JP5718874B2 - リチウム空気電池正極用炭素材料及びリチウム空気電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム空気電池の正極を構成する炭素材料、及び該炭素材料を含む正極を備えるリチウム空気電池に関する。

正極活物質として酸素を利用する空気電池は、エネルギー密度が高い、小型化及び軽量化が容易である等の利点を有する。そのため、現在、広く使用されているリチウム二次電池を超える高容量電池として注目を集めている。空気電池の中でも、リチウム空気電池は、高容量であることから研究が盛んに進められている。
リチウム空気電池は、正極（空気極）において酸素の酸化還元反応が行われ、負極においてリチウムの酸化還元反応が行われることで、充放電が可能である。リチウム空気二次電池では、以下のような充放電反応が進むと考えられている。

［放電時］
負極 ： Ｌｉ → Ｌｉ^＋ ＋ ｅ⁻
正極 ： ２Ｌｉ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｌｉ_２Ｏ_２
４Ｌｉ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｌｉ_２Ｏ
［充電時］
負極 ： Ｌｉ^＋ ＋ ｅ⁻ → Ｌｉ
正極 ： Ｌｉ_２Ｏ_２ → ２Ｌｉ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻
２Ｌｉ_２Ｏ → ４Ｌｉ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻

リチウム空気電池は、例えば、炭素材料及び結着材を含有する正極と、正極の集電を行う正極集電体と、負極活物質（金属や合金等）を含む負極と、負極の集電を行う負極集電体と、正極及び負極の間に介在する電解質とを有する。正極には、触媒が含有されることもある。
例えば、特許文献１には、カーボン及びバインダーを構成要素とする正極を具備したリチウム空気電池が記載されている。
また、金属空気電池用に限定されないが、特許文献２には、酸素還元触媒の製造方法が記載されている。具体的には、表面に酸素欠陥が導入されかつ表面の酸素原子の一部が炭素原子及び窒素原子の少なくとも一方で置換されることにより結晶格子が膨張した遷移金属酸化物を含む酸素還元触媒の製造方法が開示されている。また、金属空気電池用ではないが、特許文献３には、燃料電池の空気極用燃料電池触媒が開示されている。

特開２０１０−１８２６０６号公報 特開２０１１−１９８６３６号公報 特開２０１０−９８０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたカーボンを用いた正極では、得られる容量が低いという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、従来の炭素材料と比較して、高い容量を示すリチウム空気電池正極用炭素材料及び該炭素材料を備えたリチウム空気電池を提供することである。

本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料は、リチウム空気電池の正極を構成する炭素材料であって、窒素を炭素に対するモル比で１．９×１０^−２以上２．２５×１０ ^−２ 以下含有し、且つ、ガラス状であることを特徴とするものである。
本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料によれば、リチウム空気電池の放電容量を向上させることが可能である。

本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料において、炭素に対する窒素のモル比が、１．９０×１０^−２〜２．１０×１０^−２である場合、特に高い放電容量を得ることができる。
また、本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料において、炭素に対する窒素のモル比が、１．９５×１０^−２〜２．２５×１０^−２である場合、放電容量を向上させると共に、クーロン効率も向上させることができる。

本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料がピロールを含有し、炭素に対するピロールのモル比が、１．４４×１０^−２〜１．５２×１０^−２である場合、特に高い放電容量を得ることができる。
また、本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料がピリジンを含有し、炭素に対するピリジンのモル比が、０．４７×１０^−２〜０．５０×１０^−２である場合、高い放電容量を得つつ、クーロン効率も向上させることができる。

本発明のリチウム空気電池は、正極、負極、及び、前記正極と前記負極との間に介在する電解質を備えるリチウム空気電池であって、前記正極が、上記本発明の炭素材料を含有することを特徴とする。本発明のリチウム空気電池は、従来と比較して、優れた放電特性を発現し得るものである。

本発明の炭素材料は、リチウム空気電池を構成する、従来の炭素材料と比較して、放電容量に優れており、リチウム空気電池の放電特性向上に貢献することができる。

本発明の炭素材料における放電容量及びクーロン効率の向上メカニズムを説明する模式図である。 リチウム空気電池の一形態例を示す断面模式図である。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１における正極の製造プロセスフローを示す図である。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１の焼成温度とＧ／Ｄ比との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１の焼成温度と００２面間隔との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１の焼成温度とａ軸結晶子及びｃ軸結晶子のサイズとの関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１の焼成温度と電気抵抗との関係を示すグラフである。 実施例３（８Ａ）及び比較例１（８Ｂ）の炭素材料表面のＴＥＭ写真である。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１〜２の充放電試験に用いたリチウム空気電池セルの断面模式図である。 実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１のクーロン効率と放電容量とを示すグラフである。 実施例１の放電後（１１Ａ）及び充電後（１１Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真である。 比較例１の放電後（１２Ａ）及び充電後（１２Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真である。 実施例３の充放電試験前（１３Ａ）及び充放電試験後（１３Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真である。 比較例２の充放電試験前（１４Ａ）及び充放電試験後（１４Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真である。 実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のＮ／Ｃ比と放電容量との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のピロール／Ｃ比と放電容量との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のＧ／Ｄ比と放電容量との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のＮ／Ｃ比とクーロン効率との関係を示すグラフである。 実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のピリジン／Ｃ比とクーロン効率との関係を示すグラフである。

［リチウム空気電池正極用炭素材料］
本発明のリチウム空気電池正極用炭素材料（以下、単に、炭素材料ということがある。）は、リチウム空気電池の正極を構成する炭素材料であって、窒素を炭素に対するモル比で１．９×１０^−２以上含有し、且つ、ガラス状であることを特徴とするものである。

本発明者らは、特定量の窒素を含有するガラス状炭素材料を用いて、リチウム空気電池の正極を構成することによって、従来の炭素材料を用いる場合と比較して、放電容量を向上できることを見出した。具体的には、炭素に対するモル比で１．９×１０^−２以上の窒素を含有するガラス状炭素により正極を形成したところ（実施例１、参考例２、及び実施例３〜４）、図１０に示すように、窒素を含まないガラス状炭素材料（比較例１）を用いた場合と比べて、放電容量が２倍以上、さらには７倍以上に増加することが、本発明者らによって確認された。

本発明の炭素材料を用いて正極を形成することによって、リチウム空気電池の放電容量が高くなるメカニズムは明らかではないが、以下のように推測される。
図１に、放電後及び放電後に充電した際（充電後）における、本発明の炭素材料表面の模式図（１Ａ）、並びに、放電後及び放電後に充電した際（充電後）における、従来の窒素を含有しない炭素材料表面の模式図（１Ｂ）を示す。
図１の１Ｂに示すように、従来の窒素を含有しない炭素材料の表面では、放電により生成する析出物１は、成長が妨げられずに、大きく成長する。これに対して、図１の１Ａに示すように、本発明の含窒素ガラス状炭素材料の表面では、窒素により、析出物１の成長が抑制され、従来の炭素材料の表面に生成する析出物と比較して、小さな且つ数多くの析出物１が生成する。このように、本発明の炭素材料の表面では、小さな析出物が数多く生成することによって、放電容量が向上すると考えられる。尚、窒素を含有しない炭素材料と比較して、本発明の炭素材料では、放電により生成する析出物が小さく且つ数が多いことは、本発明者らによって確認されている（後述の図１１の１１Ａ及び図１２の１２Ａを参照）。

さらに、放電後に充電した際には、図１の１Ｂに示すように、従来の炭素材料の表面では、放電時に生成した大きな析出物が、分解されずに残存してしまう。これに対して、図１の１Ａに示すように、本発明の含窒素ガラス状炭素材料の表面では、放電時に生成する析出物が小さく、しかも、充電の際に窒素により析出物の分解が促進されるため、析出物は残存しにくい。従って、本発明の炭素材料を用いることによって、クーロン効率も向上できる場合があると考えられる。尚、窒素を含有しない炭素材料と比較して、本発明の炭素材料では、充放電後に残存する析出物が小さく且つ少ないことは、本発明者らによって確認されている（後述の図１１の１１Ｂ及び図１２の１２Ｂ、並びに、図１３及び図１４を参照）。

以下、本発明の炭素材料について詳しく説明する。
本発明の炭素材料は、リチウム空気電池の正極を構成する材料として用いられる。リチウム空気電池については、後述の「リチウム空気電池」の項で詳しく説明する。
本発明の炭素材料は、まず、窒素を含有し、その窒素含有量が、炭素に対するモル比で１．９×１０^−２以上である点に特徴がある。
炭素材料における、炭素に対する窒素のモル比（以下、Ｎ／Ｃ比ということがある）は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ法）により測定することができる。具体的には、ＸＰＳにより、窒素及び炭素の原子スペクトルを測定することで、炭素原子数に対する窒素原子数の割合を算出することができる。

Ｎ／Ｃ比は、機械加工負荷を低減するという観点から２．２８×１０^−２以下であることが好ましい。
また、特に高い放電容量が得られるという観点からは、Ｎ／Ｃ比は、２．１０×１０^−２以下、特に２．０５×１０^−２以下、さらに２．００×１０^−２以下であることが好ましく、１．９０×１０^−２以上、特に１．９４×１０^−２以上、さらに１．９５×１０^−２以上であることが好ましい。
また、高い放電容量と共にクーロン効率も向上可能であるという観点からは、Ｎ／Ｃ比は、２．２５×１０^−２以下、特に２．２０×１０^−２以下、さらに２．１９×１０^−２以下であることが好ましく、１．９５×１０^−２以上、特に１．９８×１０^−２以上、さらに２．００×１０^−２以上であることが好ましい。

また、本発明の炭素材料は、ガラス状炭素材料であるという特徴を有している。ガラス状炭素材料は、熱硬化性樹脂を高温で加熱処理することにより炭素化して得られるものであり、グラファイトの基本構造である六角網面の結晶子が無配向に組織されたものである。ガラス状炭素材料であることは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察によって確認することができる。具体的には、ガラス状炭素材料であれば、上記したように、結晶子が配向せずに、ガラス状の複雑な網目状構造を形成していることを確認することができる（図８の８Ａ参照）。ＴＥＭ観察においては、倍率を１０，０００〜１００，０００にすることによって、上記網目状構造を確認することが可能である。

本発明の炭素材料は、炭素骨格中に窒素原子がドープした構造を有しており、窒素原子の位置は特に限定されないが、例えば、シアニド型、グラファイト型、オキサイド、ピリジン型、ピロール型等が挙げられる。

本発明の炭素材料において、窒素がピロールとして含有されている場合、炭素に対するピロールのモル比（以下、ピロール／Ｃ比ということがある。）は、１．４４×１０^−２以上であることが好ましく、特に１．４６×１０^−２以上であることが好ましく、さらに１．４７×１０^−２以上であることが好ましい。また、ピロール／Ｃ比は、１．５２×１０^−２以下であることが好ましく、特に１．５０×１０^−２以下であることが好ましく、さらに１．４８×１０^−２以下であることが好ましい。ピロール／Ｃ比が、上記範囲内であることによって、特に高い放電容量を得ることができるからである。

本発明の炭素材料において、窒素がピリジンとして含有されている場合、炭素に対するピリジンのモル比（以下、ピリジン／Ｃ比ということがある。）は、０．４７×１０^−２以上であることが好ましく、特に０．４８×１０^−２以上であることが好ましい。また、ピリジン／Ｃ比は、０．５０×１０^−２以下であることが好ましく、特に０．４９×１０^−２以下であることが好ましく、さらに０．４８×１０^−２以下であることが好ましい。ピリジン／Ｃ比が、上記範囲内であることによって、高放電容量化と共にクーロン効率の向上を図ることができるからである。ピリジン／Ｃ比は、中でも、０．４８×１０^−２であることが好ましい。

本発明の炭素材料は、放電容量の観点から、ラマンスペクトル測定において、グラファイトに由来するＧバンドと、欠陥由来のＤバンドの面積比（＝Ｄバンドのピーク面積／Ｇバンドのピーク面積。以下、Ｇ／Ｄ比ということがある）が、１．５以下、特に１以下、さらに、０．７以下であることが好ましい。これはＧ／Ｄ比が小さいほど、炭素の欠陥量が少ない（結晶性が高い）ため、放電析出物が生成しやすいためと考えられる。
上記ラマンスペクトル測定は、一般的な方法に準じて行うことができるが、具体的には、以下のようにして行うことが好ましい。すなわち、レーザー光を、試料表面に照射し、後方（入射方向と逆方向）に散乱する光を分光してＣＣＤでラマンスペクトルを測定することが好ましい。

また、本発明の炭素材料は、放電容量の観点から、Ｘ線回折分析における００２面の平均間隔は、３．７〜４．２Å、特に３．７５〜４．１Åの範囲であることが好ましい。
Ｘ線回折分析における００２面の平均間隔の測定は、一般的な方法に準じることができ、例えば、ＪＩＳ Ｒ７６５１の「炭素材料の格子定数及び結晶子の大きさ測定方法」に準じて測定することができる。

また、同様の観点から、本発明の炭素材料は、Ｘ線回折分析におけるａ軸方向の結晶子のサイズが、２２〜２７Åの範囲、特に２２．５〜２６．３Åの範囲、ｃ軸方向の結晶子のサイズが１１〜１６Å、特に１２．５〜１５Åの範囲であることが好ましい。
Ｘ線回折分析におけるａ軸方向及びｃ軸方向の結晶子のサイズの測定は、一般的な方法に準じることができ、例えば、ＪＩＳ Ｒ７６５１の「炭素材料の格子定数及び結晶子の大きさ測定方法」に準じて測定することができる。

本発明の炭素材料の製造方法は特に限定されず、例えば、以下の方法が挙げられる。
すなわち、窒素含有熱硬化性樹脂を、１００〜３０００℃で１〜１００時間、加熱し、炭素化させることにより作製することができる。
窒素含有熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリカルポジイミド樹脂、窒素含有フェノール樹脂、窒素含有エポキシ樹脂、窒素含有フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、メラミン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、窒素含有不飽和ポリエステル樹脂、及びこれら樹脂を構成する繰り返し単位と共重合可能なモノマーとの共重合体等が挙げられる。中でも、窒素含有フェノール樹脂、窒素含有フラン樹脂、窒素を含有するフルフラール−フェノール共重合体等が好ましい。窒素含有熱硬化性樹脂は１種のみを用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
窒素含有熱硬化性樹脂と共に硬化剤を用いることができる。硬化剤としては、硫酸、塩酸、硝酸等を挙げることができる。硬化剤は、不純物の混入や欠陥の原因となりうるため、使用量はできるだけ少ないことが好ましく、例えば、原料中、１０ｗｔ％以下とすることが好ましい。
また、窒素含有熱可塑性樹脂に硬化剤を配合して熱硬化性を付与し、該熱可塑性樹脂を加熱、炭化させることによっても、本発明の炭素材料を製造することができる。例えば、熱可塑性樹脂として、窒素含有ノボラック型フェノール樹脂等が挙げられ、硬化剤としてヘキサメチレンテトラミン等が挙げられる。

炭素化の前に、窒素含有熱硬化性樹脂を成形することができる。窒素含有熱硬化性樹脂の成形方法は、特に限定されず、所望の形状が付与できるように適宜選択すればよい。例えば、ロールトゥロール、プレス成形、遠心成形、注型成形、射出成形、押出成形、加圧モールド成形等が挙げられる。
成形した窒素含有熱硬化性樹脂は、必要に応じて、形状の固定化のため、酸素雰囲気下において熱処理し、不融化させることが好ましい。不融化処理における酸素雰囲気としては、酸素濃度が１０〜９０ｖｏｌ％程度であることが好ましく、加熱温度が５０〜５００℃程度であることが好ましい。

窒素含有熱硬化性樹脂の炭素化により得られる含窒素ガラス状炭素材料は、例えば、板状、箔状等の形状を有する場合には、そのまま、正極として用いることも可能である。その場合、炭素化により得られる含窒素ガラス状炭素材料は、難加工材料であることから、炭素化処理に先立ち、予め形状を付与しておくことによって、加工負荷を低減することができる。すなわち、上記不融化処理後、さらに、切断、研磨等により、外形を正極の外形に合わせて整えておくことが好ましい。

窒素含有熱硬化性樹脂の加熱温度は、炭素化することができれば特に限定されないが、好ましくは３００〜３０００℃、特に好ましくは６００〜１５００℃である。加熱温度が低くすぎると、結晶子の配向性が低く、充分な電池特性が得られないおそれがある。また、温度が高すぎると、窒素の除去量が多く、所望のＮ／Ｃ比が得られなくなる。
炭素化は、真空中（例えば、０．１ＭＰａ以下）で行うことが好ましい。
炭素化の際の加熱条件により、Ｎ／Ｃ比、ピロール／Ｃ比、Ｇ／Ｄ比、ａ軸方向及びｃ軸法方向の結晶子サイズ、００２面間隔を制御することが可能である。例えば、加熱温度を高くすることによって、Ｇ／Ｄ比、００２面間隔を小さくすることができる。また、加熱温度を高くすることによって、ａ軸方向及びｃ軸方向の結晶子サイズは大きくなる。
また、加熱温度を高く（例えば、８００℃以上）することによって、結晶子の配向性の規則性が高くなり、炭素のナノシェルが形成され、電池特性が向上することも考えられる。さらには、加熱温度を高くすることによって、電気抵抗が低下するという傾向もある。

窒素含有熱硬化性樹脂の炭素化における加熱は、例えば、５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で行うことが好ましい。このように比較的ゆっくりと加熱することによって、結晶子の配向により規則性を増加させることができるからである。

得られた含窒素ガラス状炭素材料を、そのまま正極として用いる場合には、正極表面の平坦性を向上させるために、鏡面研磨を行うことが好ましい。鏡面研磨の方法としては、例えば、水、アルミナ砥粒、及び研磨助剤を用いた鏡面仕上げ研磨等が挙げられる。鏡面研磨による表面の寸法公差は０．０５〜０．１０ｍｍ程度の範囲内とすることが好ましい。
また、炭素化後、或いは、鏡面研磨後の含窒素ガラス状炭素材料の表面には、不純物や、研磨くず等が付着している場合がある。これらを除去する方法として、塩素ガス雰囲気下や塩化水素ガス雰囲気下で、高温（例えば、２０００〜３０００℃）で加熱することによって、金属不純物を除去する方法があるが、上記のような高温処理では窒素成分が脱離してしまう。そのため、炭素化のための加熱温度よりも低い温度で、且つ、炭素化の加熱時間よりも短い加熱温度で処理することが好ましい。

本発明の炭素材料は、上記したように、板状や箔状等の場合は、そのまま正極として用いることができる。粉体状や繊維状の炭素材料の場合、又は、板状や箔状等の炭素材料を粉砕した場合には、結着剤、導電助剤、触媒等のその他成分を適宜組み合わせて、正極を形成することができる。

［リチウム空気電池］
上記したように、本発明の炭素材料は、リチウム空気電池の正極を構成する材料として特に有効である。以下、本発明の炭素材料を含む正極を備えたリチウム空気電池について説明する。
図２に示す金属空気電池１０では、酸素を活物質とする正極（空気極）２、Ｌｉ金属からなる負極３、並びに、正極２及び負極３の間でＬｉイオンの伝導を担う電解質４が、正極缶６及び負極缶７で構成される電池ケース内に収容されている。正極缶６及び負極缶７は、ガスケット８により固定されており、電池ケースが封止されている。

正極２は、酸素の酸化還元反応の場であり、正極缶６に設けられた空気孔９から取り込まれた空気（酸素）が供給される。正極２は、本発明の炭素材料を少なくとも含む。
正極２には、正極２の集電を行う正極集電体５が設けられている。正極集電体５は、多孔質構造を有する導電性材料（例えば、金属メッシュ）から構成されており、空気孔９から取り込まれた空気（酸素）が、正極集電体５を経て正極２に供給可能となっている。

負極３は、負極活物質であるＬｉ金属を含み、伝導イオン種であるＬｉイオンを吸蔵・放出可能である。

電解質４は、支持電解質塩（例えば、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２等のＬｉ塩）を非水溶媒（例えば、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド等）に溶解した電解液を含んでいる。正極２と負極３との間には、絶縁性及び多孔質構造を有するセパレータが配置されており（図示せず）、該セパレータの多孔質内に上記電解液が含浸されている。

以下、リチウム空気電池の各構成について説明する。
（正極）
正極は、少なくとも、上記本発明の炭素材料を含有する。正極は、本発明の炭素材料のみにより構成されていてもよい。本発明の炭素材料を、板状等の正極として使用しうる形状に成形することで、本発明の炭素材料のみで正極を成形することができる。或いは、粉体状や繊維状の本発明の炭素材料を、結着剤を用いて、成形することもできる。
本発明の正極材料については、既述したため、ここでの説明は省略する。

正極における本発明の炭素材料の含有量は、特に限定されず、例えば、正極全体の重量を１００ｗｔ％とすると、本発明の炭素材料のみで正極を形成する場合には、その含有量は１００ｗｔ％となる。
一方、粉体状や繊維状の本発明の炭素材料を用いる場合には、その含有量は、４０〜９５ｗｔ％であることが好ましく、特に、５５〜９０ｗｔ％であることが好ましい。炭素材料の含有割合が４０ｗｔ％未満であると、正極の導電性が充分でなく、内部抵抗が高くなり、出力が低下するおそれがある。また、炭素材料の含有割合が９５ｗｔ％を超えると、正極の形状安定性が不十分になるおそれがある。

正極は、必要に応じて、本発明の炭素材料以外の導電性材料、結着剤、触媒等を含有していてもよい。
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）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲゴム）等を挙げることができる。正極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、正極全体の重量を１００ｗｔ％とした場合に、５〜６０重量％であることが好ましい。
導電性材料としては、導電性を有していればよく、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素繊維等の導電性炭素材料を挙げることができる。
また、触媒としては、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。

正極の厚さは、リチウム空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば２μｍ〜５００μｍの範囲内、特に５μｍ〜３００μｍの範囲内であることが好ましい。

正極は、必要に応じて、該正極の集電を行う正極集電体を備えていてもよい。正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。
正極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及び繊維状の他、不織布及びメッシュ（グリッド）等の多孔質状などを挙げることができる。多孔質状の集電体を使用する場合、図２のように、正極と集電体とを積層してもよいし、或いは、正極の内部に集電体を配置してもよい。また、後述する電池ケースが正極集電体の機能を兼ね備えていてもよい。
正極集電体の厚さは、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。

正極集電体を備える正極の製造方法は、特に限定されず、例えば、板状や箔状の本発明の炭素材料と正極集電体とを重ね合わせ、適宜、加圧等を行い、積層する方法、或いは、少なくとも本発明の炭素材料、及び必要に応じて結着剤等を混合した正極材ペーストを、正極集電体の表面に塗布、乾燥させる方法等が挙げられる。或いは、上記正極材ペーストを塗布、乾燥して得られた正極を、正極集電体と重ね合わせ、適宜、加圧や加熱等を行い、積層する方法も挙げられる。

正極材ペーストの溶媒としては、揮発性を有していれば特に限定されず、適宜選択することができる。具体的には、エタノール、アセトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等が挙げられる。
正極材ペーストを塗布する方法は特に限定されず、ドクターブレード、スプレー法等の一般的な方法を用いることができる。

（負極）
負極は、リチウムイオンを放出・取り込み可能な負極活物質を含有する。負極活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウム元素を含有する合金材料、リチウム化合物等が挙げられる。また、グラファイト等の炭素材料や本発明の電極材料も負極活物質として用いることができる。中でも、高容量且つ高電位が得られることから、リチウム金属が好ましい。
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、リチウム化合物としては、例えばリチウムチタン酸化物等の酸化物、リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等の窒化物等を挙げることができる。

負極は、負極活物質のみを含有するものであってもよく、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よい。例えば、負極活物質が箔状や板状である場合は、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、負極活物質が粉体状である場合は、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「正極」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。

負極には、該負極の集電を行う負極集電体が設けられていてもよい。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。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よい。

負極の製造方法は特に限定されない。例えば、箔状の負極活物質と負極集電体とを重ね合わせて加圧する方法が挙げられる。また、別の方法として、負極活物質と結着材とを含有する負極材混合物を調製し、該混合物を負極集電体上に塗布、乾燥する方法を挙げることができる。

（電解質）
電解質は、正極と負極との間に保持され、正極と負極との間でリチウムイオンを伝導する働きを有する。
電解質は、リチウムイオン伝導性を有していればその形態に限定はなく、例えば、電解液、固体電解質、ゲル電解質等を用いることができる。
電解液は、電解質塩を溶媒に溶解したものであり、非水系溶媒に電解質塩を溶解した非水系電解液及び水系溶媒に電解質塩を溶解した水系電解液のいずれを用いてもよい。

非水系電解液は、リチウム塩及び非水溶媒を含有するものである。
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［略称 Ｌｉ−ＴＦＳＡ］、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。
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及びこれらの混合物等を挙げることができる。
また、イオン性液体を非水溶媒として用いることもできる。イオン性液体としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−Ｎ−プロピルアンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：ＴＭＰＡ−ＴＦＳＡ］、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：ＰＰ１３−ＴＦＳＡ］、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：Ｐ１３−ＴＦＳＡ］、Ｎ−メチル−Ｎ−ブチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：Ｐ１４−ＴＦＳＡ］、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：ＤＥＭＥ−ＴＦＳＡ］等の脂肪族４級アンモニウム塩、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムフルオロハイドロジェネート（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［略称：ｅｍｉｍ（ＨＦ）_２，３Ｆ−ＴＦＳＡ］等が挙げられる。イオン性液体は、高粘度の傾向があり、電解液の漏液防止の観点から好ましいといえる。
非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．３ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌの範囲内とすることができる。

非水電解液にポリマーを添加してゲル化することで、非水系ゲル電解質を得ることができる。非水電解液のゲル化に用いるポリマーとしては、例えば、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）等が挙げられる。
水系電解質としては、水にリチウム塩を含有させた水系電解液が挙げられる。リチウム塩としては、例えばＬｉＯＨ、ＬｉＣｌ、ＬｉＮＯ_３、ＣＨ_３ＣＯ_２Ｌｉ等を挙げることができる。
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。

（セパレータ）
正極と負極との間の絶縁性を確保するために、正極と負極との間には、絶縁性多孔質体からなるセパレータを配置することができる。典型的には、絶縁性多孔質体からなるセパレータに電解質を含浸させることで、正極と負極との間の絶縁性及びリチウムイオン伝導性を確保することができる。
また、正極−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正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。
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。

（電池ケース）
リチウム空気電池は、通常、正極、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、正極に酸素を供給可能であれば、外部からの酸素取り込みを可能とする孔（空気孔）を有する開放型であってもよく、或いは密閉型であってもよい。
開放型の電池ケースは、少なくとも正極が十分に酸素含有気体と接触可能な構造を有する。一方、密閉型の電池ケースには、酸素含有気体の導入管および排気管を設けることができる。正極に供給される酸素含有気体としては、例えば、純酸素や空気が挙げられ、酸素濃度が高いことが好ましいことから、純酸素が好ましい。

［炭素材料の作製］
（実施例１、参考例２、実施例３〜４、比較例１）
図３に示すフローに基づき、以下のようにして炭素材料を作製した。
炭素材料の出発原料として、液状の窒素含有レゾール型フェノール樹脂（商品名：フェノライト、ＤＩＣ社製）（窒素含有熱硬化性樹脂原料）を用い、硬化剤である硫酸と、９０：１０（ｗｔ％）の比率で混合した。
次に、窒素含有レゾール型フェノール樹脂と硫酸との混合物を、シート状に成形した。得られたシートを複数枚重ね、ロールトゥロール法により成形した。成形後、酸素雰囲気下（酸素濃度６０ｖｏｌ％）において、熱処理（３００℃で３時間加熱）して不融化させた。続いて、切断し、外径１２ｍｍ、厚み１ｍｍの樹脂原料成形体を得た。
その後、樹脂原料成形体を、真空中（０．１ＭＰａ）、昇温速度１０℃／ｍｉｎで、室温から、各温度（実施例１：６００℃、参考例２：８００℃、実施例３：１０００℃、実施例４：１５００℃、比較例１：３０００℃）まで昇温し、炭素化した。
得られた炭素材料には、それぞれ、表面の鏡面研磨を行った。鏡面研磨は、水及び研磨助剤を含む研磨液中に、平均粒径が２μｍ以下の破砕アルミナ砥粒を１０％分散させたものを用いて実施した。画像測定機により表面の鏡面状態を確認した。また、マイクロメータにより公差を計測したところ、外径で０．２ｍｍ、厚みで０．１ｍｍであった。

［炭素材料の評価１］
実施例１、参考例２、実施例３〜４、及び比較例１の炭素材料について、以下のようにして、Ｎ／Ｃ比、ピロール／Ｃ比、ピリジン／Ｃ比、Ｇ／Ｄ比、面間隔、ａ軸結晶子サイズ、ｃ軸結晶子サイズ、及び抵抗を測定した。

(Ｎ／Ｃ比)
炭素材料に含まれる窒素と炭素のモル比（Ｎ／Ｃ比）を、Ｘ線光電子分光法（島津製作所、ＥＳＣＡ−３３００）により測定した。結果を表１に示す。

（ピロール／Ｃ比）
炭素材料に含まれるピロールと炭素のモル比（ピロール／Ｃ比）を、次のようにして測定した。結果を表１に示す。
まず、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ法）により、Ｎ／Ｃ比を測定した。一方、ＸＰＳ法により、Ｎ１ｓスペクトルを、ピリジン成分、ピロール成分、酸化物成分、及び４級成分の４成分に、多重ピーク分離し、窒素中のピロール割合（ピロール／Ｎ比）を算出した。次に、測定したＮ／Ｃ比とピロール／Ｎ比とから、ピロール／Ｃ比を算出した。

（ピリジン／Ｃ比）
炭素材料に含まれるピリジンと炭素のモル比（ピリジン／Ｃ比）を、次のようにして測定した。結果を表１に示す。
まず、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ法）により、Ｎ／Ｃ比を測定した。一方、ＸＰＳ法により、Ｎ１ｓスペクトルを、ピリジン成分、ピロール成分、酸化物成分、及び４級成分の４成分に、多重ピーク分離し、窒素中のピリジン割合（ピリジン／Ｎ比）を算出した。次に、測定したＮ／Ｃ比とピリジン／Ｎ比とから、ピリジン／Ｃ比を算出した。

（Ｇ／Ｄ比）
炭素材料にアルゴンレーザーを２００秒照射した後、５μｍごとに区切られた１００点について、ラマンスペクトル測定を行い、グラファイトに由来するＧバンドと、欠陥由来のＤバンドの面積比（＝Ｄバンドのピーク面積／Ｇバンドのピーク面積）を算出した。結果を表２及び図４に示す。

（００２面間隔）
Ｘ線回折により、ＪＩＳ Ｒ７６５１に準じて、００２面の平均面間隔を測定した。結果を表２及び図５に示す。

（ａ軸結晶子サイズ、ｃ軸結晶子サイズ）
Ｘ線回折により、ＪＩＳ Ｒ７６５１に準じて、ａ軸方向の結晶子の大きさ、及びｃ軸方向の結晶子の大きさを測定した。結果を表２及び図６に示す。

（抵抗）
直径２０ｍｍの金属板で試験片を挟み、０．３２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を印加した状態で、２端子法により、電気抵抗を測定した。結果を表２及び図７に示す。

［炭素材料の評価２］
実施例１、参考例２、実施例３〜４、及び比較例１の炭素材料について、ＴＥＭ観察を行った。実施例３及び比較例１のＴＥＭ写真を図８（８Ａ：実施例３、８Ｂ：比較例１）に示す。実施例１、参考例２、及び実施例３〜４のいずれの炭素材料も、図８の８Ａに示すようなガラス状の複雑な網目状構造を有することが確認された。一方、比較例１の炭素材料は、図８の８Ｂに示すような、等方的な構造を有し、密な組織が存在することが確認された。

［炭素材料の評価３］
（実施例１、参考例２、実施例３〜４、比較例１）
上記にて鏡面研磨を行った、実施例１、参考例２、実施例３〜４及び比較例１の炭素材料をそのまま、正極として用いてリチウム空気電池を作製し、以下のようにして充放電試験を行った。
まず、上記にて作製した実施例１、参考例２、実施例３〜４、比較例１の炭素材料を正極として用いて、以下のようにして、図９に示すリチウム空気電池セルを作製した。すなわち、負極１１として金属リチウム箔（極東金属製、厚み２００μｍ、φ１５ｍｍ）と、電解液１２としてＬｉＴＦＳＡのＰＰ１３−ＴＦＳＡ溶液（ＬｉＴＦＳＡ濃度０．３２ｍｏｌ／ｋｇ）と、セパレータ（図示せず）としてポリプロピレン不織布（旭化成製、ＪＨ１００４Ｎ）とを用いた。図９に示すように、正極１３である炭素材料にはＳＵＳ集電体（正極集電体）１４を設け、負極１１であるリチウム箔にはニッケル線１５を負極集電体として設けた。電解液１２は、上記セパレータに含浸させた。
得られたセルをガス置換コック付きガラスデシケータ（５００ｍＬ）内に収容した。該ガラスデシケータ内には、酸素が導入可能であり、酸素を正極へ供給することができる構造とした。
次に、下記条件下、充放電試験を行った。放電容量、及び、クーロン効率（放電容量／充電容量）を表３、図１０に示す。尚、表３には、Ｎ／Ｃ比、ピロール／Ｃ比及びピリジン／Ｃ比もあわせて示す。

＜充放電試験条件＞
・充放電装置：マルチチャンネルポテンショスタット／ガルバノスタット（ＶＭＰ３、Ｂｉｏ−Ｌｏｇｉｃ社製）
・電流密度：６．３７×１０^−５ｍＡ／ｃｍ^２（設定電流値は、電極面積φ１０ｍｍにより５０ｎＡ）
・充放電終止電圧：２Ｖ−３．８５Ｖ（１サイクル）
・雰囲気温度（ガラスデシケータ内温度）：６０℃（試験開始前に、セルを６０℃恒温槽において３時間静置）
・充放電時セル内圧力：酸素（Ｏ_２）１気圧

図１１に、実施例１の放電後（１１Ａ）及び充電後（放電後に充電）（１１Ｂ）の正極表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。また、図１２に、比較例１の放電後（１２Ａ）及び充電後（放電後に充電）（１２Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真を示す。
図１１及び図１２より、実施例１の炭素材料からなる正極では、比較例１の炭素材料からなる正極と比較して、放電後の析出物が小さく、また、この小さな析出物が充電によって消滅（分解）したことが確認された。一方、比較例１の炭素材料からなる正極では、放電によって大きな析出物が生成し、充電後も電極表面に残っていた。この結果から、実施例１の炭素材料からなる正極は、比較例１の炭素材料からなる正極と比べて劣化が少ないといえる。

また、図１３に、実施例３の充放電試験前（１３Ａ）及び充放電試験後（１３Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真を示す。
図１３より、実施例３の炭素材料からなる正極では、充放電により、電極表面に小さな析出物の生成が確認されたものの、表面の平滑性は維持されていることから、劣化が小さいといえる。

（比較例２）
まず、以下のようにして、正極を作製した。すなわち、カーボンブラック（ケッチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤ）を、エタノール（溶媒）中、ポリテトラフルオロエチレン（結着剤）と混合し、正極材ペーストを調製した。正極材ペースト中、カーボンブラック：ポリテトラフルオロエチレン＝９０ｗｔ％：１０ｗｔ％とした。続いて、正極材ペーストを、基材上に塗布した後、ロールプレスで圧延した。次に、真空中、６０℃で乾燥（前乾燥）させた後、切断し、さらに、真空中、１２０℃で乾燥（最終乾燥）させた。得られた正極を基材から剥離した。
次に、上記にて得られた正極を用いて、実施例１、参考例２、及び実施例３〜４と同様にして、リチウム空気電池セルを作製し、充放電試験を行った。
図１４に、比較例２の充放電試験前（１４Ａ）及び充放電試験後（１４Ｂ）の正極表面のＳＥＭ写真を示す。
図１４より、充放電前には平滑だった電極表面が、充放電により、大きな凹凸の形成が確認された。これは、析出物の生成や、炭素材料の分解等が原因と考えられ、劣化が大きいといえる。特に、図１３に示した実施例３と比較すると、凹凸が大きく、劣化が大きいことがわかる。

上記「炭素材料の評価２」において述べたように、比較例１の炭素材料はガラス状を呈していないのに対して、実施例１、参考例２、及び実施例３〜４の炭素材料はいずれもガラス状炭素材料であることがＴＥＭ観察により確認された。また、表３より、Ｎ／Ｃ比が１．９×１０^−２以上である実施例１、参考例２、実施例３〜４の炭素材料を正極として用いたリチウム空気電池は、窒素を含まない比較例１の炭素材料よりも放電容量に優れていることがわかる。これらの結果から、Ｎ／Ｃ比が１．９×１０^−２以上で、且つ、ガラス状である炭素材料をリチウム空気電池の正極を構成する材料として用いることによって、リチウム空気電池の放電特性の向上が可能であることがわかる。

また、図１５にＮ／Ｃ比と放電容量との関係、図１６にピロール／Ｃ比と放電容量との関係、及び、図１７にＧ／Ｄ比と放電容量との関係を示す。
図１５及び表３より、Ｎ／Ｃ比が、１．９０×１０^−２〜２．１０×１０^−２、中でも１．９４×１０^−２〜２．００×１０^−２である場合、特に優れた放電容量が得られることがわかる。また、図１６及び表３より、ピロール／Ｃ比が、１．４４×１０^−２〜１．５２×１０^−２、中でも１．４７×１０^−２〜１．４８×１０^−２である場合、優れた放電容量が得られることがわかる。さらに、図１７及び表２、３より、Ｇ／Ｄ比が１．５以下、特に０．７以下で放電特性が高いことがわかる。

また、図１８にＮ／Ｃ比とクーロン効率との関係、及び図１９にピリジン／Ｃ比とクーロン効率との関係を示す。
図１８より、Ｎ／Ｃ比が、１．９５×１０^−２〜２．２５×１０^−２、中でも２．００×１０^−２〜２．１９×１０^−２である場合、放電容量に優れていると共にクーロン効率にも優れていることがわかる。また、図１９より、ピリジン／Ｃ比が、０．４７×１０^−２〜０．５０×１０^−２、中でも０．４８×１０^−２である場合、優れたクーロン効率が得られることがわかる。

また、実施例１、参考例２、及び実施例３〜４において、上記放電容量の結果と、図４〜図７の結果とから、次のことがいえる。
すなわち、焼成温度が高いほど、Ｇ／Ｄ比、面間隔、及び電気抵抗は、低くなる傾向があった。一方、焼成温度が高いほど、ａ軸結晶子のサイズ及びｃ軸結晶子のサイズは、大きくなる傾向があった。また、放電容量は、Ｇ／Ｄ比が１．５以下、特に０．７以下において、面間隔が３．７〜４．２Å、特に３．７５〜４．１Åにおいて高かった。また、ａ軸方向の結晶子のサイズが２２〜２７Å、特に２２．５〜２６．３Åにおいて、ｃ軸方向の結晶子のサイズが１１〜１６Å、特に１２．５〜１５Åにおいて、放電容量が高くなった。

１…析出物
２…正極
３…負極
４…電解質
５…正極集電体
６…正極缶
７…負極缶
８…ガスケット
９…空気孔
１０…空気金属電池
１１…負極
１２…電解液
１３…正極
１４…正極集電体
１５…負極集電体

Claims (6)

1. リチウム空気電池の正極を構成する炭素材料であって、
   窒素を炭素に対するモル比で１．９×１０^−２以上２．２５×１０ ^−２ 以下含有し、且つ、ガラス状であることを特徴とする、リチウム空気電池正極用炭素材料。
2. 炭素に対する窒素のモル比が、１．９０×１０^−２〜２．１０×１０^−２である、請求項１に記載のリチウム空気電池正極用炭素材料。
3. 炭素に対する窒素のモル比が、１．９５×１０^−２〜２．２５×１０^−２である、請求項１に記載のリチウム空気電池正極用炭素材料。
4. ピロールを含有し、炭素に対するピロールのモル比が、１．４４×１０^−２〜１．５２×１０^−２である、請求項１又は２に記載のリチウム空気電池正極用炭素材料。
5. ピリジンを含有し、炭素に対するピリジンのモル比が、０．４７×１０^−２〜０．５０×１０^−２である、請求項１又は３に記載のリチウム空気電池正極用炭素材料。
6. 正極、負極、及び、前記正極と前記負極との間に介在する電解質を備えるリチウム空気電池であって、前記正極が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の炭素材料を含有することを特徴とする、リチウム空気電池。