JP5691875B2 - Water-based lithium-air secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は水系リチウム−空気二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous lithium-air secondary battery.

従来技術によれば、非水系Li-空気二次電池において、電解液にポリアクリロニトリル(PAN):エチレンカーボネイト(EC):プロピレンカーボネイト(PC):LiPF6 = 12:40:40:8(mass%)系高分子ゲル電解液を用いたものが知られている。更に、電解質として、疎水性常温溶融塩を用いた非水系Li-空気二次電池が知られている。更に、電解質として、プロピレンカーボネイト(PC)を用いた非水系Li-空気二次電池も知られている。 According to the prior art, in a non-aqueous Li-air secondary battery, the electrolyte is polyacrylonitrile (PAN): ethylene carbonate (EC): propylene carbonate (PC): LiPF 6 = 12: 40: 40: 8 (mass% ) Based polymer electrolytes are known. Furthermore, a non-aqueous Li-air secondary battery using a hydrophobic room temperature molten salt as an electrolyte is known. Furthermore, a non-aqueous Li-air secondary battery using propylene carbonate (PC) as an electrolyte is also known.

特許文献1には、金属リチウム負極に隣接して、電解液の間に、Li1-x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2-x(PO4)3の組成よりなるNASICON型の結晶構造をもつ水遮断性の高リチウムイオン伝導性をもつガラスセラミックス層(LATP)と、ガラスセラミックス層(LATP)と金属リチウムとの反応を防止する為にリチウムリン酸窒化物(LiPON)等の反応防止層からなるリチウム保護膜を備えることにより、リチウムイオンの出入りを確保しつつ、水と金属リチウムとを分離し、水溶液系電解液の利用を可能にした水系Li-空気二次電池が開示されている。 Patent Document 1 discloses a composition of Li 1-x (M, Al, Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2−x (PO 4 ) 3 adjacent to a metal lithium negative electrode and between electrolytes. Glass ceramic layer (LATP) with NASICON-type crystal structure and water-blocking high lithium ion conductivity, and lithium phosphorous oxynitride to prevent reaction between glass ceramic layer (LATP) and metallic lithium Water-based Li-air that has a lithium protective film made of a reaction-preventing layer such as (LiPON), which separates water and metallic lithium while ensuring the entry and exit of lithium ions, making it possible to use aqueous electrolytes A secondary battery is disclosed.

非特許文献1には、水系Li-空気二次電池において、ガラスセラミックス層(LATP)と金属リチウムとの反応を防止する為に、PEO系のポリマー固体電解質を使用する技術が開示されている。非特許文献2には、水系Li-空気二次電池において、ガラスセラミックス層(LATP)の腐食を防止する為に、酢酸-酢酸リチウムの弱酸緩衝溶液を電解液とする技術が開示されている。非特許文献3には、水系Li-空気二次電池において、ガラスセラミックス層(LATP)の腐食を防止する為に、陽イオン交換膜を水系電解液中に挿入する技術が開示されている。非特許文献4には、水系Li-空気二次電池において、放電生成物であるLiOHがガラスセラミックス層(LATP)上に付着するのを防止する為に、ガラスセラミックス層(LATP)上に陽イオン交換膜を配置する技術が開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a technique of using a PEO-based polymer solid electrolyte in order to prevent a reaction between a glass ceramic layer (LATP) and metallic lithium in an aqueous Li-air secondary battery. Non-Patent Document 2 discloses a technique in which a weak acid buffer solution of acetic acid-lithium acetate is used as an electrolyte in order to prevent corrosion of a glass ceramic layer (LATP) in an aqueous Li-air secondary battery. Non-Patent Document 3 discloses a technique of inserting a cation exchange membrane into an aqueous electrolyte solution in order to prevent corrosion of the glass ceramic layer (LATP) in an aqueous Li-air secondary battery. Non-Patent Document 4 describes that in a water-based Li-air secondary battery, in order to prevent LiOH as a discharge product from adhering to the glass ceramic layer (LATP), a cation is formed on the glass ceramic layer (LATP). A technique for arranging an exchange membrane is disclosed.

特表2007-513464Special table 2007-513464

Tao Zhang et al., "Li/Polymer Electrolyte/Water Stable Lithium-Conducting Glass Ceramics Composite for Lithium--Air Secondary Batteries with an Aqueous Electrolyte", J. Electrochem. Soc., vol. 155(12), pA965-A969(2008)Tao Zhang et al., "Li / Polymer Electrolyte / Water Stable Lithium-Conducting Glass Ceramics Composite for Lithium--Air Secondary Batteries with an Aqueous Electrolyte", J. Electrochem. Soc., Vol. 155 (12), pA965-A969 (2008) Tao Zhang et al., "A novel high energy density Rechargeable Lithium/Air Battery", Chem. Commun., vol. 46, p1661-1663(2010)Tao Zhang et al., "A novel high energy density Rechargeable Lithium / Air Battery", Chem. Commun., Vol. 46, p1661-1663 (2010) 何平ら, "ポストリチウムイオン電池4 イオン交換膜を添加したリチウム-空気燃料電池", 第51回電池討論会,3B16(2010)What is Flat, "Post Lithium Ion Battery 4 Lithium-Air Fuel Cell with Ion Exchange Membrane", 51st Battery Conference, 3B16 (2010) Philippe Stevens et Al., "Development of an Aqueous, Rechargeable Lithium -Air Battery Operating with Untreated Air", 217th ECS Meeting, B12, ABS #746(2010)Philippe Stevens et Al., "Development of an Aqueous, Rechargeable Lithium -Air Battery Operating with Untreated Air", 217th ECS Meeting, B12, ABS # 746 (2010)

Li-空気二次電池は、理論的に非常に高いエネルギー密度を有する。Li-空気二次電池は、基本的には、図1に示したように、Li金属を有する負極と、空気中の酸素を利用する為のガス拡散電極で形成された正極と、正極と負極との間に介在する電解液とを備えるセル構造を有する。ここでLi-空気二次電池は、電解液として有機溶媒やイオン液体等の非水溶媒系の電解液を用いる非水系のLi-空気二次電池(図1参照)と、電解液としてHCl、LiCl、LiOHという水溶液系電解液を用いる水系のLi-空気二次電池(図2参照)との2種類がある。ここで、非水系のLi-空気二次電池の放電生成物であるリチウム酸化物(Li2O 又はLi2O2又はその両方)は、非水系電解液中に不溶な為、正極として用いられるガス拡散電極の細孔中に析出し、その細孔を封止すると言う問題点がある。 Li-air secondary batteries theoretically have a very high energy density. As shown in FIG. 1, a Li-air secondary battery basically includes a negative electrode having Li metal, a positive electrode formed of a gas diffusion electrode for utilizing oxygen in the air, and a positive electrode and a negative electrode. And a cell structure including an electrolytic solution interposed therebetween. Here, the Li-air secondary battery includes a non-aqueous Li-air secondary battery (see FIG. 1) using a non-aqueous solvent electrolyte such as an organic solvent or an ionic liquid as an electrolyte, and HCl, There are two types: an aqueous Li-air secondary battery (see FIG. 2) using an aqueous electrolyte solution of LiCl and LiOH. Here, lithium oxide (Li 2 O and / or Li 2 O 2 or both), which is a discharge product of a non-aqueous Li-air secondary battery, is used as a positive electrode because it is insoluble in the non-aqueous electrolyte. There is a problem that it deposits in the pores of the gas diffusion electrode and seals the pores.

これに対して、水系のLi-空気二次電池では、これの放電生成物は、水酸化リチウム(LiOH)であり、LiOHは電解液の成分である水に溶解するため、非水系の場合のように、ガス拡散電極の細孔を封止する問題は軽減される。更に、水系の電解液を用いることで、非水系のLi-空気二次電池と比較して、正極における酸素の電極反応速度を非常に速くできる為、充放電の過電圧を低減できる利点が得られる。更に、多量の塩を電解液に溶解できるので、水系電解液のイオン導電率を高くでき、更に、不燃性である等といった多くの利点を有する。しかしながら水系のLi-空気二次電池では、負極に用いるLi金属が水と激しく反応する為に、水系の電解液を負極のLi金属と直接接触させることができないと言う問題点がある。これを解決する為に、特許文献1に示されるように、水遮断性のリチウムイオン伝導性をもつ固体電解質を反応防止層として用い、Li金属で形成されている負極を保護する技術が開発されている(図2参照)。Li金属を備える負極を保護する為のリチウムイオン導電性をもつ固体電解質の特性として、水の遮断性と、高いLiイオン伝導性とを両立させることが好ましい。しかし、現状では、このような特性を満足する固体電解質の候補は、非常に少ない。   In contrast, in an aqueous Li-air secondary battery, the discharge product is lithium hydroxide (LiOH), and LiOH dissolves in water, which is a component of the electrolyte. As such, the problem of sealing the pores of the gas diffusion electrode is reduced. Furthermore, by using an aqueous electrolyte, the electrode reaction rate of oxygen at the positive electrode can be made very fast compared to a non-aqueous Li-air secondary battery, so that there is an advantage that the charge / discharge overvoltage can be reduced. . Furthermore, since a large amount of salt can be dissolved in the electrolytic solution, the ionic conductivity of the aqueous electrolytic solution can be increased, and further, there are many advantages such as nonflammability. However, an aqueous Li-air secondary battery has a problem in that the Li metal used for the negative electrode reacts violently with water, so that the aqueous electrolyte cannot be brought into direct contact with the Li metal of the negative electrode. In order to solve this problem, as disclosed in Patent Document 1, a technology for protecting a negative electrode formed of Li metal using a solid electrolyte having water blocking lithium ion conductivity as a reaction preventing layer has been developed. (See FIG. 2). As a characteristic of the solid electrolyte having lithium ion conductivity for protecting the negative electrode including Li metal, it is preferable to satisfy both the water blocking property and the high Li ion conductivity. However, at present, there are very few candidates for solid electrolytes that satisfy such characteristics.

その中で、近年、NASICON型の結晶構造をもつLiおよびM(M=Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)を主要成分として含むリチウムイオン伝導性材料で形成されたガラスセラミックス層は、イオン伝導率が高く、水に対する遮断性が高いと言う優れた特性を有する。代表的なガラスセラミックス層としては、Li1-xMx(Ge1-yTiy)2-x(PO4)3の組成よりなるLATPが挙げられる。上記した優れた特性が得られるため、これまで報告されている水系のLi-空気電池では、そのガラスセラミックス層が、負極のLi金属を保護する保護部として主に用いられている。しかしながら、ガラスセラミックス層をLi金属と直接的に接触させると、ガラスセラミックス層の構成成分であるチタンが還元されることがあるので、図2に示したように、Li金属の負極とガラスセラミックス層との間に、リチウムリン酸窒化物(LiPON,非特許文献1)やポリマー固体電解質(非特許文献2)、有機系電解液(非特許文献3)等の反応防止層が設けられていることが好ましい。 Among them, recently, Li and M (M = at least one of Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) having a NASICON type crystal structure are included as main components. A glass ceramic layer formed of a lithium ion conductive material has excellent characteristics such as high ion conductivity and high barrier property against water. A typical glass ceramic layer includes LATP having a composition of Li 1-x M x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 . Since the above-described excellent characteristics can be obtained, in the water-based Li-air battery reported so far, the glass ceramic layer is mainly used as a protective part for protecting Li metal of the negative electrode. However, when the glass ceramic layer is brought into direct contact with the Li metal, titanium, which is a constituent component of the glass ceramic layer, may be reduced. Therefore, as shown in FIG. And a reaction prevention layer such as lithium phosphate oxynitride (LiPON, Non-Patent Document 1), polymer solid electrolyte (Non-Patent Document 2), organic electrolyte (Non-Patent Document 3), etc. Is preferred.

ところで、水系Li-空気二次電池においては、負極及び正極では、以下の電極反応により、電池反応が進行する。
負極:Li ⇔ Li + e- (反応式1)
正極:1/4 O2 + 1/2 H2O + Li + e- ⇔ LiOH (反応式2)
全体: Li + 1/4 O2 + 1/2 H2O ⇔ LiOH (反応式3)
上記した反応式2,3から見て判るように、水系-Li空気電池の放電生成物は、LiOHであり、水系電解液中に溶解して貯蔵される。その際、放電反応の進行と共に、電解液のLiOH濃度は高くなり、アルカリ側に次第にシフトして行く。更に電池の放電反応が進行し、LiOHの飽和溶解度(文献によれば、100mLの水(@25℃)に対して12.54g溶解)を超えると、LiOHの沈殿が起こり、沈殿物としてセル内に貯蔵される。
By the way, in the water-based Li-air secondary battery, the battery reaction proceeds by the following electrode reaction in the negative electrode and the positive electrode.
Anode: Li ⇔ Li + + e - ( Scheme 1)
Positive electrode: 1/4 O 2 + 1/2 H 2 O + Li + + e - ⇔ LiOH (Reaction formula 2)
Overall: Li + 1/4 O 2 + 1/2 H 2 O ⇔ LiOH (Scheme 3)
As can be seen from the above reaction formulas 2 and 3, the discharge product of the aqueous Li-air battery is LiOH, which is dissolved and stored in the aqueous electrolyte. At that time, as the discharge reaction progresses, the LiOH concentration of the electrolytic solution increases and gradually shifts to the alkali side. When the discharge reaction of the battery further progresses and exceeds the saturation solubility of LiOH (according to literature, 12.54 g dissolved in 100 mL of water (@ 25 ° C.)), LiOH precipitation occurs, and as a precipitate, it enters the cell. Stored.

一方、負極であるLi金属を保護する目的で使用するガラスセラミックス層(代表例:LATP)は、1M LiNO3や1M LiClといった中性溶液中では、安定なものの、強酸溶液(0.1M HCl)や、強アルカリ溶液(例えば1M LiOH(100mLの水に対して約2.4 gのLiOHが溶解)中では、不安定であることが示唆されている(参考文献1:Satoshi Hasegawa et Al., "Study on Lithium/Air secondary batteries stability of NASICON-type lithium ion conducting glass ceramics with water", JournAl of Power Sources, vol. 189(1), p371-377(2009))。その為、上記した水遮断性をイオン伝導性ガラスセラミックス層(LATP)の安定性は必ずしも充分ではない。 On the other hand, the glass-ceramic layer (typical example: LATP) used for the purpose of protecting Li metal, which is the negative electrode, is stable in neutral solutions such as 1M LiNO 3 and 1M LiCl, but strong acid solution (0.1M HCl) In a strong alkaline solution (for example, 1M LiOH (about 2.4 g of LiOH dissolved in 100 mL of water) is suggested to be unstable (Reference 1: Satoshi Hasegawa et Al., “Study on Lithium / Air secondary batteries stability of NASICON-type lithium ion conducting glass ceramics with water ", Journ of Power Sources, vol. 189 (1), p371-377 (2009)). The stability of the porous glass ceramic layer (LATP) is not always sufficient.

その問題を回避する為に、非特許文献2に示されるように、酢酸電解液を用いる技術が提案されている。この場合、電解液中に酢酸を添加することにより、反応式3で示されたような電池全体の反応として、
全体: Li + CH3COOH + 1/4 O2 ⇔ CH3COOLi + 1/2 H2O (反応式4)
となり、電解液として使用する酢酸は、
CH3COOH ⇔ CH3COO- + H+ (反応式5)
の平衡反応により、緩衝溶液として働くことで、電解液のpHを常に弱酸環境に保持し、ガラスセラミックス層(LATP)の腐食を防止することが可能となる。しかしながらこの場合、反応式4に示されるように電池反応には、電池反応に寄与するLiと等量モルの酢酸が必要であり、その分、エネルギー密度を引き下げると言う問題点がある。
In order to avoid the problem, as shown in Non-Patent Document 2, a technique using an acetic acid electrolytic solution has been proposed. In this case, by adding acetic acid to the electrolytic solution, as a reaction of the whole battery as shown in the reaction formula 3,
Overall: Li + CH 3 COOH + 1/4 O 2 ⇔ CH 3 COOLi + 1/2 H 2 O (Scheme 4)
The acetic acid used as the electrolyte is
CH 3 COOH ⇔ CH 3 COO - + H + ( Scheme 5)
By acting as a buffer solution by this equilibrium reaction, it is possible to always maintain the pH of the electrolyte in a weak acid environment and prevent corrosion of the glass ceramic layer (LATP). However, in this case, as shown in the reaction formula 4, the battery reaction requires an equimolar amount of acetic acid equivalent to Li that contributes to the battery reaction, and there is a problem that the energy density is lowered accordingly.

その他の対策技術として、陽イオン交換膜をガラスセラミックス層(LATP)の保護膜として用いる技術(非特許文献3,4)が知られている。この技術は、図3に示したように、水系電解液中(非特許文献3)、若しくは、イオン伝導性ガラスセラミックス層の表面(非特許文献4)に陽イオン交換膜を設置し、OH-イオンのLATP表面への攻撃防止(非特許文献3)や、放電生成物であるLiOHの析出物をLATP表面に付着させないこと(非特許文献4)を目的とした技術である。しかしこれらの従来技術によれば、イオン伝導性ガラスセラミックス層におけるアルカリ腐食を抑制させるのには限界がある。 As another countermeasure technique, techniques (Non-patent Documents 3 and 4) using a cation exchange membrane as a protective film for a glass ceramic layer (LATP) are known. In this technique, as shown in FIG. 3, a cation exchange membrane is installed in an aqueous electrolyte (Non-patent Document 3) or on the surface of an ion-conductive glass ceramic layer (Non-patent Document 4), and OH This is a technique aimed at preventing attacks of ions on the LATP surface (Non-patent Document 3) and preventing deposits of LiOH as discharge products from adhering to the LATP surface (Non-Patent Document 4). However, according to these conventional techniques, there is a limit in suppressing alkali corrosion in the ion conductive glass ceramic layer.

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、水遮断性およびリチウムイオン伝導性を有すると共にLiおよびM(M=Al,Ga,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)を主要成分として含むリチウムイオン伝導材料を母材とするイオン伝導性ガラスセラミックス層におけるアルカリ腐食を抑制させ、イオン伝導性ガラスセラミックス層の安定性および耐久性を高めるのに有利な水系リチウム−空気二次電池を提供するにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has water barrier properties and lithium ion conductivity, and Li and M (M = Al, Ga, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Stability and durability of ion-conductive glass ceramic layers by suppressing alkali corrosion in ion-conductive glass ceramic layers based on lithium ion conductive materials containing at least one of Er, Tm, and Yb as main components It is an object of the present invention to provide a water-based lithium-air secondary battery that is advantageous for enhancing the performance.

(1)本発明者は上記した課題のもとに水系リチウム−空気二次電池について鋭意開発を進めている。そして、図3に示すように、金属リチウムを有する負極と、空気が供給される正極と、負極と正極との間において負極側から正極側に向けて、水遮断性およびリチウムイオン伝導性を有すると共にLiおよびM(M=Al,Ga,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)を主要成分として含むリチウムイオン伝導材料で形成されたガラスセラミックス層と、第1水系電解液を備えるA部と、陽イオン交換膜と、第2水系電解液を備えるB部とをこの順に具備する水系リチウム−空気二次電池について本出願人等は開発を進めている。これは、負に帯電した陽イオン交換膜が静電反発により、正極の電極反応で生成したOH-イオンがB部からA部へ透過することを抑え、ガラスセラミックス層の表面がアルカリ性溶液に曝されないようにすることを狙った技術である。しかしながら、後述の本発明者の詳細な実験結果で説明するように、実際には、図6に示すように、陽イオン交換膜で隔たれた正極側のB部における水系電解液のLi+イオン濃度が上昇すると、陽イオン交換膜で隔たれたガラスセラミックス層側のA部の水系電解液におけるプロトンが陽イオン交換膜を介してイオン交換し、結果として、B部のLiイオンがA部に移動し、A部に残されたOH-イオンによりLiOHが形成され、A部の電解液が強アルカリ性となり、ガラスセラミックス層のアルカリ腐食が発生するおそれがある。本発明はこれに対処する。 (1) The present inventor has been diligently developing a water based lithium-air secondary battery based on the above-described problems. And as shown in FIG. 3, it has water barrier property and lithium ion conductivity from the negative electrode side to the positive electrode side between the negative electrode having metallic lithium, the positive electrode supplied with air, and the negative electrode and the positive electrode. And Li and M (M = Al, Ga, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) as a main component. Regarding the aqueous lithium-air secondary battery including the glass ceramic layer, the part A provided with the first aqueous electrolyte, the cation exchange membrane, and the part B provided with the second aqueous electrolyte, the present applicants Development is in progress. This is because the negatively charged cation exchange membrane suppresses the permeation of OH - ions generated by the electrode reaction of the positive electrode from the B part to the A part due to electrostatic repulsion, and the surface of the glass ceramic layer is exposed to an alkaline solution. It is a technology that aims to prevent this from happening. However, as will be described in the detailed experimental results of the present inventor described later, actually, as shown in FIG. 6, the Li + ion concentration of the aqueous electrolyte in the B part on the positive electrode side separated by the cation exchange membrane. Rises, the protons in the aqueous electrolyte on the glass ceramic layer side separated by the cation exchange membrane undergo ion exchange through the cation exchange membrane, and as a result, the Li ions in the B portion move to the A portion. Then, LiOH is formed by OH - ions left in the A part, and the electrolyte solution in the A part becomes strongly alkaline, which may cause alkali corrosion of the glass ceramic layer. The present invention addresses this.

すなわち、本発明の様相1に係る水系リチウム−空気二次電池は、金属リチウムを有する負極と、空気が供給される正極と、水遮断性およびリチウムイオン伝導性を有すると共にLiおよびM(M=Al,Ga、Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)を主要成分として含むリチウムイオン伝導材料で形成されたガラスセラミックス層と、第1水系電解液(以下、第1電解液ともいう)を備えるA部と、陽イオン交換膜と、第2水系電解液(以下、第1電解液ともいう)を備えるB部とをこの順に具備しており、A部の第1水系電解液は、中性域のリチウム塩を含有してpH12以下、pH4以上の範囲に設定されており、B部の第2水系電解液はアルカリ性で、且つ、A部の第1水系電解液のリチウムイオン濃度≧B部の第2水系電解液のリチウムイオン濃度であることを特徴とする。 That is, the water based lithium-air secondary battery according to aspect 1 of the present invention has a negative electrode having metallic lithium, a positive electrode to which air is supplied, water blocking property and lithium ion conductivity, and Li and M (M = A glass ceramic layer formed of a lithium ion conductive material containing at least one of Al, Ga, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb as a main component; A part provided with an aqueous electrolyte (hereinafter also referred to as a first electrolyte), a B part provided with a cation exchange membrane and a second aqueous electrolyte (hereinafter also referred to as a first electrolyte) in this order. The first aqueous electrolyte solution of Part A contains a neutral lithium salt and is set to a pH of 12 or less and a pH of 4 or more, and the second aqueous electrolyte solution of Part B is alkaline, and Lithium ion concentration in part A of the first aqueous electrolyte ≧ lithium ion concentration in part B of the second aqueous electrolyte And characterized in that.

本発明の様相1に係る水系Li-空気二次電池によれば、水遮断性の高リチウムイオン伝導性をもつガラスセラミック層を、Li金属負極を保護する保護層として用いる。本様相によれば、放電生成物であるLiOHを水系電解液中へ溶解、沈殿させ、貯蔵出来る利点が得られる。しかしながら、ガラスセラミックス層は強いアルカリ液に接触れると、アルカリ腐食を引き起こすおそれがあるため、電解液中のLiOHの濃度をあまり高く出来ないと言う事情がある。   According to the water-based Li-air secondary battery according to aspect 1 of the present invention, a glass-ceramic layer having a water barrier property and high lithium ion conductivity is used as a protective layer for protecting the Li metal negative electrode. According to this aspect, it is possible to obtain an advantage that LiOH as a discharge product can be dissolved, precipitated and stored in an aqueous electrolyte. However, since the glass ceramic layer may cause alkali corrosion when it comes into contact with a strong alkaline solution, there is a situation that the concentration of LiOH in the electrolytic solution cannot be so high.

そこで本発明の様相1によれば、負極と正極との間に介在する水系の電解液部を陽イオン交換膜によりA部とB部とに分離している。これにより正極の放電反応によりB部において生成したOH-イオンがA部に透過することを抑制する。このためA部の第1電解液が強アルカリになることが抑えられる。よって、アルカリに対して安定性が必ずしも充分ではないガラスセラミックス層の表面のアルカリ腐食を抑制させることができる。即ち、負に帯電した陽イオン交換膜が静電反発により、正極の電極反応で生成したOH-イオンがB部からA部へ透過することを抑え、A部の第1水系電解液中のLiOHの濃度が抑えられ、ひいてはガラスセラミックス層の表面がアルカリ性溶液に曝されないようにできる。ガラスセラミックス層の表面の安定性および耐久性が向上する。 Therefore, according to the aspect 1 of the present invention, the aqueous electrolyte portion interposed between the negative electrode and the positive electrode is separated into the A portion and the B portion by the cation exchange membrane. This suppresses permeation of OH ions generated in the B part by the discharge reaction of the positive electrode to the A part. For this reason, it is suppressed that the 1st electrolyte solution of A part becomes a strong alkali. Therefore, it is possible to suppress alkali corrosion on the surface of the glass ceramic layer, which is not necessarily sufficiently stable against alkali. That is, the negatively charged cation exchange membrane suppresses permeation of OH ions generated by the electrode reaction of the positive electrode from the B part to the A part due to electrostatic repulsion, and the LiOH in the first aqueous electrolyte solution of the A part. Therefore, the surface of the glass ceramic layer can be prevented from being exposed to the alkaline solution. The surface stability and durability of the glass ceramic layer are improved.

さらに本様相によれば、水系電解液中に陽イオン交換膜を設置してA部およびB部は分離されている。この場合、電池の放電反応において負極側のA部で生成したLi+イオンは、陽イオン交換膜を通過して、B部へ移動可能である。しかし、正極の放電反応で生成したB部の第2電解液におけるOH-イオンは、陽イオン交換膜の静電反発により、B部からA部へ移動することが制限され、B部の第2電解液におけるLiOH濃度が次第に増加する。このようにB部の第2電解液におけるLiOH濃度が次第に高くなってアルカリが強くなると、B部の第2電解液におけるLi+イオンとA部の第1水系電解液におけるH+イオンが、陽イオン交換膜を介してイオン交換し、それぞれ反対側の槽に等量移動することが考えられる(図6参照)。このためB部側では、酸性の要因となるH+イオンによるアルカリの中和反応が生じる。これに対して、A部の第1電解液側では、Li+イオン濃度が増加し、A部に残留するOH-イオンにより、LiOH濃度増加し、結果として、A部の電解液は強アルカリ性(pH値13以上)に変化し、ガラスセラミックス層の安定性が低下するものと考えられる。そこで本様相によれば、この現象を回避する為に、A部の第1電解液には中性域のLi塩が予め溶解されており、A部の第1電解液のLi + イオン濃度≧B部の第2電解液のLi + イオン濃度とされており、A部の第1電解液のpH値は4以上、12以下の範囲内の中性域付近とされている。A部の第1電解液のpH値は4以上、5以上、6以上にできる。更にpH値は11以下、10以下、9以下にできる。 Furthermore, according to this aspect, the A part and the B part are separated by installing a cation exchange membrane in the aqueous electrolyte. In this case, Li + ions generated in the A part on the negative electrode side in the discharge reaction of the battery can pass through the cation exchange membrane and move to the B part. However, OH ions in the second electrolyte solution of the B part generated by the discharge reaction of the positive electrode are restricted from moving from the B part to the A part due to electrostatic repulsion of the cation exchange membrane, and the second B part of the B part. The LiOH concentration in the electrolyte gradually increases. Thus, when the LiOH concentration in the second electrolyte solution of part B gradually increases and the alkali becomes stronger, the Li + ions in the second electrolyte solution of part B and the H + ions in the first aqueous electrolyte solution of part A become positive. It is conceivable that the ions are exchanged through the ion exchange membrane and moved to the opposite tanks by an equal amount (see FIG. 6). For this reason, the neutralization reaction of the alkali by H <+> ion which becomes an acidic factor arises in the B part side. In contrast, on the first electrolyte side of part A, the Li + ion concentration increases, and the OH - ions remaining in part A increase the LiOH concentration. As a result, the electrolyte in part A is strongly alkaline ( It is considered that the stability of the glass ceramic layer is lowered by changing to a pH value of 13 or more. Therefore, according to this aspect, in order to avoid this phenomenon, the Li electrolyte in the neutral region is preliminarily dissolved in the first electrolyte solution of the A part, and the Li + ion concentration of the first electrolyte solution of the A part ≧ The Li + ion concentration of the second electrolytic solution in part B is set , and the pH value of the first electrolytic solution in part A is in the vicinity of the neutral region in the range of 4 or more and 12 or less. The pH value of the first electrolyte solution of part A can be 4 or more, 5 or more, 6 or more. Further, the pH value can be 11 or less, 10 or less, or 9 or less.

A部の第1電解液のLi + イオン濃度≧B部の第2電解液のLi + イオン濃度とされているため、B部の第2水系電解液からA部の第1水系電解液へのLi+の移動が抑制される。このためA部の第1電解液におけるLiOH濃度が高くなることが抑制され、ひいてはA部の第1電解液が強アルカリになることが抑制される。従ってガラスセラミックス層の安定性および耐久性が確保される。
B部の第2水系電解液はアルカリ性とされている。Li + イオン濃度をA部>B部の関係となる場合、Li + イオンの濃度勾配により、Li + イオン濃度が高いA部から、Li + イオン濃度が低いB部側にLi + イオンが移動するおそれが考えられる。しかしながら、B部の第2電解液をアルカリ性に維持しておけば、B部の第2電解液のH + 濃度が低下しており、ひいてはA部のLi + イオンとB部のH + イオンとのイオン交換が制限される。この場合、Li + イオン濃度が高いA部からB部へのLi + イオンの移動は制限されると考えられる。
Since there is a Li + ion concentration of the second electrolyte Li + ion concentration ≧ B portion of the first electrolytic solution of Part A, from the second aqueous electrolytic solution of the Part B of the first aqueous electrolytic solution A portion Li + movement is suppressed. For this reason, it is suppressed that the LiOH density | concentration in the 1st electrolyte solution of A part becomes high, and also that the 1st electrolyte solution of A part becomes a strong alkali. Therefore, the stability and durability of the glass ceramic layer is ensured.
The second aqueous electrolyte in part B is alkaline. If the Li + ion concentration a relationship of A portion> B part, by the concentration gradient of Li + ions from Li + ion concentration is high A part, Li + ions move to the Li + ion concentration is low B side There is a fear. However, if the second electrolyte solution of part B is kept alkaline, the H + concentration of the second electrolyte solution of part B decreases, and as a result, Li + ions in part A and H + ions in part B Ion exchange is limited. In this case, it is considered that the movement of Li + ions from the A part to the B part having a high Li + ion concentration is limited.

(2)本発明の様相2に係る水系リチウム−空気二次電池によれば、上記様相において、リチウムイオン伝導材料(リチウムイオン伝導層)の母材は、Li1-xMx(Ge1-yTiy)2-x(PO4)(x=0〜0.8、y=0〜1.0)の組成式を有する。このようなガラスセラミックス層はLATPとも称される。M=Al,Ga,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種を意味する。Li1-xMx(Ge1-yTiy)2-x(PO4)が挙げられる。xは0〜0.8の範囲、特に0.1〜0.7の範囲が好ましい。yは0〜1.0の範囲、特に0.1〜0.9の範囲が好ましい。Li1.35Ti1.75Al0.25P0.9Si0.1O12,が例示される。リチウムイオン伝導層は、NASICON型の結晶構造を有する水遮断性の高リチウムイオン伝導性をもつ母材(LATP)で形成されていることが好ましい。 (2) According to the water based lithium-air secondary battery according to aspect 2 of the present invention, in the above aspect, the base material of the lithium ion conductive material (lithium ion conductive layer) is Li 1-x M x (Ge 1- having y Ti y) 2-x ( PO 4) 3 (x = 0~0.8, y = 0~1.0) composition formula. Such a glass ceramic layer is also called LATP. M = At least one of Al, Ga, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. Li 1-x M x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 x is preferably in the range of 0 to 0.8, particularly preferably in the range of 0.1 to 0.7. y is preferably in the range of 0 to 1.0, particularly preferably in the range of 0.1 to 0.9. Li 1.35 Ti 1.75 Al 0.25 P 0.9 Si 0.1 O 12 is exemplified. The lithium ion conductive layer is preferably formed of a base material (LATP) having a NASICON type crystal structure and having a water blocking property and high lithium ion conductivity.

このガラスセラミックス層では、ガラス相がセラミックス粒子の粒界を埋めている。このようなイオン伝導性ガラスセラミックス層は、酸化物無機固体電解質である。厚み方向のイオン伝導性としては1×10−5S/cm(25℃)以上、1×10−4S/cm(25℃)以上、1×10−3S/cm(25℃)以上にできる。中性域のリチウム塩のpHとしては4〜10が例示される。イオン伝導性ガラスセラミックス層の厚みは10〜1,000μmが好ましい。 In this glass ceramic layer, the glass phase fills the grain boundaries of the ceramic particles. Such an ion conductive glass ceramic layer is an oxide inorganic solid electrolyte. The ion conductivity in the thickness direction is 1 × 10 −5 S / cm (25 ° C.) or more, 1 × 10 −4 S / cm (25 ° C.) or more, and 1 × 10 −3 S / cm (25 ° C.) or more. it can. Examples of the pH of the neutral range lithium salt include 4 to 10. The thickness of the ion conductive glass ceramic layer is preferably 10 to 1,000 μm.

(3)本発明の様相3に係る水系リチウム−空気二次電池によれば、上記した様相において、リチウム塩は、LiCl、LiBr、LiI、LiNO3のうちの少なくとも1種であることを特徴とする。A部の第1水系電解液のpH値を4〜12の範囲内の中性域付近とするのに有利である。 (3) According to the water based lithium-air secondary battery according to aspect 3 of the present invention, the lithium salt is at least one of LiCl, LiBr, LiI, and LiNO 3 in the above aspect. To do. It is advantageous to make the pH value of the first aqueous electrolyte solution of Part A near the neutral range within the range of 4-12.

(4)本発明の様相4に係る水系リチウム−空気二次電池によれば、上記様相において、負極とガラスセラミックス層との間に反応防止層が設けられていることを特徴とする。上記したガラスセラミックス層と、Li金属を備える負極と直接接触させると、リチウムが還元力が強いため、ガラスセラミックス層に影響を与えるおそれがある。具体的に、ガラスセラミックス層の構成成分であるチタンが還元されるおそれがある。そこで、Li金属を備える負極とガラスセラミックス層との間に、反応防止層が介在されている。反応防止層はリチウムイオン伝導性をもち、金属リチウムに対して安定なものが好ましい。反応防止層は、リチウムリン酸窒化物(LiPON,組成式:Li3-xPO4-yNy)、ポリマー固体電解質、有機系電解液等が挙げられる。ポリマー固体電解質としては、ポリエチレンオキサイドにビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム塩を含有させたものが挙げられる。有機系電解液の溶媒としてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等が挙げられる。 (4) The aqueous lithium-air secondary battery according to aspect 4 of the present invention is characterized in that in the above aspect, a reaction preventing layer is provided between the negative electrode and the glass ceramic layer. When the glass ceramic layer described above is brought into direct contact with the negative electrode including Li metal, lithium has a strong reducing power and may affect the glass ceramic layer. Specifically, titanium which is a constituent component of the glass ceramic layer may be reduced. Therefore, a reaction preventing layer is interposed between the negative electrode including Li metal and the glass ceramic layer. The reaction preventing layer has lithium ion conductivity and is preferably stable to metallic lithium. The reaction preventing layer of lithium phosphate oxynitride (LiPON, the composition formula: Li 3-x PO 4- y N y), a polymer solid electrolyte, organic electrolyte, and the like. Examples of the polymer solid electrolyte include polyethylene oxide containing bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium salt. Examples of the solvent for the organic electrolyte include ethylene carbonate and propylene carbonate.

本発明に係る水系Li-空気二次電池によれば、水遮断性の高リチウムイオン伝導性をもつガラスセラミックス層をLi金属負極の保護部として用いるため、負極が保護される。   According to the water-based Li-air secondary battery of the present invention, the negative electrode is protected because the glass-ceramic layer having high lithium ion conductivity that is water-blocking is used as the protective part of the Li metal negative electrode.

しかしながら、上記したガラスセラミックス層はアルカリ腐食を引き起こすおそれがあるため、電解液中のLiOHの濃度をあまり高く出来ないと言う事情がある。 その解決の為に、正極と負極との間に介在する水系電解液を陽イオン交換膜によりA部の第1水系電解液とB部の第2水系電解液とに分離することで、正極放電反応によりB部の第2水系電解液において生成するOH-イオンがA部の第1水系電解液に透過することを陽イオン交換膜により抑制し、A部の第1水系電解液においてLiOHの濃度が過剰に高くなることを抑制し、強アルカリに対して安定性が必ずしも充分ではないガラスセラミックス層の表面を保護することができる。 However, since the glass ceramic layer described above may cause alkaline corrosion, there is a situation that the concentration of LiOH in the electrolytic solution cannot be made very high. In order to solve this problem, the aqueous electrolytic solution interposed between the positive electrode and the negative electrode is separated into a first aqueous electrolytic solution of part A and a second aqueous electrolytic solution of part B by a cation exchange membrane, so that the positive electrode discharge OH to produce the second aqueous electrolytic solution of the part B by a reaction - that ions are transmitted to the first aqueous electrolytic solution a portion was suppressed by cation exchange membranes, the concentration of the LiOH in the first aqueous electrolytic solution of the part a Can be suppressed, and the surface of the glass ceramic layer, which is not necessarily sufficiently stable against strong alkali, can be protected.

従来技術に係り、非水系のリチウム−空気電池の概念を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which concerns on a prior art and shows the concept of a non-aqueous lithium-air battery typically. 水系のリチウム−空気電池の概念を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the concept of a water-system lithium-air battery typically. 本発明の実施形態1に係る水系のリチウム−空気電池の概念を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the concept of the water-system lithium-air battery which concerns on Embodiment 1 of this invention. 陽イオン交換膜のアルカリ阻止効果を評価する試験装置を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the test apparatus which evaluates the alkali inhibitory effect of a cation exchange membrane. 陽イオン交換膜のアルカリ阻止効果についての試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the test result about the alkali inhibitory effect of a cation exchange membrane. 水系のリチウム−空気電池における問題点を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the problem in an aqueous lithium-air battery. 水系のリチウム−空気電池におけるB槽が強アルカリであるため、B槽の水素イオン濃度が少ない状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the state with little hydrogen ion concentration of B tank, since B tank in a water-system lithium-air battery is a strong alkali. 陽イオン交換膜とLiCl添加のアルカリ阻止効果についての試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the test result about the alkali inhibitory effect of a cation exchange membrane and LiCl addition. 本発明に係る水系のリチウム−空気電池の別の形態に係る概念を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the concept which concerns on another form of the water-system lithium-air battery which concerns on this invention. 本発明および比較例に係り、LATPの電解液浸漬試験を示す図である。It is a figure which concerns on this invention and a comparative example, and shows the electrolyte solution immersion test of LATP. (A)は参考文献1に開示されているデータに基づくものであり、電解液に浸漬させたLATP粉末のX線回折(XRD)測定結果を示すグラフであり、(B)は試験例において電解液に浸漬させたLATP粉末のX線回折(XRD)測定結果を示すグラフである。(A) is based on the data disclosed in Reference Document 1, and is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) measurement of LATP powder immersed in an electrolytic solution, and (B) is an electrolysis in a test example. It is a graph which shows the X-ray-diffraction (XRD) measurement result of the LATP powder immersed in the liquid. (A)は電解液に浸漬させる試験例の実施前におけるLATP粉末のX線回折(XRD)測定結果を示すグラフであり、(B)は電解液に浸漬させる試験例の実施後におけるLATP粉末のXRD測定結果を示すグラフである。(A) is a graph which shows the X-ray-diffraction (XRD) measurement result of the LATP powder before implementation of the test example immersed in electrolyte solution, (B) is the LATP powder after implementation of the test example immersed in electrolyte solution. It is a graph which shows a XRD measurement result.

以下、本発明の実施形態1を説明する。図3はリチウム−空気二次電池の断面を模式的に概念図を示す。図3に示すように、金属リチウムで形成された負極1と、空気が供給される正極2と、負極1と正極2との間において負極側から正極側に向けて、水遮断性を有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス層3と、第1水系電解液42(以下、第1電解液ともいう)を備えるA槽51(A部)と、陽イオン交換膜102と、第2水系電解液42(以下、第2電解液42ともいう)を備えるB槽52(B部)とをこの順に有する。負極1は前記した反応防止層で被覆されていることが好ましい。反応防止層は、リチウムリン酸窒化物(LiPON,組成式:Li3-xPO4-yNy)、ポリマー固体電解質、有機系電解液等が例示される。 Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view of a lithium-air secondary battery. As shown in FIG. 3, a negative electrode 1 made of metallic lithium, a positive electrode 2 to which air is supplied, and lithium having water blocking properties from the negative electrode side to the positive electrode side between the negative electrode 1 and the positive electrode 2. A tank 51 (A part) provided with the ion conductive glass ceramic layer 3, the first aqueous electrolyte 42 (hereinafter also referred to as the first electrolyte), the cation exchange membrane 102, and the second aqueous electrolyte 42 ( Hereinafter, it has B tank 52 (B part) provided with the 2nd electrolyte solution 42) in this order. The negative electrode 1 is preferably coated with the above-described reaction preventing layer. The reaction preventing layer of lithium phosphate oxynitride (LiPON, the composition formula: Li 3-x PO 4- y N y), a polymer solid electrolyte, organic electrolyte, and the like.

リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス層3の母材の組成式は、Li1-x(M,Al,Ga)x(Ge1-yTiy)2-x(PO4)が挙げられ、PO4を含む。xは0〜0.8、殊に0〜0.5が好ましい。yは0〜1.0、特に0.1〜0.9が好ましい。M=Al,Ga以外のNd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種が例示される。ここで、Li1-xMx(Ge1-yTiy)2-x(PO4)が挙げられる。xは0〜0.8の範囲、特に0.1〜0.7の範囲が好ましい。yは0〜1.0の範囲、特に0.1〜0.9の範囲が好ましい。 The composition formula of the base material of the lithium ion conductive glass ceramic layer 3 is Li 1-x (M, Al, Ga) x (Ge 1-y Ti y ) 2-x (PO 4 ) 3 , and PO 4 including. x is preferably 0 to 0.8, particularly preferably 0 to 0.5. y is preferably 0 to 1.0, particularly preferably 0.1 to 0.9. Examples include at least one of Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb other than M = Al and Ga. Here include Li 1-x M x (Ge 1-y Ti y) 2-x (PO 4) 3. x is preferably in the range of 0 to 0.8, particularly preferably in the range of 0.1 to 0.7. y is preferably in the range of 0 to 1.0, particularly preferably in the range of 0.1 to 0.9.

A部の第1電解液41は、中性域のリチウム塩を含有してpH12以下、pH4以上の範囲に設定されており、B槽52の第2電解液42はアルカリ性とされ、且つ、A槽51の第1電解液41のリチウムイオン濃度≧B槽52の第2電解液42のリチウムイオン濃度とされている。 The first electrolyte solution 41 of part A contains a lithium salt in a neutral region and is set to a pH of 12 or less and a pH of 4 or more , the second electrolyte solution 42 of the B tank 52 is alkaline, and A The lithium ion concentration of the first electrolytic solution 41 in the tank 51 ≧ the lithium ion concentration of the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 .

水遮断性の高リチウムイオン伝導性をもつガラスセラミックス層3(LATP)がLi金属負極1の保護部として用いられている。この場合、放電生成物であるLiOHを水系電解液中へ溶解、沈殿させ、貯蔵出来る利点が得られる。しかしながら、ガラスセラミックス層3(LATP)は強いアルカリ液に触れると、アルカリ腐食を引き起こすおそれがあるため、電解液中のLiOHの濃度をあまり高く出来ないと言う事情がある。そこで本実施形態によれば、図3に示すように、負極1と正極2との間に介在する水系の電解液部は、陽イオン交換膜102によりA槽51とB槽52とに分離されている。これにより正極の放電反応によりB槽52において生成したOH-イオンがA槽51に透過することを抑制する。このためA槽51の水系第1電解液41が強アルカリになることが抑えられ、アルカリに対して安定性が充分ではないガラスセラミックス層(LATP)3の表面を保護することができる。即ち、負に帯電した陽イオン交換膜102が静電反発により、正極の電極反応で生成したOH-イオンがB槽52からA槽51へ透過することを抑え、A槽51の第1電解液41中のLiOHの濃度が抑えられ、ひいてはガラスセラミックス層(LATP)3表面がアルカリ性溶液に曝されないようにできる。 A glass ceramic layer 3 (LATP) having high lithium ion conductivity that is water-blocking is used as a protective part of the Li metal negative electrode 1. In this case, there is an advantage that LiOH as a discharge product can be dissolved, precipitated and stored in the aqueous electrolyte. However, the glass ceramic layer 3 (LATP) may cause alkaline corrosion when exposed to a strong alkaline solution, and therefore there is a situation that the concentration of LiOH in the electrolytic solution cannot be made very high. Therefore, according to this embodiment, as shown in FIG. 3, the aqueous electrolyte portion interposed between the negative electrode 1 and the positive electrode 2 is separated into the A tank 51 and the B tank 52 by the cation exchange membrane 102. ing. This suppresses permeation of OH ions generated in the B tank 52 by the positive electrode discharge reaction to the A tank 51 . For this reason, it is suppressed that the aqueous 1st electrolyte solution 41 of A tank 51 becomes a strong alkali, and can protect the surface of the glass-ceramics layer (LATP) 3 whose stability is not enough with respect to an alkali. That is, the negatively charged cation exchange membrane 102 suppresses permeation of OH ions generated by the electrode reaction of the positive electrode from the B tank 52 to the A tank 51 due to electrostatic repulsion, and the first electrolytic solution in the A tank 51 The concentration of LiOH in 41 can be suppressed, so that the surface of the glass ceramic layer (LATP) 3 is not exposed to the alkaline solution.

本実施形態によれば、図3に示すように、陽イオン交換膜102によりA槽51の第1電解液41およびB槽52の第2電解液42は分離されている。この場合、放電反応において負極側のA槽51で生成したLi+イオンは、陽イオン交換膜102を通過して、B槽52へ移動可能である。しかし、正極の放電反応で生成したB槽52の第2電解液42におけるOH-イオンは、陽イオン交換膜102の静電反発により、B槽52からA槽51へ移動することが制限され、結果として、B槽52の第2電解液42におけるLiOH濃度が次第に増加する。B槽52の第2電解液42におけるLiOH濃度が高くなると、B槽52の第2電解液42におけるLi+イオンとA槽51の第1電解液41におけるH+イオンが、陽イオン交換膜102を介してイオン交換し、それぞれ反対側の槽に等量移動することが考えられる。このためB槽52側では、H+イオンによるアルカリの中和反応が生じる。これに対して、A槽51側では、Li+イオン濃度が増加し、A槽51に残留するOH-イオンにより、LiOH濃度増加し、結果として、A槽51の電解液は強アルカリ性に変化し、ガラスセラミックス層3の安定性が低下するものと考えられる。この現象を回避する為に、本実施形態によれば、A槽51の第1電解液41には中性域のLi塩が予め溶解されており、A槽51の第1電解液41のpH値は4〜12の範囲内の中性域付近とされている。更に、A槽51の第1電解液41のLi + イオン濃度≧B槽52の第2電解液42のLi + イオン濃度とされている。これにより、B槽52の第2電解液42からA槽51の第1電解液41へのLi+の移動が抑制される。このためA槽51の第1電解液41におけるLiOH濃度が高くなることが抑制され、ひいてはA槽51の第1電解液41が強アルカリになることが抑制される。ひいては、強アルカリに対して安定性が充分ではないガラスセラミックス層(LATP)3の安定性が向上される。
B槽52の第2電解液42はアルカリ性とされている。Li + イオン濃度をA槽51>B槽52の関係となる場合、Li + イオンの濃度勾配により、Li + イオン濃度が高いA槽51から、Li + イオン濃度が低いB槽52側にLi + イオンが移動するおそれが考えられる。しかしながら、B槽52の第2電解液42をアルカリ性に維持しておけば、B槽52の第2電解液42のH + 濃度が低下しており、ひいてはA槽51のLi + イオンとB槽52のH + イオンとのイオン交換が制限される。この場合、Li + イオン濃度が高いA槽51からB槽52へのLi + イオンの移動は制限されると考えられる。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the first electrolytic solution 41 in the A tank 51 and the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 are separated by the cation exchange membrane 102. In this case, Li + ions generated in the negative electrode side A tank 51 in the discharge reaction can pass through the cation exchange membrane 102 and move to the B tank 52. However, OH ions in the second electrolytic solution 42 of the B tank 52 generated by the positive electrode discharge reaction are restricted from moving from the B tank 52 to the A tank 51 due to electrostatic repulsion of the cation exchange membrane 102, As a result, the LiOH concentration in the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 gradually increases. When the LiOH concentration in the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 increases, Li + ions in the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 and H + ions in the first electrolytic solution 41 in the A tank 51 become cation exchange membranes 102. It is conceivable that the ions are exchanged via the same amount and moved in equal amounts to the opposite tanks. For this reason, an alkali neutralization reaction by H + ions occurs on the B tank 52 side. On the other hand, on the A tank 51 side, the Li + ion concentration increases, and the LiOH concentration increases due to the OH ions remaining in the A tank 51. As a result, the electrolyte in the A tank 51 changes to strong alkalinity. It is considered that the stability of the glass ceramic layer 3 is lowered. In order to avoid this phenomenon, according to the present embodiment, the first electrolyte solution 41 in the A tank 51 is preliminarily dissolved with a Li salt in the neutral region, and the pH of the first electrolyte solution 41 in the A tank 51 is reduced. The value is in the vicinity of the neutral range within the range of 4-12. Furthermore, there is a Li + ion concentration of the second electrolyte 42 of Li + ion concentration ≧ B tank 52 of the first electrolytic solution 41 in tank A 51. Thereby, the movement of Li + from the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 to the first electrolytic solution 41 in the A tank 51 is suppressed. For this reason, it is suppressed that the LiOH density | concentration in the 1st electrolyte solution 41 of A tank 51 becomes high, and it is suppressed that the 1st electrolyte solution 41 of A tank 51 becomes a strong alkali by extension. As a result, the stability of the glass ceramic layer (LATP) 3 that is not sufficiently stable against strong alkali is improved.
The second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is made alkaline. If the Li + ion concentration a relationship of A tank 51> B tank 52, the concentration gradient of Li + ions from Li + ion concentration higher A tank 51, the Li + ion concentration is low B tank 52 side Li + There is a possibility that ions may move. However, if the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is kept alkaline, the H + concentration of the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is lowered, and consequently the Li + ions in the A tank 51 and the B tank. Ion exchange with 52 H + ions is limited. In this case, it is considered that the movement of Li + ions from the A tank 51 having a high Li + ion concentration to the B tank 52 is limited.

(試験例1)
陽イオン交換膜102におけるOH-イオンの透過防止効果を確認するために、図4に示す試験装置を用いて試験した。図4に示したように試験装置は、U字型ガラス容器100に、陽イオン交換膜102を挟み込み、U字型ガラス容器100の片側容器100A(以下、A'槽と省略)に、水とpH測定用のpHメータ106を挿入し、陽イオン交換膜102(材質:フッ素系陽イオン交換膜又は炭化水素系陽イオン交換膜)を挟み、A'槽と反対側のU字型ガラス容器100の片側容器100B内(B'槽と省略)に、LiOH水溶液を入れた。A'槽である片側容器100Aにおける水のpH値の変化をモニターする試験を行った。
(Test Example 1)
In order to confirm the effect of preventing permeation of OH - ions in the cation exchange membrane 102, the test was performed using the test apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 4, the test apparatus sandwiches a cation exchange membrane 102 in a U-shaped glass container 100, and water is placed in one side container 100 </ b> A (hereinafter abbreviated as A ′ tank) of the U-shaped glass container 100. A pH meter 106 for pH measurement is inserted, a cation exchange membrane 102 (material: fluorine-based cation exchange membrane or hydrocarbon-based cation exchange membrane) is sandwiched, and a U-shaped glass container 100 on the opposite side to the A ′ tank. An aqueous LiOH solution was placed in one side container 100B (abbreviated as B 'tank). The test which monitors the change of pH value of the water in the one side container 100A which is A 'tank was done.

本試験における片側容器100A(A'槽)、片側容器100B(B'槽)は、図3に於けるA槽51、B槽52を模擬する。片側容器100A(A'槽)の水のpH値を測定することで、陽イオン交換膜102の効果が確認できる。即ち、片側容器100A(A'槽)において生成するOH-イオンが陽イオン交換膜102を介して片側容器100B(B'槽)に透過することを抑制する効果を確認できる。本試験では、ガラスセラミックス層(LATP)表面におけるアルカリ腐食が問題となるpH値以上に、A'槽(A槽51に相当)の第1電解液41のpH値が上昇するか否かについて評価する。 The one side container 100A (A ′ tank) and the one side container 100B (B ′ tank) in this test simulate the A tank 51 and the B tank 52 in FIG. The effect of the cation exchange membrane 102 can be confirmed by measuring the pH value of the water in the one-side container 100A (A ′ tank). That is, it is possible to confirm the effect of suppressing the transmission of OH ions generated in the one-side container 100A (A ′ tank) through the cation exchange membrane 102 into the one-side container 100B (B ′ tank). In this test, whether or not the pH value of the first electrolyte solution 41 in the A ′ tank (corresponding to the A tank 51) rises above the pH value at which alkali corrosion on the surface of the glass ceramic layer (LATP) becomes a problem is evaluated. To do.

本試験では、陽イオン交換膜102として、フッ素系陽イオン交換膜(DuPont製: Nafion 112 膜、厚さ50μm)と、炭化水素系陽イオン交換膜(アストム製: Neosepta CMB膜、厚さ210μm)とについて試験した。試験では、陽イオン交換膜102を片側容器100A(A'槽)と片側容器100B(B'槽)とで挟み込んだ。片側容器100A(A'槽)には水を入れ、片側容器100B(B'槽)には、飽和(5.23 mol/L@25℃)LiOH水溶液を入れた。試験結果を図5に示す。図5は、A’槽におけるpH値の時間変化が示す。図5の横軸は時間を示し、縦軸はpH値を示す。図5の特性線W10(▽印)は、陽イオン交換膜102としてフッ素系陽イオン交換膜を用い、水(LiClなし)を用いた場合を示す。図5の特性線W20は、陽イオン交換膜102として炭化水素系陽イオン交換膜を用い、水(LiClなし)を用いた場合を示す。図5の特性線W10,W20から理解できるように、陽イオン交換膜102として、フッ素系陽イオン交換膜(図5における特性線W10)と、炭化水素系陽イオン交換膜(図5における特性線W20)とのいずれを用いた場合においても、上昇速度の違いはあれ、片側容器100A(A'槽)のpH値は素早く上昇し、ガラスセラミックス層(LATP)におけるアルカリ腐食が発生するpH値12以上に到達してしまうことが判った。従って、陽イオン交換膜102によりA槽51とB槽52とを単に分割しただけでは充分ではない。   In this test, as the cation exchange membrane 102, a fluorine-based cation exchange membrane (DuPont: Nafion 112 membrane, thickness 50 μm) and a hydrocarbon cation exchange membrane (Astom: Neosepta CMB membrane, thickness 210 μm) And tested. In the test, the cation exchange membrane 102 was sandwiched between the one-side container 100A (A ′ tank) and the one-side container 100B (B ′ tank). One side container 100A (A ′ tank) was charged with water, and one side container 100B (B ′ tank) was charged with a saturated (5.23 mol / L @ 25 ° C.) LiOH aqueous solution. The test results are shown in FIG. FIG. 5 shows the time change of the pH value in the A 'tank. In FIG. 5, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates pH value. A characteristic line W10 (▽ mark) in FIG. 5 shows a case where a fluorine-based cation exchange membrane is used as the cation exchange membrane 102 and water (without LiCl) is used. A characteristic line W20 in FIG. 5 shows a case where a hydrocarbon cation exchange membrane is used as the cation exchange membrane 102 and water (without LiCl) is used. As can be understood from the characteristic lines W10 and W20 in FIG. 5, as the cation exchange membrane 102, a fluorine-based cation exchange membrane (characteristic line W10 in FIG. 5) and a hydrocarbon-based cation exchange membrane (characteristic line in FIG. 5). In any of the cases of using W20), the pH value of the one-side container 100A (A 'tank) rises quickly regardless of the rising speed, and the pH value at which alkali corrosion occurs in the glass ceramic layer (LATP) 12 It turned out that it reached above. Therefore, it is not sufficient to simply divide the A tank 51 and the B tank 52 by the cation exchange membrane 102.

このように陽イオン交換膜102を単に使用しても、A'槽(図3におけるA槽51に相当)のpH値が上昇することを防止できない。この理由として、図6に示したようなメカニズムが考えられる。即ち、電解液中に陽イオン交換膜102を設置することで、放電反応において負極側で生成したLi+イオンは、A槽51から陽イオン交換膜102を透過してB槽52へ移動可能である。しかし、正極の放電反応で生成したB槽52におけるOH-イオンは、陽イオン交換膜102を透過してB槽52からA槽51へ移動することが制限され、B槽52中のLiOH濃度が増加する。しかしながら、B槽52中のLiOH濃度が高くなると、B槽52中のLi+イオンとA槽51中のH+イオンが、陽イオン交換膜102を介してイオン交換し、それぞれ反対側の槽に等量移動し(図6参照)、結果として、B槽52側では、H+イオンによるアルカリの中和反応が生じる。これに対してA槽51側では、B槽52からA槽51にLi+イオンが移動するため、A槽51においてLi+イオン濃度が増加し、A槽51に残留するOH-イオンとLi+イオンとが反応し、結果として、A槽51においてLiOHが生成され、A槽51の電解液は強アルカリ性に変化するものと考えられる。 Thus, even if the cation exchange membrane 102 is simply used, it is not possible to prevent the pH value of the A ′ tank (corresponding to the A tank 51 in FIG. 3) from increasing. As a reason for this, the mechanism shown in FIG. 6 can be considered. That is, by installing the cation exchange membrane 102 in the electrolytic solution, Li + ions generated on the negative electrode side in the discharge reaction can be transferred from the A tank 51 to the B tank 52 through the cation exchange membrane 102. . However, the OH ions in the B tank 52 generated by the discharge reaction of the positive electrode are restricted from passing through the cation exchange membrane 102 and moving from the B tank 52 to the A tank 51, and the LiOH concentration in the B tank 52 is reduced. To increase. However, when the LiOH concentration in the B tank 52 is increased, the Li + ions in the B tank 52 and the H + ions in the A tank 51 are ion-exchanged through the cation exchange membrane 102 and are respectively transferred to the opposite tanks. As a result, the neutralization reaction of alkali by H + ions occurs on the B tank 52 side. On the other hand, since the Li + ions move from the B tank 52 to the A tank 51 on the A tank 51 side, the Li + ion concentration in the A tank 51 increases, and the OH ions and Li + remaining in the A tank 51 increase. It is considered that the ions react with each other, and as a result, LiOH is generated in the A tank 51, and the electrolytic solution in the A tank 51 changes to strong alkalinity.

そこで、A槽51の第1電解液41が強アルカリ性に変化する現象を回避する為に、本発明者は、A槽51中に中性のLi塩を予め溶解し、A槽51の第1電解液41のpH値を4〜12の範囲に設定した。このようにA槽51の第1電解液41におけるLi+イオン濃度をB槽52の第2電解液42におけるLi+イオン濃度よりも予め高くした。これによりB槽52からA槽51へのLi+イオンの移動を防止することが可能である。 Therefore, in order to avoid the phenomenon that the first electrolytic solution 41 in the A tank 51 changes to strong alkalinity, the present inventor previously dissolved a neutral Li salt in the A tank 51, The pH value of the electrolytic solution 41 was set in the range of 4-12. As described above, the Li + ion concentration in the first electrolytic solution 41 of the A tank 51 was set higher than the Li + ion concentration in the second electrolytic solution 42 of the B tank 52 in advance. Thereby, the movement of Li + ions from the B tank 52 to the A tank 51 can be prevented.

なお、上記したように、Li+イオン濃度をA槽51>B槽52の関係にしておくことにより、Li+イオンの濃度勾配により、Li+イオン濃度が高いA槽51から、Li+イオン濃度が低いB槽52側にLi+イオンが移動するおそれが考えられる。しかしながら、B槽52の第2電解液42をアルカリ性に維持しておけば、B槽52の第2電解液42のH+濃度が低下しており、ひいてはA槽51のLi+イオンとB槽52のH+イオンとのイオン交換が制限される。この場合、Li+イオン濃度が高いA槽51からB槽52へのLi+イオンの移動は制限されると考えられる。従ってB槽52の電解液をアルカリにすることが好ましい。B槽52の第2電解液42のpH値を8〜15の範囲内、12〜15の範囲内にすることが好ましい。 Incidentally, as described above, the Li + ion concentration by keeping the relation of A tank 51> B tank 52, the concentration gradient of Li + ions from Li + ion concentration higher A tank 51, Li + ion concentration Therefore, there is a possibility that Li + ions may move to the B tank 52 side where the temperature is low. However, if the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is kept alkaline, the H + concentration of the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is lowered, and consequently the Li + ions in the A tank 51 and the B tank. Ion exchange with 52 H + ions is limited. In this case, it is considered that the movement of Li + ions from the A tank 51 having a high Li + ion concentration to the B tank 52 is limited. Therefore, it is preferable to make the electrolytic solution in the B tank 52 alkaline. The pH value of the second electrolytic solution 42 in the B tank 52 is preferably in the range of 8 to 15 and in the range of 12 to 15.

この効果を確認する為に、図4に示すU字型ガラス容器100のA'槽に、上記の水の代りに、飽和LiOH濃度以上の非常に高濃度の12.8 MのLiCl溶液を第1電解液41として予め入れておき、B'槽に飽和LiOH溶液を第2電解液42として入れた。そしてA'槽のpH値の変化を測定した。測定結果を図8に示す。図8の横軸は時間を示し、縦軸はpH値を示す。図8の特性線W21は陽イオン交換膜102として炭化水素系陽イオン交換膜(Neosepta CMB膜)を用い、12.8M(12mol/L)のLiClを溶解させた電解液を第1電解液41として用いた場合を示す。特性線W11は陽イオン交換膜102としてフッ素系陽イオン交換膜(Nafion112膜)を用い、1M(1mol/L)のLiClを溶解させ電解液を第1電解液41として用いた場合を示す。特性線W12は陽イオン交換膜102としてフッ素系陽イオン交換膜(Nafion112膜)を用い、12.8M(12mol/L)のLiClを溶解させ電解液を第1電解液41として用いた場合を示す。図8の特性線W10,W20に示すように、A'槽が水の場合には、A'部の第1電解液41はpH値12以上となり、強アルカリとなる。   In order to confirm this effect, in the A ′ tank of the U-shaped glass container 100 shown in FIG. 4, instead of the above water, a very high concentration 12.8 M LiCl solution equal to or higher than the saturated LiOH concentration was used for the first electrolysis. The solution was previously placed as a liquid 41, and a saturated LiOH solution was placed as a second electrolytic solution 42 in a B ′ tank. And the change of pH value of A 'tank was measured. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates pH value. The characteristic line W21 in FIG. 8 uses a hydrocarbon cation exchange membrane (Neosepta CMB membrane) as the cation exchange membrane 102, and an electrolytic solution in which 12.8M (12 mol / L) LiCl is dissolved is used as the first electrolytic solution 41. The case where it is used is shown. A characteristic line W11 shows a case where a fluorine-based cation exchange membrane (Nafion 112 membrane) is used as the cation exchange membrane 102, 1M (1 mol / L) LiCl is dissolved, and the electrolytic solution is used as the first electrolytic solution 41. A characteristic line W12 shows a case where a fluorine-based cation exchange membrane (Nafion 112 membrane) is used as the cation exchange membrane 102, 12.8M (12 mol / L) LiCl is dissolved, and the electrolytic solution is used as the first electrolytic solution 41. As shown by characteristic lines W10 and W20 in FIG. 8, when the A ′ tank is water, the first electrolyte solution 41 in the A ′ portion has a pH value of 12 or more and becomes a strong alkali.

しかしながらA'部の第1電解液41が12.8 M(12.8mol/L)の中性域のLiCl溶液である場合(特性線W21,W12)には、A'部の第1電解液41は、定常値でpH値8.5程度の中性域のpH値に保持でき、時間が経過しても第1電解液41が強アルカリ性にはならないことがわかった。これはガラスセラミックス層3の安定化に有利であることを示す。更に、A'槽に入れる中性域のLiClの濃度の効果を見るために、特性線W11と特性線W12とを比較すると、上記した12.8M(12.8mol/L)の高濃度のLiCl溶液を入れた場合には、A'槽では強アルカリに変化することが抑えられる優れた効果を確認することができた。   However, when the first electrolytic solution 41 in the A ′ portion is a 12.8 M (12.8 mol / L) neutral LiCl solution (characteristic lines W21 and W12), the first electrolytic solution 41 in the A ′ portion is It was found that the steady-state pH value could be maintained at a neutral pH of about 8.5, and the first electrolyte solution 41 did not become strongly alkaline even after a lapse of time. This indicates that it is advantageous for stabilizing the glass ceramic layer 3. Further, in order to see the effect of the concentration of LiCl in the neutral range to be placed in the A ′ tank, when comparing the characteristic line W11 and the characteristic line W12, the above-described high concentration LiCl solution of 12.8M (12.8mol / L) is obtained. In the case where it was added, it was possible to confirm an excellent effect of suppressing the change to strong alkali in the A ′ tank.

以上の結果に基き、図3に示すセル構成にすることで、負極を覆うガラスセラミックス層(LATP)3におけるアルカリ腐食の問題を解決することができる。従って、A槽51の第1電解液41のLi+イオン濃度をB槽52の第2電解液42のLi+イオン濃度よりも常に高くしておく必要がある。放電反応の進行により、B槽52の第2電解液42のLiOH濃度は次第に高くなるが、B槽52のLi+イオン濃度は、沈殿により、LiOHの飽和溶液濃度を超えることは無い為、飽和LiOH濃度以上のLi+イオン濃度となるように、中性のリチウム塩をA槽51の第1電解液41に予め溶解させておくことが好ましい。 Based on the above results, the cell configuration shown in FIG. 3 can solve the problem of alkali corrosion in the glass ceramic layer (LATP) 3 covering the negative electrode. Therefore, the Li + ion concentration of the first electrolytic solution 41 in the A tank 51 must always be higher than the Li + ion concentration of the second electrolytic solution 42 in the B tank 52. As the discharge reaction proceeds, the LiOH concentration in the second electrolyte solution 42 in the B tank 52 gradually increases, but the Li + ion concentration in the B tank 52 does not exceed the saturated solution concentration of LiOH due to precipitation. It is preferable to previously dissolve a neutral lithium salt in the first electrolytic solution 41 of the A tank 51 so that the Li + ion concentration is equal to or higher than the LiOH concentration.

表1はアルカリ塩の飽和濃度を示す。表1に示したように、飽和LiOHの飽和濃度は、5.23 mol/L(25℃)である。その濃度以上に溶解可能な中性のLi塩の代表例として、図8に示したように、LiCl、LiBr、LiI、LiNO3等の少なくとも1種を含むリチウム塩が挙げられる。このようにA槽51は、充分に高いLi+イオン濃度が必要であるものの、必ずしも厚みが厚い必要は無い。実際には、図9に示す多くの実施形態のように、上記の中性のLi塩の水溶液で形成された第1電解液41を不織布等の多孔質体45に含浸して用いることが好ましい。B槽52は、A槽51からのLi+イオンの移動を防止するためにアルカリ性(pH値:12〜15)にしておくことが好ましい。この場合、LiOHを予めB槽52に添加しておくことが好ましい。 Table 1 shows the saturation concentration of alkali salts. As shown in Table 1, the saturation concentration of saturated LiOH is 5.23 mol / L (25 ° C.). As a typical example of a neutral Li salt that can be dissolved at a concentration higher than that, a lithium salt containing at least one of LiCl, LiBr, LiI, LiNO 3 and the like can be given as shown in FIG. As described above, the tank A 51 needs to have a sufficiently high Li + ion concentration, but does not necessarily have a large thickness. Actually, as in many embodiments shown in FIG. 9, it is preferable to impregnate and use a porous body 45 such as a non-woven fabric with the first electrolytic solution 41 formed of the neutral Li salt aqueous solution. . The B tank 52 is preferably made alkaline (pH value: 12 to 15) in order to prevent the movement of Li + ions from the A tank 51. In this case, it is preferable to add LiOH to the B tank 52 in advance.

(試験例2)
アルカリ溶液中でのガラスセラミックス層(LATP)3の腐食を加速する為に、市販のガラスセラミックス板(LATP板,オハラガラス製、厚み:150μm)をメノウ乳鉢で粉砕し、粉末状のLATPサンプルを用いて評価試験を行った。本試験では、本発明のセル構造を模擬する為に、図10に示したように、樹脂容器300に開口窓301を開け、その開口窓301に陽イオン交換膜102(Nafion 112膜)を貼り付け、シール材で固定した。その陽イオン交換膜102を設置した容器300内に10M(10mol/L)のLiCl水溶液を入れ、上記のLATP粉末250を浸漬した。このようにLATP粉末250を浸漬した容器300を、容器400内の4M(4mol/L)のLiOH水溶液中に浸漬した。この場合、陽イオン交換膜102が完全に容器400のLiOH水溶液と接触するように容器300を容器400内に浸漬した。比較例として、図10における右図に示したように、上記のLATP粉末250を4M(4mol/L)の LiOH水溶液中に直接的に浸漬させた。上記手順で調整した容器中でLATP粉末250を、室温で40日間放置し、その後、溶液からろ過して取り出し、十分な水洗浄の後、空気中で乾燥して評価サンプルとした。
(Test Example 2)
In order to accelerate the corrosion of the glass ceramic layer (LATP) 3 in an alkaline solution, a commercially available glass ceramic plate (LATP plate, made of OHARA glass, thickness: 150 μm) is crushed with an agate mortar, and a powdery LATP sample is prepared. An evaluation test was performed. In this test, in order to simulate the cell structure of the present invention, as shown in FIG. 10, an opening window 301 is opened in the resin container 300, and a cation exchange membrane 102 (Nafion 112 film) is pasted on the opening window 301. And fixed with a sealing material. A 10M (10 mol / L) LiCl aqueous solution was placed in a container 300 provided with the cation exchange membrane 102, and the LATP powder 250 was immersed therein. Thus, the container 300 in which the LATP powder 250 was immersed was immersed in a 4M (4 mol / L) LiOH aqueous solution in the container 400. In this case, the container 300 was immersed in the container 400 so that the cation exchange membrane 102 was completely in contact with the LiOH aqueous solution in the container 400. As a comparative example, the LATP powder 250 was directly immersed in a 4M (4 mol / L) LiOH aqueous solution as shown in the right diagram of FIG. The LATP powder 250 was allowed to stand at room temperature for 40 days in the container prepared by the above procedure, and then filtered out from the solution. After sufficient water washing, the sample was dried in air to obtain an evaluation sample.

LATP粉末250の腐食状態を確認する為に、X線回折(XRD)による測定を行った。参考文献1によると、本試験と同様に、強アルカリ中で、LATP粉末を浸漬、保持を行った場合には、図11(A)に示すように、2θ=22-24°付近に新たに回折ピークが現れる。そのピークは、LATP粉末の分解生成物であるリン酸リチウム(Li3PO4)に帰属されることが報告されている。本発明者の実験においても、4MのLiOH水溶液中に浸漬、保持した比較例のLATP粉末250には、図11(B)に示すように、LATP粉末の分解生成物であるLi3PO4に帰属される新たな回折ピークが2θ=22-24°付近に観察された。 In order to confirm the corrosion state of the LATP powder 250, measurement by X-ray diffraction (XRD) was performed. According to Reference Document 1, as in this test, when LATP powder is immersed and held in strong alkali, as shown in FIG. 11 (A), it is newly around 2θ = 22-24 °. A diffraction peak appears. It has been reported that the peak is attributed to lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), which is a decomposition product of LATP powder. Also in the experiment of the present inventors, the LATP powder 250 of the comparative example immersed and held in a 4M LiOH aqueous solution contains Li 3 PO 4 which is a decomposition product of the LATP powder as shown in FIG. 11 (B). A new assigned diffraction peak was observed around 2θ = 22-24 °.

これに対して、浸漬前の初期状態のLATP粉末250に対しては、図12(A)に示すように、Li3PO4に相当する回折ピークは、観測されないことが判った。同様に、浸漬後のLATP粉末250に対しても、図12(B)に示すように、LATP粉末の分解生成物であるLi3PO4に相当する回折ピークは、観測されないことが判った。このことから、本発明においては、比較例とは異なり、強アルカリ中でのガラスセラミックス層(LATP)の分解は観測されず、本発明の効果が確認できた。 In contrast, as shown in FIG. 12A, it was found that the diffraction peak corresponding to Li 3 PO 4 was not observed for the LATP powder 250 in the initial state before immersion. Similarly, it was found that no diffraction peak corresponding to Li 3 PO 4 which is a decomposition product of LATP powder was observed for LATP powder 250 after immersion, as shown in FIG. 12 (B). From this, in the present invention, unlike the comparative example, the decomposition of the glass ceramic layer (LATP) in strong alkali was not observed, and the effect of the present invention was confirmed.

(その他)
A槽51の第1水系電解液41のリチウムイオン濃度は、B槽52の第2水系電解液42のリチウムイオン濃度よりも高濃度であることが好ましいが、同等でも良い。A部の第1電解液41は、中性域のリチウム塩を含有してpH12以下、pH4以上の範囲に設定されている。A部の第1電解液41のpH値は11以下、10以下、pH4以上、pH5以上でも良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
(Other)
The lithium ion concentration of the first aqueous electrolyte solution 41 in the A tank 51 is preferably higher than the lithium ion concentration of the second aqueous electrolyte solution 42 in the B tank 52, but may be equivalent. The first electrolyte solution 41 of part A contains a neutral range lithium salt and is set to a pH of 12 or less and a pH of 4 or more. The pH value of the first electrolyte solution 41 in part A may be 11 or less, 10 or less, pH 4 or more, or pH 5 or more. The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist.

1は負極、2は正極、102は陽イオン交換膜、41は第1電解液、42は第2電解液、51はA槽(A部)、52はB槽(B部)を示す。   1 denotes a negative electrode, 2 denotes a positive electrode, 102 denotes a cation exchange membrane, 41 denotes a first electrolytic solution, 42 denotes a second electrolytic solution, 51 denotes an A tank (A part), and 52 denotes a B tank (B part).

Claims (4)

金属リチウムを有する負極と、
空気が供給される正極と、
前記負極と前記正極との間において前記負極側から前記正極側に向けて、水遮断性およびリチウムイオン伝導性を有すると共にLiおよびM(M=Al,Ga,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)を主要成分として含むリチウムイオン伝導材料で形成されたガラスセラミックス層と、第1水系電解液を備えるA部と、陽イオン交換膜と、第2水系電解液を備えるB部とをこの順に具備しており、
前記A部の前記第1水系電解液は、中性域のリチウム塩を含有してpH12以下、pH4以上の範囲に設定されており、前記B部の前記第2水系電解液はアルカリ性で、且つ、前記A部の前記第1水系電解液のリチウムイオン濃度≧前記B部の前記第2水系電解液のリチウムイオン濃度であることを特徴とする水系リチウム−空気二次電池。
A negative electrode having metallic lithium;
A positive electrode supplied with air;
Li and M (M = Al, Ga, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb and water blocking property and lithium ion conductivity from the negative electrode side to the positive electrode side between the negative electrode and the positive electrode , Dy, Ho, Er, Tm, Yb) as a main component, a glass ceramic layer formed of a lithium ion conductive material, a part A including a first aqueous electrolyte, and a cation exchange membrane And B part provided with the second aqueous electrolyte solution in this order,
The first aqueous electrolyte of the part A contains a neutral lithium salt and is set to a pH of 12 or less and a pH of 4 or more, and the second aqueous electrolyte of the B part is alkaline, and An aqueous lithium-air secondary battery , wherein the lithium ion concentration of the first aqueous electrolyte solution in the part A ≧ the lithium ion concentration of the second aqueous electrolyte solution in the part B.
請求項1において、前記リチウムイオン伝導材料の母材は、Li1-xMx(Ge1-yTiy)2-x(PO4)(x=0〜0.8であり、y=0〜1.0であり、M=Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybのうちの少なくとも1種)の組成式を有する水系リチウム−空気二次電池。 2. The base material of the lithium ion conductive material according to claim 1, wherein Li 1−x M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x (PO 4 ) 3 (x = 0 to 0.8, y = A water-based lithium-air secondary battery having a composition formula of 0 to 1.0 and at least one of M = Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. 請求項1または2において、前記中性域のリチウム塩は、LiCl、LiBr、LiI、LiNO3のうちの少なくとも1種であることを特徴とする水系リチウム−空気二次電池。 3. The water based lithium-air secondary battery according to claim 1, wherein the neutral range lithium salt is at least one of LiCl, LiBr, LiI, and LiNO 3 . 請求項1〜3のうちの一項において、前記負極と前記ガラスセラミックス層との間に反応防止層が設けられていることを特徴とする水系リチウム−空気二次電池。   4. The water based lithium-air secondary battery according to claim 1, wherein a reaction preventing layer is provided between the negative electrode and the glass ceramic layer.
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