン−硫黄化合物の一種であるＲｕ_５ＭｏＳ_５、及びカーボン材料を含有する空気極触媒用材料を空気極に使用したリチウム空気電池は、他の硫化物化合物等を空気極に使用したリチウム空気電池と比較して、高い放電開始電圧及び放電容量を有することが分かった。 FIG. 5 compares the discharge start voltage (FIG. 5 (a)) and discharge capacity (FIG. 5 (b)) of the lithium air batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 that can be read from the discharge curve of FIG. It is a bar graph.
As can be seen from FIG. 5A, the discharge start voltage of Example 1 is 2.86V. This result exceeds 2.7 V, which is the potential of the above-described 4-electron reduction reaction, and is close to 3.1 V, which is the potential of the above-described 2-electron reduction reaction. On the other hand, the discharge start voltage of Comparative Example 1 was 2.825 V, the discharge start voltage of Comparative Example 2 was 2.8 V, and the discharge start voltage of Comparative Example 3 was 2.75 V, both from the discharge start voltage of Example 1 Is also low. Furthermore, the discharge start voltage of Comparative Example 4 is 2.58 V, which is less than 2.7 V, which is the potential of the above-described four-electron reduction reaction.
5B, the discharge capacity of Comparative Example 1 is 781 mAh / g, the discharge capacity of Comparative Example 2 is 448 mAh / g, and the discharge capacity of Comparative Example 3 is 341 mAh / g. The discharge capacity was 166 mAh / g. On the other hand, the discharge capacity of Example 1 was 860 mAh / g, which was the highest discharge capacity in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4.
As described above, a lithium-air battery using Ru ₅ MoS ₅ , which is a kind of ruthenium-molybdenum-sulfur compound, and an air electrode catalyst material containing a carbon material for the air electrode, uses other sulfide compounds as the air electrode. It was found to have a higher discharge starting voltage and discharge capacity compared to the lithium air battery used.

１空気極触媒粒子
２炭素担体粒子
３硫黄を含む環状化合物の被膜
４アモルファスの硫黄からなる被膜
５ａルテニウム金属の単結晶
５ｂＲｕＳ_２の微結晶
１１電解質
１２空気極層
１３負極活物質層
１４空気極集電体
１５負極集電体
１６空気極
１７負極
２１空気極
２２電解質層
２３負極活物質層
２４ステンレス製筐体
２５テフロン（登録商標）製筐体
２６ニッケル層
２７負極リード
２８空気極リード
１００リチウム空気電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air electrode catalyst particle 2 Carbon carrier particle 3 Sulfur-containing cyclic compound coating 4 Amorphous sulfur coating 5a Ruthenium metal single crystal 5b RuS ₂ microcrystal 11 Electrolyte 12 Air electrode layer 13 Negative electrode active material layer 14 Air electrode Current collector 15 Negative electrode current collector 16 Air electrode 17 Negative electrode 21 Air electrode 22 Electrolyte layer 23 Negative electrode active material layer 24 Stainless steel case 25 Teflon (registered trademark) case 26 Nickel layer 27 Negative electrode lead 28 Air electrode lead 100 Lithium Air battery

Claims

An air electrode containing a sulfide material having a composition represented by the following formula (1) and an air electrode catalyst material containing a carbon material, and
A lithium- air battery comprising a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and a non-aqueous solvent .
Ru _x Mo _y S _z formula (1)
(In the above formula (1), 3 ≦ x ≦ 7, 0 <y ≦ 2, 3 ≦ z ≦ 7.)