JP5755604B2 - Carbon material for air electrode for metal air battery, air electrode for metal air battery and metal air battery - Google Patents

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Description

本発明は、金属空気電池の空気極を構成する炭素材料、金属空気電池用空気極、及び金属空気電池に関する。   The present invention relates to a carbon material constituting an air electrode of a metal-air battery, a metal-air battery air electrode, and a metal-air battery.

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。空気電池としては、例えば、リチウム空気電池、マグネシウム空気電池、亜鉛空気電池等の金属空気電池が知られている。
金属空気電池は、空気極において酸素の酸化還元反応が行われ、負極において金属の酸化還元反応が行われることで、充放電が可能である。例えば、伝導イオンが一価の金属イオンである金属空気電池(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る。尚、下記式においてMは金属種を示す。
An air battery using oxygen as a positive electrode active material has advantages such as high energy density, easy size reduction and weight reduction. Therefore, it is attracting attention as a high-capacity battery that exceeds the lithium secondary battery that is currently widely used. As an air battery, metal air batteries, such as a lithium air battery, a magnesium air battery, and a zinc air battery, are known, for example.
The metal-air battery can be charged and discharged by performing an oxygen redox reaction at the air electrode and a metal redox reaction at the negative electrode. For example, in a metal air battery (secondary battery) in which conductive ions are monovalent metal ions, the following charge / discharge reaction is considered to proceed. In the following formula, M represents a metal species.

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

金属空気電池は、一般的に、炭素材料及び結着剤を含む空気極と、負極活物質(金属や合金等)を含む負極と、空気極及び負極の間に介在する電解質とを備える構造を有する。金属空気電池は、通常、さらに、空気極の集電を行う空気極集電体と、負極の集電を行う負極集電体とを有する。   A metal-air battery generally has a structure comprising an air electrode containing a carbon material and a binder, a negative electrode containing a negative electrode active material (metal, alloy, etc.), and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode. Have. The metal-air battery usually further includes an air electrode current collector that collects the air electrode and a negative electrode current collector that collects the negative electrode.

空気極は、一般的に、炭素材料を主体として形成される。具体的には、特許文献1には、直径1nm以上の細孔の占める細孔容積が1.0ml/g以上の炭素質物を主体とする正極と、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質を具備する負極と、正極および負極に挟まれた非水電解質層とを具備することを特徴とする非水電解質電池が開示されている。
また、特許文献2には、正極と、負極と、非水電解質と、正極に酸素を供給するための空気孔を備えるケースとを具備した非水電解質空気電池が開示されており、正極を構成する炭素質物として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が用いられている。
また、特許文献3には、カーボンを主体とするガス拡散型酸素電極を正極として用い、負極として金属リチウム又はリチウム含有物質を使用し、正極と負極との間に非水電解質が配置される構造を有するリチウム空気電池が開示されている。特許文献3の実施例では、正極を構成するカーボンとして、ケッチェンブラックが用いられている。
The air electrode is generally formed mainly of a carbon material. Specifically, Patent Document 1 includes a positive electrode mainly composed of a carbonaceous material having a pore volume of 1.0 ml / g or more, and a negative electrode active material that absorbs and releases metal ions. A non-aqueous electrolyte battery comprising a negative electrode and a non-aqueous electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode is disclosed.
Patent Document 2 discloses a nonaqueous electrolyte air battery including a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte, and a case having an air hole for supplying oxygen to the positive electrode. As the carbonaceous material to be used, ketjen black, acetylene black and the like are used.
Patent Document 3 discloses a structure in which a gas diffusion oxygen electrode mainly composed of carbon is used as a positive electrode, metallic lithium or a lithium-containing material is used as a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte is disposed between the positive electrode and the negative electrode. A lithium air battery having In the example of Patent Document 3, ketjen black is used as the carbon constituting the positive electrode.

特開2002−15737号公報JP 2002-15737 A 特開2006−286414号公報JP 2006-286414 A 特開2011−14478号公報JP 2011-14478 A

しかしながら、特許文献1〜3のように、従来のケッチェンブラック等の炭素材料を用いた金属空気電池では、充分な放電電圧が得られていないという問題がある。   However, as disclosed in Patent Documents 1 to 3, a conventional metal-air battery using a carbon material such as ketjen black has a problem that a sufficient discharge voltage is not obtained.

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、放電過電圧を低下させることにより、金属空気電池の放電電圧の向上を可能とする、空気極用炭素材料を提供することである。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a carbon material for an air electrode that can improve the discharge voltage of a metal-air battery by reducing the discharge overvoltage. That is.

本発明の空気極用炭素材料は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池の前記空気極を構成する炭素材料であって、
水蒸気賦活処理において、原料となる炭素材料を昇温速度5℃/minで加熱することにより得られ、且つ、表面の酸素含有量が7原子%以上であることを特徴とする。
本発明の空気極用炭素材料によれば、金属空気電池の放電過電圧を低減させることが可能であり、金属空気電池の放電電圧の向上が達成できる。
The carbon material for an air electrode of the present invention constitutes the air electrode of a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. Carbon material
In the steam activation treatment, the carbon material as a raw material is obtained by heating at a heating rate of 5 ° C./min, and the oxygen content on the surface is 7 atomic% or more.
According to the carbon material for an air electrode of the present invention, the discharge overvoltage of the metal-air battery can be reduced, and the discharge voltage of the metal-air battery can be improved.

本発明の空気極用炭素材料は、前記水蒸気賦活処理において、800℃まで加熱することが好ましい。
本発明の空気極用炭素材料は、前記水蒸気賦活処理において、800℃に到達したとき、前記原料となる炭素材料50gに対して10ml/minの水蒸気を供給することが好ましい。
本発明の空気極用炭素材料は、前記水蒸気賦活処理において、前記水蒸気を15分間以上供給することが好ましい。
本発明の空気極用炭素材料は、細孔容積が1.5ml/g以上であることが好ましい。
本発明において、前記酸素含有量は20原子%以下であることが好ましい。
The carbon material for an air electrode of the present invention is preferably heated to 800 ° C. in the steam activation treatment.
When the carbon material for an air electrode of the present invention reaches 800 ° C. in the steam activation treatment, it is preferable to supply 10 ml / min of water vapor to 50 g of the carbon material as the raw material.
The carbon material for an air electrode of the present invention preferably supplies the water vapor for 15 minutes or more in the water vapor activation treatment.
Carbon material for the air electrode of the present invention is preferably a pore volume is 1.5 ml / g or more.
In the present invention, the oxygen content is preferably 20 atomic% or less.

本発明の金属空気電池用空気極は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池を構成する空気極であって、上記本発明の空気極用炭素材料を含むことを特徴とするものである。
また、本発明の金属空気電池は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池であって、前記空気極が上記本発明の空気極用炭素材料を含むことを特徴とするものである。
本発明の金属空気電池は、リチウム空気電池であって、前記リチウム空気電池の前記負極は、負極活物質として、リチウム金属、リチウム元素を含有する合金材料、又は、リチウム化合物を含むことが好ましい。
An air electrode for a metal-air battery of the present invention is an air electrode constituting a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. However, the carbon material for an air electrode according to the present invention is included.
The metal-air battery of the present invention is a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. The electrode includes the carbon material for an air electrode of the present invention.
The metal-air battery of the present invention is a lithium-air battery, and the negative electrode of the lithium-air battery preferably includes lithium metal, an alloy material containing a lithium element, or a lithium compound as a negative electrode active material.

本発明によれば、金属空気電池の放電電圧特性を向上させることが可能である。   According to the present invention, it is possible to improve the discharge voltage characteristics of a metal-air battery.

金属空気電池の一形態例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one example of a metal air battery. 実施例及び比較例における空気極の製造プロセスフローを示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process flow of the air electrode in an Example and a comparative example. 実施例及び比較例の炭素材料の表面酸素含有量と放電電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the surface oxygen content of the carbon material of an Example and a comparative example, and discharge voltage.

[空気極用炭素材料]
本発明の空気極用炭素材料は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池の前記空気極を構成する炭素材料であって、
表面の酸素含有量が7原子%以上であることを特徴とする。
[Carbon material for air electrode]
The carbon material for an air electrode of the present invention constitutes the air electrode of a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. Carbon material
The surface oxygen content is 7 atomic% or more.

本発明の炭素材料は、金属空気電池の空気極を構成するものである。以下、リチウム空気電池を例に、図1を用いて、本発明の炭素材料を含む空気極を備えた金属空気電池について説明する。
図1に示す金属空気電池9では、酸素を活物質とする空気極(正極)1、金属(例えば、Li金属)からなる負極2、並びに、空気極1及び負極2の間で金属イオン(例えばLiイオン)の伝導を担う電解質層3が、空気極缶5及び負極缶6で構成される電池ケース内に収容されている。空気極缶5及び負極缶6は、ガスケット7により固定されており、電池ケース内が封止されている。
The carbon material of the present invention constitutes an air electrode of a metal-air battery. Hereinafter, a metal air battery including an air electrode containing the carbon material of the present invention will be described with reference to FIG. 1 by taking a lithium air battery as an example.
In the metal-air battery 9 shown in FIG. 1, an air electrode (positive electrode) 1 using oxygen as an active material, a negative electrode 2 made of metal (for example, Li metal), and metal ions (for example, between the air electrode 1 and the negative electrode 2) The electrolyte layer 3 responsible for the conduction of (Li ions) is accommodated in a battery case composed of an air electrode can 5 and a negative electrode can 6. The air electrode can 5 and the negative electrode can 6 are fixed by a gasket 7, and the inside of the battery case is sealed.

空気極1は、酸素の酸化還元反応場であり、空気極缶5に設けられた空気孔8から取り込まれた空気(酸素)が供給される。空気極1は、本発明の炭素材料及び結着剤(例えば、ポリテトラフルオロエチレン)を含んでいる。空気極1には、空気極1の集電を行う空気極集電体4が設けられている。空気極集電体4は、多孔質構造を有する導電性材料(例えば、金属メッシュ)から構成されており、空気孔8から取り込まれた空気(酸素)が、空気集電体4を経て空気極1に供給可能となっている。   The air electrode 1 is an oxygen redox reaction field, and is supplied with air (oxygen) taken from an air hole 8 provided in the air electrode can 5. The air electrode 1 contains the carbon material of the present invention and a binder (for example, polytetrafluoroethylene). The air electrode 1 is provided with an air electrode current collector 4 for collecting the air electrode 1. The air electrode current collector 4 is made of a conductive material (for example, a metal mesh) having a porous structure, and air (oxygen) taken in from the air holes 8 passes through the air current collector 4 to form an air electrode. 1 can be supplied.

負極2は、電極活物質である金属(例えば、Li金属)からなる。すなわち、負極2は、伝導イオン種である金属イオン(Liイオン)を吸蔵・放出可能である。   The negative electrode 2 is made of a metal (for example, Li metal) that is an electrode active material. That is, the negative electrode 2 can occlude / release metal ions (Li ions) which are conductive ion species.

電解質層3は、支持電解質塩(例えば、LiN(SOCF等のLi塩)を非水溶媒(例えば、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)アミド等)に溶解した電解液を含んでいる。空気極1と負極2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電解液が含浸されている。 The electrolyte layer 3 is composed of a supporting electrolyte salt (for example, a Li salt such as LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ) and a nonaqueous solvent (for example, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium). An electrolyte solution dissolved in bis (trifluoromethanesulfonyl) amide). A separator having an insulating property and a porous structure is arranged between the air electrode 1 and the negative electrode 2 (not shown), and the electrolyte is impregnated in the porous portion of the separator.

本発明において、金属空気電池とは、酸素を活物質とする空気極と、負極と、空気極及び負極との間に介在する電解質層とを有するものであり、空気極において酸素の酸化還元反応が行われ、負極において金属の酸化還元反応が行われることで、充放電が可能なものであれば特に限定されず、例えば、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カリウム空気電池、マグネシウム空気電池、カルシウム空気電池、アルミニウム空気電池、亜鉛空気電池、鉄空気電池等が挙げられる。   In the present invention, the metal-air battery has an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. And is not particularly limited as long as it can be charged and discharged by performing a metal redox reaction at the negative electrode. For example, lithium-air battery, sodium-air battery, potassium-air battery, magnesium-air battery, calcium Examples include an air battery, an aluminum air battery, a zinc air battery, and an iron air battery.

従来、空気極を形成する炭素材料として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の粉末状炭素材料が用いられてきた。空気極の形成材料として適した粉末状炭素材料の比表面積や細孔容積等の表面構造については検討されてきたものの、炭素材料の表面改質による空気極特性の向上については、従来、検討されていなかった。   Conventionally, powdery carbon materials such as ketjen black and acetylene black have been used as carbon materials forming the air electrode. Although surface structures such as specific surface area and pore volume of powdered carbon materials suitable as air electrode forming materials have been studied, improvement of air electrode characteristics by surface modification of carbon materials has been studied in the past. It wasn't.

本発明者らは、空気極を構成する炭素材料として従来使用されてきた粉末状炭素材料に対して表面改質処理を行い、その表面における酸素含有量と空気極特性との関係について、検討したところ、酸素含有量が7原子%以上である炭素材料を用いることで、放電過電圧を低減できることを見出した。
表面における酸素含有量が7原子%以上である炭素材料を用いて空気極を形成することによって、金属空気電池の放電過電圧を低減できる理由は、次のように推測される。
すなわち、炭素材料の表面における酸素原子の含有量は、炭素材料表面の性状(官能基)に由来するものと考えられる。炭素材料表面の酸素原子含有量が増加するにつれて、炭素材料の表面性状が変化し、電解液とのぬれ性改善や活性サイトの増加等により、放電過電圧が減少するものと推測される。
The present inventors performed a surface modification treatment on a powdery carbon material conventionally used as a carbon material constituting the air electrode, and examined the relationship between the oxygen content on the surface and the air electrode characteristics. However, it has been found that the discharge overvoltage can be reduced by using a carbon material having an oxygen content of 7 atomic% or more.
The reason why the discharge overvoltage of the metal-air battery can be reduced by forming the air electrode using a carbon material having an oxygen content of 7 atomic% or more on the surface is presumed as follows.
That is, it is considered that the content of oxygen atoms on the surface of the carbon material is derived from the properties (functional groups) on the surface of the carbon material. As the oxygen atom content on the surface of the carbon material increases, the surface properties of the carbon material change, and it is presumed that the discharge overvoltage decreases due to improvement in wettability with the electrolytic solution and increase in active sites.

本発明の空気極用炭素材料(以下、単に「炭素材料」ということがある)の表面における酸素含有量(原子%)は、一般的に用いられるCHNOS(炭素、水素、窒素、酸素、硫黄)元素分析により測定することができる。   The oxygen content (atomic%) on the surface of the air electrode carbon material of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “carbon material”) is CHNOS commonly used (carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur). It can be measured by elemental analysis.

本発明の炭素材料の表面における酸素含有量(以下、表面酸素含有量ということがある)は、7原子%以上であれば特に限定されないが、20原子%以下であることが好ましい。   The oxygen content (hereinafter sometimes referred to as surface oxygen content) on the surface of the carbon material of the present invention is not particularly limited as long as it is 7 atomic% or more, but is preferably 20 atomic% or less.

表面酸素含有量が7原子%以上の炭素材料は、例えば、水蒸気賦活法により製造することができる。水蒸気賦活法による具体的な製造方法としては、以下のような方法が挙げられる。例えば、ローターリー式熱処理放置に投入した炭素材料を、アルゴン雰囲気下、800℃まで加熱し、800℃に到達したら、水蒸気を供給する方法が挙げられる。水蒸気の供給速度と供給時間を調整することにより、表面の酸素含有量を制御することができる。加熱時の昇温速度は特に限定されず、例えば、5℃/minとすることができる。また、水蒸気の供給は、例えば、炭素材料50gに対して10ml/minにて行うことができる。水蒸気賦活処理を行う炭素材料としては、従来、空気極を構成する導電性炭素材料として用いられているもの、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材料が挙げられる。
炭素材料の表面酸素含有量を制御する方法は、上記方法に限られず、例えば、原料となる炭素材料に対して酸処理を施す方法も挙げられる。
酸素含有量を制御した炭素材料は、粉砕処理を施すことが好ましい。炭素材料の凝集が抑制され、粒径分布の小さい炭素材料を得ることができるからである。粉砕処理としては、一般的な方法を採用することができる。
A carbon material having a surface oxygen content of 7 atomic% or more can be produced by, for example, a steam activation method. Specific production methods by the steam activation method include the following methods. For example, there is a method in which a carbon material put into a rotary heat treatment is heated to 800 ° C. in an argon atmosphere, and when reaching 800 ° C., water vapor is supplied. The oxygen content on the surface can be controlled by adjusting the supply rate and supply time of the water vapor. The temperature increase rate at the time of a heating is not specifically limited, For example, it can be set to 5 degrees C / min. Moreover, supply of water vapor | steam can be performed at 10 ml / min with respect to 50 g of carbon materials, for example. Examples of the carbon material to be subjected to the steam activation treatment include those conventionally used as conductive carbon materials constituting the air electrode, for example, carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, and carbon materials such as carbon nanotubes. .
The method for controlling the surface oxygen content of the carbon material is not limited to the above method, and for example, a method of subjecting the carbon material as a raw material to acid treatment can also be mentioned.
The carbon material whose oxygen content is controlled is preferably subjected to pulverization. This is because agglomeration of the carbon material is suppressed and a carbon material having a small particle size distribution can be obtained. A general method can be adopted as the pulverization treatment.

炭素材料は、細孔容積が1.5ml/g以上であることが好ましい。炭素材料の細孔容積は、例えば、BJH法等の既知のNガス吸着法等により測定することができる。 The carbon material preferably has a pore volume of 1.5 ml / g or more. The pore volume of the carbon material can be measured by, for example, a known N 2 gas adsorption method such as the BJH method.

本発明の炭素材料の形状は特に限定されないが、空気極の作製過程において、スラリー化した際に、スラリー中に高分散できることから、粒子状であることが好ましい。
粒子状炭素材料のサイズは特に限定されないが、例えば、平均一次粒子径が、100nm以下であることが好ましい。粒子状炭素材料の平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡の観察像によって測定することができる。具体的には、観察像の一次粒子の直径を測定し、算出される平均値を平均一次粒子径とすることができる。透過型電子顕微鏡の倍率は、例えば、400,000倍以上であることが望ましい。
Although the shape of the carbon material of the present invention is not particularly limited, it is preferably in the form of particles since it can be highly dispersed in the slurry when it is slurried in the air electrode manufacturing process.
The size of the particulate carbon material is not particularly limited, but for example, the average primary particle diameter is preferably 100 nm or less. The average primary particle diameter of the particulate carbon material can be measured by an observation image of a transmission electron microscope. Specifically, the diameter of the primary particles of the observed image can be measured, and the calculated average value can be used as the average primary particle diameter. The magnification of the transmission electron microscope is desirably, for example, 400,000 times or more.

上記したように、本発明の炭素材料は、金属空気電池の空気極を構成する材料として用いることができる。以下、リチウム空気電池を例に、上記炭素材料を含む本発明の金属空気電池用空気極、及び、上記炭素材料を含む空気極を備えた本発明の金属空気電池について説明する。
[金属空気電池用空気極]
本発明の金属空気電池用空気極は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池を構成する空気極であって、上記本発明の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする。
空気極は、少なくとも本発明の炭素材料を含有し、さらに、結着剤等のその他の成分を必要に応じて含有していてもよい。また、空気極には、通常、空気極の集電を行う空気極集電体を設けることができる。
本発明の炭素材料については、上記[空気極用炭素材料]において説明したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
As described above, the carbon material of the present invention can be used as a material constituting the air electrode of a metal-air battery. Hereinafter, taking the lithium air battery as an example, the metal-air battery air electrode of the present invention including the carbon material and the metal-air battery of the present invention including the air electrode including the carbon material will be described.
[Air electrode for metal-air battery]
An air electrode for a metal-air battery of the present invention is an air electrode constituting a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode. And the carbon material for air electrodes of the said invention is included, It is characterized by the above-mentioned.
The air electrode contains at least the carbon material of the present invention, and may further contain other components such as a binder as necessary. The air electrode can be provided with an air electrode current collector that normally collects the air electrode.
The carbon material of the present invention is the same as that described in the above [Carbon material for air electrode], and the description thereof is omitted here.

空気極における本発明の炭素材料の含有量は、特に限定されないが、例えば、空気極全体の質量を100wt%とした場合に、10〜99wt%であることが好ましく、特に、50〜95wt%であることが好ましい。炭素材料の含有割合が10wt%未満であると、空気極における反応場が減少して、電池容量の低下を招くおそれがある。   The content of the carbon material of the present invention in the air electrode is not particularly limited. For example, when the mass of the entire air electrode is 100 wt%, it is preferably 10 to 99 wt%, and particularly 50 to 95 wt%. Preferably there is. When the content ratio of the carbon material is less than 10 wt%, the reaction field at the air electrode is reduced, which may cause a reduction in battery capacity.

空気極は、炭素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、空気極全体の質量を100wt%とした場合に、40wt%未満であることが好ましく、1〜20wt%であることがより好ましい。   The air electrode preferably contains a binder that immobilizes the carbon 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 is not particularly limited, but when the mass of the entire air electrode is 100 wt%, it is preferably less than 40 wt%, and preferably 1 to 20 wt%. More preferred.

空気極は、必要に応じて、さらに、上記炭素材料以外の導電性材料や触媒等を含有していてもよい。導電性材料としては、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質材料、ポリチアジル、ポリアセチレン等の導電性高分子等、上記炭素材料以外の導電性材料が挙げられる。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)及び酸化セリウム(CeO)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。 The air electrode may further contain a conductive material other than the carbon material, a catalyst, or the like as necessary. Examples of the conductive material include carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, carbonaceous materials such as carbon nanotubes, and conductive materials other than the above carbon materials, such as conductive polymers such as polythiazyl and polyacetylene. Examples of the catalyst include a platinum group such as nickel, palladium and platinum; a perovskite oxide containing a transition metal such as cobalt, manganese or iron; an inorganic compound containing a noble metal oxide such as ruthenium, iridium or palladium; Examples thereof include metal coordination organic compounds having a skeleton or a phthalocyanine skeleton; inorganic ceramics such as manganese dioxide (MnO 2 ) and cerium oxide (CeO 2 ); and composite materials obtained by mixing these materials.

空気極の厚さは、金属空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜500μm、特に5μm〜300μmであることが好ましい。   The thickness of the air electrode varies depending on the use of the metal-air battery, but is preferably 2 μm to 500 μm, particularly preferably 5 μm to 300 μm.

空気極集電体は、空気極の集電を行うものである。空気極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及び繊維状の他、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。中でも、酸素の供給性能が高く、且つ、集電効率に優れるという観点から、多孔質状の集電体が好ましい。
多孔質状の集電体を使用する場合、図1のように、空気極と集電体とを積層してもよいし、或いは、空気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空気極集電体の機能を兼ね備えていてもよい。
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。
The air electrode current collector collects the air electrode current. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a fiber shape, and a porous shape such as a nonwoven fabric and a mesh (grid). Among these, a porous current collector is preferable from the viewpoint of high oxygen supply performance and excellent current collection efficiency.
When a porous current collector is used, the air electrode and the current collector may be laminated as shown in FIG. 1, or the current collector may be disposed inside the air electrode. Moreover, the battery case mentioned later may have the function of the 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.

空気極の製造方法は、特に限定されず、例えば、少なくとも本発明の炭素材料、及び必要に応じて結着剤を混合した空気極ペーストを、空気極集電体の表面に塗布、乾燥させることで、空気極集電体上に空気極を形成することができる。或いは、上記空気極ペーストを、空気極集電体上で圧延し、乾燥させることで、空気極集電体上に空気極を形成することもできる。また、上記空気極ペーストを、塗布又は圧延し、乾燥させて得られた空気極を、空気極集電体と重ね合わせ、適宜、加圧や加熱等を行うことで、空気極と空気極集電体とを積層させることもできる。   The method for producing the air electrode is not particularly limited. For example, the air electrode paste mixed with at least the carbon material of the present invention and, if necessary, the binder is applied to the surface of the air electrode current collector and dried. Thus, an air electrode can be formed on the air electrode current collector. Alternatively, the air electrode paste can also be formed on the air electrode current collector by rolling the air electrode paste on the air electrode current collector and drying it. In addition, the air electrode obtained by applying or rolling the air electrode paste and drying it is overlapped with the air electrode current collector, and appropriately subjected to pressurization, heating, etc. It is also possible to laminate the electric body.

空気極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。
空気極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。
The solvent for the air electrode paste is not particularly limited as long as it has volatility, and can be appropriately selected. Specific examples include ethanol, acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like.
The method for applying the air electrode paste is not particularly limited, and general methods such as a doctor blade and a spray method can be used.

[金属空気電池]
本発明の金属空気電池は、酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池であって、前記空気極が、上記本発明の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする。
本発明の炭素材料及び該炭素材料を含む空気極については、上記[空気極用炭素材料]及び上記[金属空気電池用空気極]において説明したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
(負極)
負極は、金属イオン(例えば、Liイオン)を放出・取り込み可能な層であり、通常、金属イオン(例えばLiイオン)を放出・取り込み可能な負極活物質を含有する。負極は、必要に応じて、負極の集電を行う負極集電体を備えていてもよい。
負極活物質としては、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Zn、Fe等の金属、又は、これら金属の酸化物、硫化物、窒化物等の化合物、或いは、炭素材料などが挙げられる。
[Metal-air battery]
The metal-air battery of the present invention is a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode, wherein the air electrode The carbon material for an air electrode according to the present invention is included.
The carbon material of the present invention and the air electrode including the carbon material are the same as those described in the above [Carbon material for air electrode] and [Air electrode for metal-air battery], and thus the description thereof is omitted here. To do.
(Negative electrode)
The negative electrode is a layer capable of releasing / capturing metal ions (for example, Li ions), and usually contains a negative electrode active material capable of releasing / capturing metal ions (for example, Li ions). The negative electrode may include a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode, if necessary.
Examples of the negative electrode active material include metals such as Li, Na, K, Mg, Ca, Al, Zn, and Fe, or compounds such as oxides, sulfides, and nitrides of these metals, or carbon materials. .

具体的には、リチウム空気電池の負極活物質としては、例えば、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(例えば、酸化物、硫化物、窒化物等)等、公知の負極活物質を用いることができる。
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。
Specifically, as a negative electrode active material of a lithium air battery, for example, a known negative electrode active material such as lithium metal, an alloy material containing a lithium element, a lithium compound (for example, oxide, sulfide, nitride, etc.) Can be used.
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. Examples of the lithium compound include oxides such as lithium titanium oxide, nitrides such as lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride.

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、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極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「金属空気電池用空気極」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 may contain only the 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 has a foil shape, a negative electrode 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 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 above-mentioned section “Air electrode for metal-air battery”, and thus the description thereof is omitted here.

負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、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、中でもステンレス、ニッケルが好ましい。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。また、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。   The material for the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, carbon, etc. Among them, stainless steel and nickel are preferable. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Moreover, the battery case mentioned later may have the function of the negative electrode collector.

負極の製造方法は特に限定されない。例えば、箔状の負極活物質と負極集電体とを重ね合わせ、必要に応じて加圧する方法が挙げられる。また、別の方法として、負極活物質と結着剤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又は圧延し、乾燥する方法も挙げられる。   The manufacturing method of a negative electrode is not specifically limited. For example, a method may be mentioned in which a foil-like negative electrode active material and a negative electrode current collector are superposed and pressurized as necessary. Another method includes preparing a negative electrode material mixture containing a negative electrode active material and a binder, applying or rolling the mixture onto a negative electrode current collector, and drying the mixture.

(電解質層)
電解質層は、空気極と負極との間に保持され、空気極及び負極との間で金属イオンを交換する働きを有する。電解質層は、金属イオン(典型的には負極活物質由来の金属イオン)を伝導可能であればよく、電解液、固体電解質、ゲル電解質等、特に限定されない。電解液、ゲル電解質、固体電解質を組み合わせてもよい。
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。副反応を抑制できることから、電解液の溶媒は酸素ラジカル耐性の高いものが好ましい。
以下、リチウムイオン伝導性を有する電解質を例に、電解質層について説明する。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer is held between the air electrode and the negative electrode, and has a function of exchanging metal ions between the air electrode and the negative electrode. The electrolyte layer is not particularly limited as long as it can conduct metal ions (typically, metal ions derived from the negative electrode active material), such as an electrolytic solution, a solid electrolyte, and a gel electrolyte. You may combine electrolyte solution, gel electrolyte, and solid electrolyte.
The electrolytic solution is obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent, and either a non-aqueous electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent or an aqueous electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte salt in an aqueous solvent may be used. Since the side reaction can be suppressed, the solvent of the electrolytic solution preferably has high oxygen radical resistance.
Hereinafter, the electrolyte layer will be described taking an electrolyte having lithium ion conductivity as an example.

非水系電解液は、リチウム塩及び非水溶媒を含有する。
リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;LiCFSO、LiN(SOCF[略称 Li−TFSA]、LiN(SO及びLiC(SOCF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。
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の範囲内とすることができる。
The non-aqueous electrolyte contains a lithium salt and a non-aqueous 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 [abbreviation Li-TFSA], 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, sulfolane, Examples thereof include acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof.
Moreover, an ionic liquid can also be used as a non-aqueous solvent. Examples of the ionic liquid include N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: TMPA-TFSA], N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl). ) Amide [abbreviation: PP13-TFSA], N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: P13-TFSA], N-methyl-N-butylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) ) Aliphatic quaternary ammonium such as amide [abbreviation: P14-TFSA], N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: DEME-TFSA] Salt, 1-ethyl-3-methyl Dazo potassium fluorohydrocarbon oxygenate (trifluoromethanesulfonyl) amide [abbreviation: emim (HF) 2,3 F- TFSA] , and the like.
The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte solution can be set in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L, for example.

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。   A non-aqueous gel electrolyte can be obtained by adding a polymer to the non-aqueous electrolyte and gelling. Examples of the polymer used for gelation of the non-aqueous electrolyte include polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA).

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、CHCOLi等を挙げることができる。 Examples of the aqueous electrolyte include an aqueous electrolytic solution in which lithium salt is contained in water. Examples of the lithium salt include LiOH, LiCl, LiNO 3 , and CH 3 CO 2 Li.

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。   As the solid electrolyte, for example, a Li—La—Ti—O based solid electrolyte can be used.

(セパレータ)
空気極と負極との間の絶縁性を確保するために、空気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、空気極と負極との間の絶縁性及び金属イオン伝導性を確保することができる。
また、空気極−電解質層−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。
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。
(Separator)
In order to ensure the insulation between the air electrode and the negative electrode, a separator made of an insulating porous material can be disposed between the air electrode and the negative electrode. Typically, by impregnating a separator made of an insulating porous body with an electrolyte, insulation between the air electrode and the negative electrode and metal ion conductivity can be ensured.
Moreover, when taking the structure which laminates | stacks the layered structure arrange | positioned in order of an air electrode-electrolyte layer-negative electrode repeatedly, it is between the air electrode and negative electrode which belong to a different laminated body from a safety viewpoint. It is preferable to have a separator.
Examples of the separator include porous films such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.

(電池ケース)
金属空気電池は、通常、空気極、負極、電解質層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、空気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、少なくとも空気極が十分に酸素含有気体と接触可能な構造を有する。また、空気孔には、酸素透過膜や撥水膜を設けてもよい。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好ましい。空気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ことから、純酸素が好ましい。また、空気は低湿度の乾燥空気が好ましい。
(Battery case)
A metal-air battery usually has a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, an electrolyte layer, 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. As long as oxygen can be supplied to the air electrode, the battery case may be an open type having holes (air holes) that can take in oxygen from the outside, or may be a sealed type.
The open battery case has a structure in which at least the air electrode can sufficiently contact the oxygen-containing gas. Further, an oxygen permeable film or a water repellent film may be provided in the air hole. On the other hand, the sealed battery case is preferably provided with an oxygen-containing gas introduction pipe and an exhaust pipe. Examples of the oxygen-containing gas supplied to the air electrode include pure oxygen and air, and pure oxygen is preferred because it is preferable to have a high oxygen concentration. The air is preferably dry air with low humidity.

[実施例1]
(空気極用炭素材料の作製)
ケッチェンブラック(ECP600JD)に対して、以下のようにして水蒸気賦活処理を施し、表面の酸素含有量を制御した。すなわち、まず、ローターリー式熱処理放置に投入した上記ケッチェンブラックを、アルゴン雰囲気下、昇温速度5℃/minで800℃まで加熱した。800℃に到達したら、上記ケッチェンブラック50gに対して水蒸気を10ml/minで15分間供給した。
[Example 1]
(Production of carbon material for air electrode)
Ketjen black (ECP600JD) was subjected to a steam activation treatment as follows to control the oxygen content on the surface. That is, first, the ketjen black put into the rotary heat treatment was heated to 800 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min in an argon atmosphere. When the temperature reached 800 ° C., water vapor was supplied to 50 g of the ketjen black at 10 ml / min for 15 minutes.

<表面酸素含有量の測定>
水蒸気賦活処理により得られた炭素材料の表面における酸素含有量を、CHNOS元素分析法により測定した。結果を表1に示す。
<細孔容積の測定>
水蒸気賦活処理により得られた炭素材料の細孔容積を、細孔分布測定装置(Belsorp−max、日本ベル製)を用いて、Nガス吸着法(BJH法)により評価した。
結果を表1に示す。
<Measurement of surface oxygen content>
The oxygen content on the surface of the carbon material obtained by the steam activation treatment was measured by CHNOS elemental analysis. The results are shown in Table 1.
<Measurement of pore volume>
The pore volume of the carbon material obtained by the steam activation treatment was evaluated by an N 2 gas adsorption method (BJH method) using a pore distribution measuring device (Belsorb-max, manufactured by Nippon Bell).
The results are shown in Table 1.

(空気極の作製)
得られた炭素材料を用いて、図2に示すフローに従って空気極を作製した。すなわち、まず、炭素材料を、エタノール(溶媒)中、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、結着剤)と混合し、空気極スラリーを調製した。空気極スラリー中、炭素材料:PTFE=90wt%:10wt%とした。
空気極スラリーを、基材上に塗布した後、ロールプレスで圧延した。次に、圧延体を、切断し、乾燥させた。得られた空気極を基材から剥離した。空気極には、SUS304製メッシュを集電体として貼付した。
(Production of air electrode)
Using the obtained carbon material, an air electrode was produced according to the flow shown in FIG. That is, first, the carbon material was mixed with polytetrafluoroethylene (PTFE, binder) in ethanol (solvent) to prepare an air electrode slurry. Carbon material: PTFE = 90 wt%: 10 wt% in the air electrode slurry.
The air electrode slurry was applied on a substrate and then rolled with a roll press. Next, the rolled body was cut and dried. The obtained air electrode was peeled from the substrate. A mesh made of SUS304 was attached to the air electrode as a current collector.

(空気極の評価)
上記にて作製した空気極を用いて、以下のようにしてリチウム空気電池試験用セルを作製した。
まず、負極として、金属リチウム(本城金属製、厚み250μm、φ20mm)を準備した。負極には、SUS304製板を集電体として貼付した。
また、セパレータとして多孔質ポリオレフィン製セパレータを準備した。
一方、Li−TFSA(キシダ化学製)とDEME−TFSAとを、LiTFSA濃度が0.35mol/kgとなるように混合し、アルゴン雰囲気下、一晩攪拌し、電解液を調製した。
次に、試験用セル(有限会社日本トムセル製)内に、集電体付き空気極、セパレータ、及び集電体付き負極を収容し、図1に示す構造のリチウム空気電池試験用セルを作製した。セパレータ及び空気極には、電解液を含浸させた。
(Evaluation of air electrode)
Using the air electrode produced above, a lithium air battery test cell was produced as follows.
First, metallic lithium (made by Honjo Metal, thickness 250 μm, φ20 mm) was prepared as a negative electrode. A SUS304 plate was attached to the negative electrode as a current collector.
Moreover, the separator made from porous polyolefin was prepared as a separator.
On the other hand, Li-TFSA (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and DEME-TFSA were mixed so that the LiTFSA concentration was 0.35 mol / kg, and stirred overnight in an argon atmosphere to prepare an electrolytic solution.
Next, an air electrode with a current collector, a separator, and a negative electrode with a current collector were accommodated in a test cell (manufactured by Nippon Tom Cell Co., Ltd.), and a lithium air battery test cell having the structure shown in FIG. 1 was produced. . The separator and the air electrode were impregnated with an electrolytic solution.

得られたリチウム空気電池試験用セルを、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は酸素が導入可能であり、試験用セルの空気孔を通して空気極へ酸素を供給することができる構造とした。   The obtained lithium-air battery test cell was accommodated in a glass desiccator (500 mL) with a gas replacement cock. The glass desiccator has a structure in which oxygen can be introduced and oxygen can be supplied to the air electrode through the air hole of the test cell.

下記条件下、放電試験を行い、放電過電圧特性評価を行った。結果を図3に示す。
<放電試験>
・充放電試験装置: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(Bio−Logic社製)
・放電電流密度:0.1mA/cm
・雰囲気温度(ガラスデシケータ内温度):60℃(試験開始前に恒温槽にて3時間安置)
・セル内圧力:O1気圧
・放電過電圧の読み取り点:200mAh/g時の放電電圧値
A discharge test was conducted under the following conditions to evaluate discharge overvoltage characteristics. The results are shown in FIG.
<Discharge test>
・ Charge / discharge test equipment: Multi-channel potentiostat / galvanostat (manufactured by Bio-Logic)
・ Discharge current density: 0.1 mA / cm 2
・ Atmosphere temperature (temperature in glass desiccator): 60 ° C. (3 hours in a thermostatic bath before starting the test)
-In-cell pressure: 1 atmosphere of O 2- Reading point of discharge overvoltage: discharge voltage value at 200 mAh / g

[実施例2]
(空気極用炭素材料の作製)
水蒸気供給時間を30分に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、水蒸気賦活処理を行い、炭素材料を準備した。
得られた炭素材料の表面における酸素含有量及び細孔容積を、実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
[Example 2]
(Production of carbon material for air electrode)
Except for changing the steam supply time to 30 minutes, a steam activation treatment was performed in the same manner as in Example 1 to prepare a carbon material.
The oxygen content and pore volume on the surface of the obtained carbon material were determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(空気極の作製と評価)
得られた炭素材料を用いて、実施例1と同様にして、空気極を作製し、空気極の評価を行った。結果を図3に示す。
(Production and evaluation of air electrode)
Using the obtained carbon material, an air electrode was produced in the same manner as in Example 1, and the air electrode was evaluated. The results are shown in FIG.

[比較例1]
(空気極用炭素材料の作製)
実施例1で用いたケッチェンブラックを、水蒸気賦活処理をせずにそのまま炭素材料として準備した。
炭素材料の表面における酸素含有量及び細孔容積を、実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
(Production of carbon material for air electrode)
The ketjen black used in Example 1 was directly prepared as a carbon material without performing the steam activation treatment.
The oxygen content and pore volume on the surface of the carbon material were determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(空気極の作製と評価)
得られた炭素材料を用いて、実施例1と同様にして、空気極を作製し、空気極の評価を行った。結果を図3に示す。
(Production and evaluation of air electrode)
Using the obtained carbon material, an air electrode was produced in the same manner as in Example 1, and the air electrode was evaluated. The results are shown in FIG.

Figure 0005755604
Figure 0005755604

表1及び図3に示すように、表面酸素含有量が7原子%以上の炭素材料を含む、実施例1及び実施例2の空気極は、表面酸素含有量が7原子%未満の比較例1と比較して、200mAh/gにおける放電電圧が高かった。
また、表面酸素含有量が7原子%程度までの範囲では、表面酸素含有量を増加させると放電電圧が増加する傾向が見られ、表面酸素含有量が7原子%以上の範囲では、放電電圧の増加量が減少し、飽和する傾向が見られた。すなわち、炭素材料の表面酸素含有量が、7原子%程度までの範囲では、表面酸素含有量を増加させると放電過電圧が低減する変化がみられ、7原子%以上の範囲では放電過電圧の低減量は減少して飽和する傾向が確認された。
以上のような結果から、表面酸素含有量が7原子%以上の炭素材料を、金属空気電池の空気極を構成する材料として用いることによって、放電過電圧を低減することができ、ひいては金属空気電池の放電電圧特性を向上できることがわかる。
As shown in Table 1 and FIG. 3, the air electrode of Example 1 and Example 2 containing a carbon material having a surface oxygen content of 7 atomic% or more is Comparative Example 1 having a surface oxygen content of less than 7 atomic%. The discharge voltage at 200 mAh / g was higher than that.
Also, when the surface oxygen content is in the range up to about 7 atomic%, the discharge voltage tends to increase when the surface oxygen content is increased. When the surface oxygen content is in the range of 7 atomic% or more, the discharge voltage is reduced. There was a tendency for the increase to decrease and to saturate. That is, when the surface oxygen content of the carbon material is in the range of up to about 7 atomic%, there is a change in which the discharge overvoltage decreases when the surface oxygen content is increased, and in the range of 7 atomic% or more, the reduction amount of the discharge overvoltage. The tendency to decrease and saturate was confirmed.
From the above results, the discharge overvoltage can be reduced by using a carbon material having a surface oxygen content of 7 atomic% or more as a material constituting the air electrode of the metal-air battery. It can be seen that the discharge voltage characteristics can be improved.

1…空気極
2…負極
3…電解質層
4…空気極集電体
5…空気極缶
6…負極缶
7…ガスケット
8…空気孔
9…空気金属電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air electrode 2 ... Negative electrode 3 ... Electrolyte layer 4 ... Air electrode current collector 5 ... Air electrode can 6 ... Negative electrode can 7 ... Gasket 8 ... Air hole 9 ... Air metal battery

Claims (9)

酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池の前記空気極を構成する炭素材料であって、
水蒸気賦活処理において、原料となる炭素材料を昇温速度5℃/minで加熱することにより得られ、且つ、表面の酸素含有量が7原子%以上であることを特徴とする空気極用炭素材料。
A carbon material constituting the air electrode of a metal-air battery comprising an air electrode having oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
A carbon material for an air electrode obtained by heating a carbon material as a raw material at a heating rate of 5 ° C./min in a steam activation treatment, and having a surface oxygen content of 7 atomic% or more .
前記水蒸気賦活処理において、800℃まで加熱する、請求項1に記載の空気極用炭素材料。The carbon material for an air electrode according to claim 1, wherein the carbon material is heated to 800 ° C. in the steam activation treatment. 前記水蒸気賦活処理において、800℃に到達したとき、前記原料となる炭素材料50gに対して10ml/minの水蒸気を供給する、請求項2に記載の空気極用炭素材料。The carbon material for an air electrode according to claim 2, wherein when the temperature reaches 800 ° C in the steam activation treatment, 10 ml / min of steam is supplied to 50 g of the carbon material as the raw material. 前記水蒸気賦活処理において、前記水蒸気を15分間以上供給する、請求項3に記載の空気極用炭素材料。The carbon material for an air electrode according to claim 3, wherein the water vapor is supplied for 15 minutes or more in the water vapor activation treatment. 細孔容積が1.5ml/g以上である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の空気極用炭素材料。 The carbon material for an air electrode according to any one of claims 1 to 4 , wherein the pore volume is 1.5 ml / g or more. 前記酸素含有量が20原子%以下である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の空気極用炭素材料。 The carbon material for an air electrode according to any one of claims 1 to 5 , wherein the oxygen content is 20 atomic% or less. 酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池を構成する空気極であって、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする、金属空気電池用空気極。
An air electrode constituting a metal-air battery having an air electrode using oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
An air electrode for a metal-air battery, comprising the carbon material for an air electrode according to any one of claims 1 to 6 .
酸素を活物質とする空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極との間に介在する電解質層と、を有する金属空気電池であって、
前記空気極が、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の空気極用炭素材料を含むことを特徴とする、金属空気電池。
A metal-air battery comprising an air electrode having oxygen as an active material, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the air electrode and the negative electrode,
A metal-air battery, wherein the air electrode includes the carbon material for an air electrode according to any one of claims 1 to 7 .
前記金属空気電池がリチウム空気電池であって、The metal air battery is a lithium air battery,
前記リチウム空気電池の前記負極は、負極活物質として、リチウム金属、リチウム元素を含有する合金材料、又は、リチウム化合物を含む、請求項8に記載の金属空気電池。The metal-air battery according to claim 8, wherein the negative electrode of the lithium-air battery includes, as a negative electrode active material, lithium metal, an alloy material containing a lithium element, or a lithium compound.
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