JP5953576B2 - 金属−空気二次電池用空気極触媒層 - Google Patents
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Description
本発明者らは、特定のLDHが水酸化物イオン伝導性に加え電子伝導性をも有し、よって金属-空気二次電池用空気極触媒層の材料として有用であることを見出した。
本発明の金属-空気二次電池用空気極触媒層(以下、単に「触媒層」ともいう)は、層状複水酸化物:[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+ [An- x/n・mH2O]x- (式中、M2+は二価金属イオンであり、M3+は三価金属イオンであり(ただし、M2+及びM3+の少なくとも一方は遷移金属イオンである)、An-は陰イオン(nは1又は2)であり、0.1≦x≦0.8;m>0である)と遷移金属元素を有する触媒とを含んでなることを特徴とする。
M2+は二価金属イオンであり、M3+は三価金属イオンであり、M2+及びM3+の少なくとも一方は遷移金属イオンである。
本発明において、「遷移金属」とは、元素周期律表において3〜12族(又は、3A〜7A、8、1B及び2B族)に属するものをいう。
層状複水酸化物中の遷移金属イオンは、好ましくは第4周期及び第5周期に属する金属、より好ましくは第4周期に属する金属(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZn)の二価又は三価イオンより選択される。
M2+は、好ましくはNi2+、Fe2+又はCo2+であり、より好ましくはNi2+である。M3+は、好ましくはFe3+、Ti3+、In3+又はAl3+であり、より好ましくはFe3+又はTi3+であり、更に好ましくはFe3+である。M2+及びM3+の両方が遷移金属イオンであることが好ましい。
xは、0.1以上0.8以下であり、好ましくは0.1以上0.5以下である。
mは、0より大きい実数であり、好ましくは0.1以上1.0以下である。
遷移金属元素を有する触媒中の遷移金属元素は、好ましくは第4周期のものより選択され、より好ましくはTi、Mn、Fe、Co、Ni、Cuからなる群より選択され、更に好ましくはMnである。
遷移金属元素を有する触媒は、微粒子であることが好ましい。体積平均粒径(一次粒径)は、例えば、1〜100nmである。
遷移金属元素を有する触媒と層状複水酸化物との比(重量比)は、例えば1:1〜100、好ましくは1:1〜50、より好ましくは1:2〜30であり得る。
1つの具体的実施形態において、本発明の触媒層は、遷移金属元素を有する触媒とLDHと任意に結着剤とからなる。
本発明の空気極は、上記で詳述した本発明に係る触媒層を有することを特徴とする。
触媒層以外の構成は、公知の空気極、特に金属-空気電池(特に二次電池)用の空気極の構成をいずれも採用し得る。
本発明の空気極は、集電体を備えていることが好ましい。集電体には、金属、導電性炭素材料や導電性高分子のような任意の公知の導電性材料を使用し得る。集電体の形状は、任意の形状であり得るが、通気性を有する形状、例えばメッシュ、グリッド、多孔質体であることが好ましい。集電体は、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトであり得る。
本発明の金属-空気二次電池(以下、単に「空気二次電池」ともいう)は、上記で詳述した空気極を備えることを特徴とする。
1つの実施形態において、本発明の空気二次電池は、上記の空気極と電解質液と金属極とを備える。
空気極以外の構成は、公知の金属-空気二次電池の構成を採用し得る。
より具体的には、金属極には、金属イオンを吸蔵放出できるもの、例えば金属単体、合金、金属酸化物、金属窒化物を使用でき、好ましくは金属単体である。金属イオンとしては、例えば、Liイオン、Naイオン、Kイオン、Mgイオン、Caイオン、Znイオン、Alイオン、Feイオンが挙げられるが、Znイオン及びMgイオンが好ましい。
本発明の触媒層は、LDHと遷移金属元素を有する触媒、任意に結着剤、との混合物を支持体(集電体又はガス拡散層)上に圧着成形するか、又は前記混合物を溶媒中に分散させてなる分散液を支持体上に塗布して乾燥させることにより製造することができる。
LDHは、公知の方法、例えば共沈法、水熱法、再構築法により製造することができる。例えば、共沈法では、M2+及びM3+を含む金属塩水溶液と、An-を含む水溶液を適切な条件(例えば、pH6〜10)下に混合・撹拌することでLDHの結晶が生成する。生成した結晶を熟成させ、濾過して、水洗後乾燥させることによって、LDHの粉体が得られる。LDHとして市販品のような既成のものを使用してもよい。
LDHは、粒子(粉体)のサイズが例えば0.1〜5μmであり得る。
溶媒は、水、メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリンであり得る。溶媒はまた、結着剤として使用する樹脂を溶解し得る有機溶剤であり得、例えば、アセトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-ピロリドンである。
この分散液を、支持体上に塗布した後、室温で又は加熱(例えば、40〜80℃)により溶媒を蒸発させて乾燥させる。塗布は、スプレー法、ディップコーティング法などの公知の技法を用いて行うことができる。所望の膜厚が得られるまで、塗布・乾燥を繰り返してもよい。
1.1.二酸化マンガンの合成
F.Chengら(Chem.Mater.,22(2010)898−905)に記載の水熱法によりα-MnO2を合成した。
簡潔には、テフロン内筒型オートクレーブ内で、MnSO4・5H2O(0.4g)及びKMnO4(1.0g)を30mLの蒸留水中140℃にて2時間、水熱処理した。濾過後、蒸留水で洗浄し、80℃にて6時間風乾させて、黒褐色固体(約0.5g)を得た。
X線回折分析(線源:CuKα)により、この固体がα-MnO2であることが確証された(図1)。生成されたα-MnO2の走査型電子顕微鏡写真を図2に示す。
α-MnO2の酸素還元・発生反応活性を評価するために、図3に示すような半電池を作製した。
簡潔には、α-MnO2とカーボンブラック(Vulcan XC72R、Cabot)とを重量比1:2で混合し、水を加えてペースト化したのち、カーボンクロスに塗布して1.9mg/cm2のMnO2を含む空気極触媒層を作製した。Ptの量が1.9mg/cm2となるようにPt/C(20重量%Pt/Vulcan XC72R、Cabot)を塗布したカーボンクロスを用いた触媒層及びカーボンブラック(Vulcan XC72R、Cabot)のみをカーボンクロスに塗布した触媒層も用いた。
それぞれの触媒層の電解質側に、金属炭酸塩(本実験例ではK2CO3)の析出を防止するために、陰イオン交換膜(AHA;アストム製)を、反対側に空気極集電体/ガス拡散層として金グリッドを圧着した空気極(作用極:図2中「W.E.」と示す)を作製した。
電解質には1M水酸化カリウムを用い、Niプレート(電極面積:1cm2)を対電極(図中「C.E.」と示す)とし、インターケミ株式会社製、アルカリ参照電極(Hg/HgO)を参照極(図中「R.E.」と示す)とした。
酸素還元・発生電流を、室温にてリニアスイープボルタンメトリー法(5mV/s)で測定した。
図4に、α-MnO2、Pt/C及びブラックカーボンをそれぞれ含む空気極の酸素還元・発生反応に対する擬定常分極曲線を示す。
α-MnO2からなる触媒層を有する空気極はPt/Cからなる触媒層を有する空気極と同じ開始電位を示し、同程度の酸素還元・発生電流を示した。
したがって、α-MnO2は、酸素還元・発生反応についてPt/Cと同程度の活性を示す。
2.1.層状複水酸化物の合成
Mg3-Al CO3 2- LDH、Ni3-Al CO3 2- LDH及びNi3-Fe CO3 2- LDH(上記式(1)中、それぞれ(M2+,M3+)=(Mg2+,Al3+)、(Ni2+,Al3+)及び(Ni2+,Fe3+)、An-=CO3 2-、x=0.25)を共沈法により下記のとおり合成した。
Mg3-Al CO3 2- LDHの合成には、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、和光純薬、特級)と、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、和光純薬、特級)を用いた。先ず、蒸留水200gにMg(NO3)2・6H2O 7.7g、Al(NO3)3・9H2O 3.8gを溶解し、80℃で1時間攪拌した。この混合溶液を、炭酸ナトリウム(Na2CO3、和光純薬、特級)の水溶液(0.3M濃度)中に、2M NaOHでpHを10に維持しながら撹拌下に滴下した。得られた沈殿物を80℃において17時間保持した。その後、沈殿物を濾過、洗浄し、80℃で24時間乾燥させることにより、平均一次粒径約50〜200nmであるMg3-Al CO3 2- LDH(以下、「Mg-Al LDH」)を得た。
Ni3-Fe CO3 2- LDHの合成には、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O、和光純薬、特級)と、硝酸鉄九水和物(Fe(NO3)3・9H2O、和光純薬、特級)を用い、上記と同様にして、平均一次粒径約50〜200nmであるNi3-Fe CO3 2- LDH(以下、「Ni-Fe LDH」)を得た。
得られた生成物(沈殿物)が所望のLDHであることは、X線回折分析(線源:CuKα)により確証した。代表例として、図5に、Ni-Fe LDHのX線回折パターンを示す。また、図6に、Ni-Fe LDHの走査型電子顕微鏡写真を示す。
それぞれの粉末状の試料をコールドプレスによりペレット状にし、両面に金スパッタすることにより電極を形成した。銀ペーストを用いて金線を固定しリード線とした。また、測定にはソーラトロン社製インピーダンスアナライザーを用い、常温下、周波数10Hz〜8MHz、電圧50mVにて交流インピーダンス測定を行い、イオン伝導率を算出した。
結果を図7に示す。
Ni-Al LDHは、10-2S/cmオーダーの、Ni-Fe LDH及びMg-Al LDHは、10-3S/cmオーダーの高い水酸化物イオン伝導性を示す。
それぞれの粉末状の試料をコールドプレスによりペレット状にし、このペレットの両面にステンレス板を押し当てることにより電極とした。両面の電極間に0.1Vの直流を印加した場合の、電流値の経時変化を測定し、一定となった電流値から抵抗を求め、電子伝導率を算出した。
直流分極の測定例を、Ni-Fe LDHについて図8に示す。
各LDHについて算出した電子伝導率を下記表に示す。
3.1.半電池の作製
LDHと触媒(Pt/C)とを混合してなる触媒層の酸素還元・発生反応活性を評価するために、触媒層以外は、上記と同様に図3に示すような半電池を作製した。
触媒層には、Pt/Cのみ、Pt/C+Mg-Al LDH、Pt/C+Ni-Al LDH及びPt/C+Ni-Fe LDH (後者3つについては、Pt/C:LDH=1:1)を用いた。
酸素還元・発生電流は上記と同様に測定した。
図9に、ぞれぞれの触媒層の酸素還元・発生反応に対する擬定常分極曲線を示す。
Pt/CとLDHとを混合してなる触媒層は、Pt/C単独の触媒層より良好な酸素還元・発生活性を示した。また、Pt/CとLDHとの混合物からなる触媒層については、LDHの電子伝導率が高くなるに従い、より良好な酸素還元・発生活性を示し、Ni-Fe LDHを混合したものが最も高い活性を示した。
4.1.半電池の作製
LDHと触媒(α-MnO2)とを混合してなる触媒層の酸素還元・発生反応活性を評価するために、触媒層以外は、上記と同様に図3に示すような半電池を作製した。
触媒層には、MnO2+カーボンブラック(重量比1:2)及びMnO2+Ni-Fe LDH+カーボンブラック (1:10:2)を用いた
酸素還元・発生電流は上記と同様に測定した。
図10に、それぞれの触媒層の酸素還元・発生反応に対する擬定常分極曲線を示す。
MnO2を触媒として含む触媒層において、LDHを混合することで、酸素還元・発生反応の促進が観察された。
5.1.空気二次電池の作製
α-MnO2を含む触媒層の充放電特性に対するLDH混合の効果を評価するために、MnO2とNi-Fe LDHとカーボンブラックとの混合物(1:10:2)からなる触媒層及びMnO2+カーボンブラック(1:2)からなる触媒層をそれぞれ備える空気二次電池を作製した。作製した空気二次電池の構成の概略は、図3に示すものと同様である。ただし、Znプレート(電極面積:1cm2)を対電極とした。
このように作製した空気二次電池において、充放電試験(温度:25℃、電流密度:0.025mA/cm2)により、使用した空気極の可逆性について評価した。
図11に充放電測定結果を示す。MnO2を触媒として含む触媒層において、LDHを混合することで、酸素還元・発生反応の際の過電圧が低減し、充放電ともエネルギー効率がMnO2の単位重量当りの容量(mAh/g-MnO2)が約20%アップする(容量60mAh/g時の電圧)ことがわかった。よって、LDHと触媒とを混合して形成される触媒層を含む空気極は、空気二次電池において、効率的な充放電を可能にする。
Claims (9)
- 層状複水酸化物:[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+ [An- x/n・mH2O]x- (式中、M2+は二価金属イオンであり、M3+は三価金属イオンであり(ただし、M2+及びM3+の少なくとも一方は遷移金属イオンである)、An-は陰イオン(nは1又は2)であり、0.1≦x≦0.8;m>0である)と遷移金属元素を有する触媒(ただし、前記層状複水酸化物がM 2+ =Ni 2+ 及びM 3+ =Al 3+ のものである場合には、La 0.7 Sr 0.3 CoO 3 ではない)とを含んでなることを特徴とする金属-空気二次電池用空気極触媒層。
- M2+及びM3+の両方が遷移金属イオンである請求項1に記載の空気極触媒層。
- M2+がNi2+、Fe2+若しくはCo2+であり、及び/又はM3+がFe3+若しくはTi3+である請求項1又は2に記載の空気極触媒層。
- M2+がNi2+である請求項1〜3のいずれか1項に記載の空気極触媒層。
- M3+がFe3+である請求項1〜4のいずれか1項に記載の空気極触媒層。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の空気極触媒層を有することを特徴とする金属-空気二次電池用空気極。
- 触媒層の一方の面に、陰イオン交換体を更に備える請求項6に記載の空気極。
- 請求項6又は7に記載の空気極と電解質液と金属極とを備えることを特徴とする金属-空気二次電池。
- 電解質液がアルカリ電解質液である請求項8に記載の電池。
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