JP6074394B2 - Aqueous lithium-positive electrode for air secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ電解液を用いる水系リチウム―空気二次電池用正極に関する。 The present invention relates to a positive electrode for an aqueous lithium-air secondary battery using an alkaline electrolyte.
二次電池の高エネルギー密度化を狙い、正極活物質として空気中の酸素を利用する金属―空気二次電池が注目されている。その中で、負極活物質として、金属リチウムを用いるリチウム―空気二次電池は、最大の重量エネギー密度を有する二次電池であり、最も注目されている。リチウム―空気二次電池は、有機電解液やイオン液体等の非水系の溶媒を電解液として用いる非水系リチウム―空気二次電池と水系の電解液を用いる水系リチウム―空気二次電池の2種類のリチウム―空気二次電池が提案されている。 With the aim of increasing the energy density of secondary batteries, metal-air secondary batteries that use oxygen in the air as a positive electrode active material have attracted attention. Among them, a lithium-air secondary battery using metallic lithium as a negative electrode active material is a secondary battery having the largest weight energy density, and is attracting the most attention. There are two types of lithium-air secondary batteries: non-aqueous lithium-air secondary batteries that use non-aqueous solvents such as organic electrolytes and ionic liquids as electrolytes, and aqueous lithium-air secondary batteries that use aqueous electrolytes. Lithium-air secondary batteries have been proposed.
水系リチウム―空気二次電池は、図1に示した様に、負極活物質の金属リチウム20が水系電解液30と反応する為、金属リチウム負極20に、Li1 + x(M, Al, Ga)x(Ge1 - yTiy )2 -x (PO4)3(ここで、X≦0.8と0≦Y≦1.0とを満たし、MがNd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybからなる群から選択される元素)および/あるいはLi1+x+y Qx Ti2 - x Siy P3 - y O12 (ここで0 < X≦ 0.4 と0 < Y≦ 0.6とを満たし、QがAlあるいはGaである)で表わされる水不透過性のリチウムイオン導電性ガラスセラミック(以下、LATPと略記する)50を積層して保護することが行われている(特許文献1参照。)。
As shown in FIG. 1, in the water based lithium-air secondary battery, the
その水系リチウム―空気二次電池の負極及び正極の電池反応は、
負極: Li ⇔ Li+ + e- (1)
正極: Li+ + 1/4 O2 + 1/2 H2O + e- ⇔ Li+ + OH- (2)
で表され、放電時は、(1)式及び(2)式の左項から右項へ、充電時には右項から左項へ、電池反応が進行する。負極金属リチウム20をLATP50で保護する水系リチウム―空気二次電池の問題点として、LATP50のアルカリ腐食の問題が挙げられる。水系リチウム―空気二次電池は、(2)式で示した様に、正極では、放電反応によりLiOHが生成する為、放電反応の進行に伴い、電解液はアルカリ側にシフトしていく。電解液のpHがpH >10 では、LATP50の腐食が生ずる問題がある。その対策技術として、電解液中に高濃度のLiClを予め添加しておくことにより、LiOHの電離を防止し、電解液が強アルカリ性になることを防止する技術が知られている(非特許文献1参照。)。
The battery reaction of the negative and positive electrodes of the water-based lithium-air secondary battery is
The negative electrode: Li ⇔ Li + + e - (1)
The positive electrode: Li + + 1/4 O 2 + 1/2 H 2 O + e- ⇔ Li + + OH - (2)
When discharging, the battery reaction proceeds from the left term to the right term in equations (1) and (2), and from the right term to the left term during charging. The problem of the alkaline corrosion of LATP50 is mentioned as a problem of the water-based lithium-air secondary battery in which the negative
LiOH・H2O と高濃度のLiClが共存した電解液中では、正極での放電反応は、
正極(放電反応): Li+ + 1/4 O2 + 3/2 H2O + e-→ LiOH・H2O↓ (3)
で進行し、放電により正極(空気極)で生成するLiOHは、電離が抑制され、一水和物(LiOH・H2O)の形で、正極(空気極)10上に析出する。この場合、図2に示すように、析出したLiOH・H2Oは、正極10の細孔を封止し、酸素の拡散性を低下させ、放電性能が低下する問題を生ずる。
In an electrolyte containing LiOH · H 2 O and high-concentration LiCl, the discharge reaction at the positive electrode is
The positive electrode (discharge reaction): Li + + 1/4 O 2 + 3/2 H 2 O + e - → LiOH · H 2 O ↓ (3)
LiOH generated at the positive electrode (air electrode) by discharge is suppressed on ionization and deposited on the positive electrode (air electrode) 10 in the form of monohydrate (LiOH.H 2 O). In this case, as shown in FIG. 2, the deposited LiOH.H 2 O seals the pores of the
この放電生成物で正極10の細孔が封止される問題の対策方法として、図3に示すような正極が提案されている(非特許文献2参照。)。すなわち、この正極10は正極反応層12の表面にOH-イオン導電性を有する陰イオン交換膜13を配置し、LiOH・H2Oの析出面を正極反応層12の表面から陰イオン交換膜13の表面に移動させることで、LiOH・H2Oによる空気極10の細孔封止を防止するものである。
As a countermeasure against the problem of the pores of the
一方、LiOH・H2O 高濃度のLiClが共存した電解液中では、正極での充電反応も、(2)式の右項から左項へ移行する反応(OH-イオンが酸化され、O2が発生する反応)が正常な充電反応である。高濃度のLiClが共存した電解液中では、OH-イオン濃度が低下しており、充電反応が起こり難い状況にある。充電時には、反応によりOH-イオンが消費され、正極近傍のOH-イオン濃度が更に低下する。図4に示した様に、低電流密度の充電の場合、LiOH・H2Oが電離し、OH-イオンを正極に供給することが可能であるが、高電流密度で充電した場合、LiOH・H2Oの電離が追い付かず、OH-イオンの酸化に代って、
正極(充電 副反応): Cl- → 1/2 Cl2 + e- (4)
で表わされる充電副反応が起こり、Cl-イオンが酸化され、塩素ガスが発生する問題がある。
On the other hand, in the electrolyte in which LiOH · H 2 O high-concentration LiCl coexists, the charge reaction at the positive electrode is also a reaction that shifts from the right term to the left term in formula (2) (OH − ions are oxidized, O 2 Is a normal charging reaction. In an electrolytic solution in which a high concentration of LiCl coexists, the OH − ion concentration is low, and the charging reaction is unlikely to occur. During charging, OH - ions are consumed by the reaction, and the OH - ion concentration near the positive electrode further decreases. As shown in FIG. 4, when charging at a low current density, LiOH · H 2 O is ionized and OH − ions can be supplied to the positive electrode, but when charged at a high current density, LiOH · H 2 O can be supplied. The ionization of H 2 O could not catch up, instead of OH - ion oxidation,
The positive electrode (charging side reaction): Cl - → 1/2 Cl 2 + e - (4)
There is a problem that a charging side reaction represented by the following occurs,
充電生成物であるO2ガス 及び/或いはCl2ガスは、正極反応層(充電触媒面)12の表面で生成されるため、図4に示したように、電解液30側へ排出される場合がある。その場合、電解液30と正極の接触面積が低下し、充電性能が低下する問題がある。
When the O 2 gas and / or Cl 2 gas, which is a charge product, is generated on the surface of the positive electrode reaction layer (charge catalyst surface) 12, as shown in FIG. 4, it is discharged to the
これらの充電時の正極の問題を解決する技術として、図5に示すような、正極反応層12を酸素発生触媒層12aと親水性層12bで構成することが提案されている(特許文献2参照。)。この技術では、酸素発生触媒としてIrO2を用いることで、OH-イオンの選択的酸化が可能となり、Cl-イオンが酸化されてしまう充電副反応を低減させる。さらにその酸素発生触媒層12aの上に親水性層12bを形成しているので、電解液30側への充電生成物であるO2の移動を阻害し、ガス拡散層11側へ排出し易くしている。
As a technique for solving the problem of the positive electrode during charging, it has been proposed that the positive
負極の金属リチウムを水不透過性のガラスセラミック(LATP)で保護した水系リチウム―空気二次電池に於いて、LATPのアルカリ腐食を防止する為に、電解液中に高濃度のLiClを添加する事により、そのアルカリ腐食を防止する事が可能である。しかしながら、上記の様な放電時及び充電時に新たな問題が生じ、放電時及び充電時の問題に対してそれぞれ個別の対策を施す必要がある。 To prevent alkaline corrosion of LATP in a water-based lithium-air secondary battery in which the metallic lithium of the negative electrode is protected by a water-impermeable glass ceramic (LATP), a high concentration of LiCl is added to the electrolyte. It is possible to prevent the alkaline corrosion. However, new problems occur during discharging and charging as described above, and it is necessary to take separate measures for the problems during discharging and charging.
従来の金属―空気二次電池で見られるように、放電に適した仕様に調整した放電用正極とは別に、充電用の正極(補助電極又は、第三電極と呼ばれる)を別途セル内に設置する方法がある(特許文献3参照。)。しかしながら、この場合、外部に放電用正極と/充電用正極の切り替えの為の電気回路を必要とする問題がある。また、電池内に補助電極を設置する場所の工夫や補助電極から発生する酸素を排出する経路を確保する必要がある。さらに、補助電極を設置する事により、電池内でショートが起こり易いと言う指摘もある。 Separately from the discharge positive electrode adjusted to the specifications suitable for discharge as seen in conventional metal-air secondary batteries, a charge positive electrode (called auxiliary electrode or third electrode) is installed in the cell separately. There is a method of performing (see Patent Document 3). However, in this case, there is a problem that an external electric circuit for switching between the positive electrode for discharging and the positive electrode for charging is required. Further, it is necessary to devise a place where the auxiliary electrode is installed in the battery and to secure a route for discharging oxygen generated from the auxiliary electrode. Furthermore, it is pointed out that a short circuit easily occurs in the battery by installing an auxiliary electrode.
そこで、一つの空気極内に放電機能と充電機能の二つの機能を同時に付与したバイファンクショナル(Bi-functional)正極の構造の創出が待たれていた。 Therefore, the creation of a bi-functional positive electrode structure in which two functions of a discharge function and a charge function are simultaneously provided in one air electrode has been awaited.
高濃度にLiClを共存させた水系電解液を使用したリチウム―空気二次電池の正極に於いて、放電に適した電極構造として、酸素の還元触媒としてとして優れたPt触媒を用いた撥水性の放電用反応層に、非特許文献2で示される様な、陰イオン交換膜を接合した構造(図3参照)が有効である。一方、充電に適した電極構造として、特許文献2で示される様な、OH-イオンの選択的酸化性を有するIrO2触媒を用いた充電用触媒層に、親水層を付与した構造(図5参照)が有効である。
In the positive electrode of a lithium-air secondary battery using an aqueous electrolyte in which LiCl coexists at a high concentration, the electrode structure is suitable for discharge, and the water-repellent property using a Pt catalyst that is excellent as an oxygen reduction catalyst A structure in which an anion exchange membrane is bonded to the discharge reaction layer as shown in Non-Patent Document 2 (see FIG. 3) is effective. On the other hand, as an electrode structure suitable for charging, as shown in
この様に、放電/充電に適した電極構造を一つの正極内に形成し、バイファンクショナル化する為の方策として、空気極の同一面内に放電用の電極構造と充電用の電極構造を配置した図6に示す構造が本願発明者らにより提案されている(特許文献2参照。)。しかしながらこの場合、放電反応は、放電用の電極構造部で、充電反応は、充電用の電極構造部でのみで起こる為、正極全面の面積を有効に使えないという問題点がある。 In this way, an electrode structure suitable for discharging / charging is formed in one positive electrode, and as a measure for bifunctionalization, an electrode structure for discharging and an electrode structure for charging are formed on the same surface of the air electrode. The arranged structure shown in FIG. 6 has been proposed by the present inventors (see Patent Document 2). However, in this case, since the discharge reaction occurs only in the electrode structure for discharging and the charge reaction occurs only in the electrode structure for charging, there is a problem that the entire area of the positive electrode cannot be used effectively.
一方、正極全面の面積を有効に使うために、亜鉛―空気二次電池の正極において放電用電極層と充電用電極層を積層化して一体化したバイファンクショナル正極が知られている(M. Klein and S. Viswanathan, "Zinc/Air Battery R&D, Research and Development of Bifunctional Oxygen Electrode, Tasks I & II Final Report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA(Dec, 1986)参照)。しかし、水系リチウム―空気二次電池用のバイファンクショナル正極として、放電用電極層と充電用電極層を積層化して、一体化したものは公開されていない。 On the other hand, in order to effectively use the entire area of the positive electrode, a bifunctional positive electrode in which a discharge electrode layer and a charge electrode layer are laminated and integrated in a positive electrode of a zinc-air secondary battery is known (M. Klein and S. Viswanathan, "Zinc / Air Battery R & D, Research and Development of Bifunctional Oxygen Electrode, Tasks I & II Final Report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA (Dec, 1986)), but aqueous lithium-air As a bifunctional positive electrode for a secondary battery, there is no disclosure of an integrated structure in which a discharge electrode layer and a charge electrode layer are laminated.
放電用電極層と充電用電極層を積層する方法として、図7に示した様に、電解液30/充電用電極層12(親水層12b/酸素発生触媒層12a)/放電用電極層15(陰イオン交換膜15b/撥水性反応層15a)/ガス拡散層11の順に積層する方法と、図8に示した様に、電解液30/放電用電極層15(陰イオン交換膜15b/撥水性反応層15a)/充電用電極層12(親水層12b/酸素発生触媒層12a)/ガス拡散層11の順に積層する方法が考えられる。
As a method of laminating the discharge electrode layer and the charge electrode layer, as shown in FIG. 7, the
しかしながら、図7の様に、電解液30/充電用電極層12(親水層12b/酸素発生触媒層12a)/放電用電極層15(陰イオン交換膜15b/撥水性反応層15a)/ガス拡散層11の順に積層した場合、放電用に設置された陰イオン交換膜15bにより、充電時に発生したO2は、ガス拡散層11方向への排出が出来なくなり、結果として、電解液30側に排出される為、発生したO2により、充電用電極層12への電解液の供給が妨げられる問題がある。更にこの場合、電解液30側からO2を排出させる機構を新たに追加する必要が生ずる。
However, as shown in FIG. 7,
一方、図8の様に、電解液30/放電用電極層15(陰イオン交換膜15b/撥水性反応層15a)/充電用電極層12(親水層12b/酸素発生触媒層12a)/ガス拡散層11の順に積層した場合、充電用に設置された親水層12bにより、放電時に必要な大気からの酸素の供給が阻害される問題がある。 更には、放電用電極層15の反応層15aが撥水性の為、充電時に必要な電解液の供給が、充電用電極層12になされ難いと言う問題がある。
On the other hand, as shown in FIG. 8,
図7、図8の様に、放電用電極層15と充電用電極層12を単純に積層した場合、上記のような問題があるが、図7の構造から、図9に示した様な、陰イオン交換膜15bの位置を充電用電極層12の表面に移動して設置する事で、図7の構造の問題を回避しつつ、放電機能を付与できる事も考えられる。しかしながら、後述の[発明を実施するための形態]で述べるように、実際に図9の構造を試作し、評価したところ、充電用電極層12の上に陰イオン交換膜15bを設置する事で、OH-イオンの移動速度が低下し、充電反応に必要なOH-イオンの供給が不足する問題が生じることがわかった。
When the discharge electrode layer 15 and the
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、充電反応に必要なOH-イオンの供給と充電時に発生する酸素のガス拡散層方向へ排出とができ、放電時に必要な大気からの酸素の供給が阻害されない、放電反応層と充電反応層を積層化して一体化した水系リチウム―空気二次電池用2機能性正極を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and can supply OH - ions necessary for a charging reaction and discharge oxygen generated during charging in the direction of a gas diffusion layer. It is an object of the present invention to provide a bifunctional positive electrode for a water-based lithium-air secondary battery in which a discharge reaction layer and a charge reaction layer are laminated and integrated so that supply of water is not hindered.
課題を解決するためになされた本発明の水系リチウム−空気二次電池用正極は、ガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層された撥水性放電反応層と、前記撥水性放電反応層に積層された親水性充電反応層と、を有し、前記撥水性放電反応層は通気性を備え放電反応時に空気中の酸素を還元し且つ充電反応時に前記親水性充電反応層で発生する酸素を前記ガス拡散層方向に移動させることを特徴とする。 The positive electrode for an aqueous lithium-air secondary battery of the present invention made to solve the problem is a gas diffusion layer, a water-repellent discharge reaction layer laminated on the gas diffusion layer, and a layer laminated on the water-repellent discharge reaction layer A hydrophilic charge reaction layer, wherein the water-repellent discharge reaction layer has air permeability, reduces oxygen in the air during a discharge reaction, and generates oxygen generated in the hydrophilic charge reaction layer during a charge reaction. It moves to a gas diffusion layer direction, It is characterized by the above-mentioned.
撥水性放電反応層が通気性を備え放電反応時に空気中の酸素を還元し且つ充電反応時に親水性充電反応層で発生する酸素をガス拡散層方向に移動させるので、親水性充電反応層への電解液の供給が妨げられない。その結果、充電性能の低下を抑制することができる。また、撥水性放電反応層がガス拡散層に積層されているので、放電反応時、撥水性放電反応層への酸素の供給が阻害されない。 The water-repellent discharge reaction layer has air permeability, reduces oxygen in the air during the discharge reaction, and moves oxygen generated in the hydrophilic charge reaction layer during the charge reaction toward the gas diffusion layer. The supply of electrolyte is not hindered. As a result, a decrease in charging performance can be suppressed. Further, since the water-repellent discharge reaction layer is laminated on the gas diffusion layer, the supply of oxygen to the water-repellent discharge reaction layer is not hindered during the discharge reaction.
上記の水系リチウム−空気二次電池用正極において、前記撥水性放電反応層は撥水材料を含有し、多孔質であるとよい。これにより、充電反応時に親水性充電反応層で発生する酸素をガス拡散層方向に移動させことが一層容易になる。 In the positive electrode for an aqueous lithium-air secondary battery, the water-repellent discharge reaction layer preferably contains a water-repellent material and is porous. This makes it easier to move oxygen generated in the hydrophilic charge reaction layer during the charge reaction toward the gas diffusion layer.
また、前記撥水性放電反応層を構成する材料のバインダーとして、陰イオン導電性を有する樹脂を用いるとよい。これにより、陰イオン導電性を有する樹脂により、酸素還元触媒表面が被覆され、放電生成物が酸素還元触媒表面に直接堆積する事を防止でき、放電反応の進行による、酸素還元触媒への酸素の供給量低下を防止することができる。 Moreover, it is good to use resin which has anion conductivity as a binder of the material which comprises the said water repellent discharge reaction layer. As a result, the surface of the oxygen reduction catalyst is coated with the resin having anionic conductivity, and it is possible to prevent the discharge product from being directly deposited on the surface of the oxygen reduction catalyst. A decrease in supply amount can be prevented.
また、前記陰イオン導電性を有する樹脂バインダーの添加量は、前記撥水性放電反応層の重量に対して10〜70wt%であるとよい。 Moreover, the addition amount of the resin binder having anion conductivity is preferably 10 to 70 wt% with respect to the weight of the water-repellent discharge reaction layer.
添加量が多くなると酸素還元触媒と撥水材料で形成された細孔が陰イオン導電性を有する樹脂バインダーで閉塞される割合が増え、酸素の出入りが制限される。添加量が少なくなると酸素還元触媒が陰イオン導電性を有する樹脂バインダーで被覆される割合が減少し、樹脂バインダーで被覆されない酸素還元触媒表面に放電生成物が直接析出する。樹脂バインダーの添加量が放電反応層の重量に対して10〜70wt%であると、酸素の出入りが制限されることが少なく、酸素還元触媒表面への放電生成物の析出も少ない。 When the amount added is increased, the ratio of the pores formed by the oxygen reduction catalyst and the water repellent material being blocked by the resin binder having anionic conductivity increases, and the entry and exit of oxygen is restricted. When the addition amount decreases, the ratio of the oxygen reduction catalyst coated with the resin binder having anionic conductivity decreases, and the discharge product directly deposits on the surface of the oxygen reduction catalyst not coated with the resin binder. When the addition amount of the resin binder is 10 to 70 wt% with respect to the weight of the discharge reaction layer, the entry and exit of oxygen is rarely restricted, and the precipitation of discharge products on the oxygen reduction catalyst surface is also small.
撥水性放電反応層が通気性を備え放電反応時に空気中の酸素を還元し且つ充電反応時に親水性充電反応層で発生する酸素をガス拡散層に移動させるので、親水性充反応層への電解液の供給が妨げられない。その結果、充電性能の低下を抑制することができる。また、撥水性放電反応層がガス拡散層に積層されているので、放電反応時、撥水性放電反応層への酸素の供給が容易に行われる。 The water-repellent discharge reaction layer has air permeability, reduces oxygen in the air during the discharge reaction, and moves oxygen generated in the hydrophilic charge reaction layer during the charge reaction to the gas diffusion layer. Liquid supply is not hindered. As a result, a decrease in charging performance can be suppressed. Further, since the water-repellent discharge reaction layer is laminated on the gas diffusion layer, oxygen can be easily supplied to the water-repellent discharge reaction layer during the discharge reaction.
以下、発明を実施するための形態を図面に基づき詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施形態の水系リチウム−空気二次電池用正極は、図10に示すように、ガス拡散層11の上に撥水性放電反応層16と親水性充電反応層12が積層されている。
As shown in FIG. 10, the positive electrode for an aqueous lithium-air secondary battery of the embodiment has a water-repellent
ガス拡散層11としては、例えば、フッ素樹脂(PTFE,FEP, PVF等)フィルター 、炭化水素樹脂(PE、PP等)フィルター、等を用いることができる。また、金属メッシュや金属発泡体、カーボンファイバーフィルターをフッ素樹脂により撥水処理したものを用いることができる。 As the gas diffusion layer 11, for example, a fluororesin (PTFE, FEP, PVF, etc.) filter, a hydrocarbon resin (PE, PP, etc.) filter, or the like can be used. Further, a metal mesh, a metal foam, or a carbon fiber filter that has been subjected to a water repellent treatment with a fluororesin can be used.
撥水性放電反応層16は、酸素還元触媒16b、撥水材16a及び陰イオン導電性材16cを含む。
The water repellent
酸素還元触媒16bとしては、白金、ルテニウム、イリジウム、バナジウム、銀等の貴金属及びそれらの合金、金属酸化物、環状金属錯体等を例示することができ、それらの単独又はカーボンブラック(CB)やゼオライト等の担体上に担持したものでもよい。 Examples of the oxygen reduction catalyst 16b include noble metals such as platinum, ruthenium, iridium, vanadium, silver, alloys thereof, metal oxides, cyclic metal complexes, and the like. These may be used alone or in combination with carbon black (CB) or zeolite. It may be supported on a carrier such as.
撥水材16aとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、溶融性フッ素樹脂であるクロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル及びエチレン、プロピレン等の撥水性樹脂を用いることができる。 As the water repellent material 16a, water repellency such as polytetrafluoroethylene (PTFE), meltable fluororesin chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether and ethylene, propylene, etc. Resin can be used.
撥水性樹脂には、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)及びこれらに官能基(水酸基、カルボン酸基など)を持った単量体の少量を共重合させたもの、コモノマーとして環状の構造を有する単量体の少量を共重合させたものも包含される。 Water repellent resins include ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and functional Those obtained by copolymerizing a small amount of a monomer having a group (hydroxyl group, carboxylic acid group, etc.) and those obtained by copolymerizing a small amount of a monomer having a cyclic structure as a comonomer are also included.
陰イオン導電性材16cとしては、陰イオンアイオノマーを挙げることができる。イオン結合する対イオンをもつ陰イオン伝導性を有する樹脂、芳香族ポリエーテルスルホンと芳香族ポリチオエーテルスルホンの共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られるもの、又はクロロメチル化スチレンを有するブロックコポリマーをアミンで四級化した高分子樹脂等を陰イオンアイオノマーという。なお、アオノマーはカルボキシル基などイオンとして解離する基を含むエチレンなどの共重合物の総称である。 An anion ionomer can be mentioned as the anion conductive material 16c. Resin having anion conductivity having counterion to ion bond, one obtained by amination of chloromethylated product of copolymer of aromatic polyethersulfone and aromatic polythioethersulfone, or block having chloromethylated styrene A polymer resin obtained by quaternizing a copolymer with an amine is called an anion ionomer. Aonomer is a general term for copolymers such as ethylene containing a group capable of dissociating as an ion such as a carboxyl group.
陰イオンアイオノマーとしては、例えば、(株)トクヤマのAS−4を例示することができる。 As an anion ionomer, AS-4 of Tokuyama Corporation can be illustrated, for example.
次に、本実施形態の撥水性放電反応層16の製造方法の一例を説明する。
Next, an example of the manufacturing method of the water repellent
まず、酸素還元触媒、撥水材、陰イオンアイオノマー、導電助剤、造孔剤、純水、及びエタノールを所定の割合で混合し、ペースト化した溶液(以下、[放電反応用ペースト]と呼ぶ。)を作製する。 First, an oxygen reduction catalyst, a water repellent material, an anion ionomer, a conductive aid, a pore former, pure water, and ethanol are mixed at a predetermined ratio to form a paste (hereinafter referred to as “discharge reaction paste”). .).
次に、前記[放電反応用ペースト]をピペットで所定量取り出し、親水性の保持体に滴下・延成して均一に含浸させる。 Next, a predetermined amount of the [discharge reaction paste] is taken out with a pipette, and dropped and extended onto a hydrophilic holder to be uniformly impregnated.
次に、[放電反応用ペースト]が均一に含浸された保持体を室温で一昼夜乾燥させる。すると本実施形態の撥水性放電反応層16が得られる。
Next, the holding body uniformly impregnated with [discharge reaction paste] is dried at room temperature for a whole day and night. Then, the water repellent
上記の製造方法で製造された撥水性放電反応層16は図10の円内に拡大して示すようなミクロ構造を示す。すなわち、撥水性放電反応層16は、酸素還元触媒16bと撥水材16aを陰イオンアイオノマーであるバインダー16cで結着してなる。陰イオンアイオノマー16cの添加量を適当にすることで、撥水性放電反応層16において酸素還元触媒16bが陰イオンアイオノマー16cで部分的に覆われるようになる。
The water-repellent
[放電反応用ペースト]に添加する陰イオンアイオノマー量には、有効範囲がある。 図10中の拡大図中に示した様に、陰イオンアイオノマー16cの添加量が少ない場合は、酸素還元触媒16bの表面を陰イオンアイオノマー16cで完全に被覆する事が出来ず、陰イオンアイオノマー16cで被覆されていない酸素還元触媒16b表面で、放電生成物であるLiOH・H2Oの析出が生ずる恐れがある。 逆に陰イオンアイオノマー16cの添加量が多い場合は、撥水性放電反応層16中の酸素供給・排出パスが低下する恐れがある。 その為、[放電反応用ペースト]に添加する陰イオンアイオノマー量には、有効範囲がある。陰イオンアイオノマーの最適な添加量は、水系電解液の組成、運転温度、空気の供給量や供給方法等により変化する為、正確には特定する事は出来ないが、撥水性放電反応層16の重量に対して、好ましくは10〜70wt%であり、より好ましくは25〜50wt%である。
There is an effective range for the amount of anion ionomer added to the [discharge reaction paste]. As shown in the enlarged view of FIG. 10, when the addition amount of the anion ionomer 16c is small, the surface of the oxygen reduction catalyst 16b cannot be completely covered with the anion ionomer 16c, and the anion ionomer 16c. There is a possibility that LiOH.H 2 O as a discharge product may be deposited on the surface of the oxygen reduction catalyst 16b that is not coated with. Conversely, when the amount of the anion ionomer 16c added is large, the oxygen supply / discharge path in the water-repellent
次に、本実施形態の親水性充電反応層12の製造方法の一例を説明する。
Next, an example of the manufacturing method of the hydrophilic
まず、酸素還元触媒と導電助剤と結着バインダーと純水とエタノールを所定の割合で混合し、ペースト化した溶液(以下、この組成のペーストを[充電反応用ペースト]と呼ぶ。)を作製する。 First, an oxygen reduction catalyst, a conductive additive, a binder, pure water, and ethanol are mixed at a predetermined ratio to prepare a paste solution (hereinafter, a paste having this composition is referred to as “charging reaction paste”). To do.
次に前記[充電反応用ペースト] をピペットで所定量 取り、上記の撥水性放電反応層16の上に滴下展開する。 その後、室温で、一昼夜乾燥させることで、酸素発生触媒層12aが形成される。
Next, a predetermined amount of the [charge reaction paste] is taken with a pipette, and dropped onto the water-repellent
次に、酸素発生触媒層12aの上に、充電時に発生する酸素が電解液側に移動する事を防止する為の親水層を形成する。導電助剤と結着バインダーと純水とエタノールを所定の割合で混合し、ペースト化した溶液(以下、この組成のペーストを[親水層ペースト]と呼ぶ。)を作成する。 Next, a hydrophilic layer is formed on the oxygen generation catalyst layer 12a to prevent oxygen generated during charging from moving to the electrolyte side. A conductive assistant, a binder, pure water, and ethanol are mixed at a predetermined ratio to prepare a paste solution (hereinafter, a paste having this composition is referred to as a “hydrophilic layer paste”).
最後に、この[親水層ペースト]をピペットで所定量 取り、上記の酸素発生触媒層12aの上に滴下展開し、室温で、一昼夜乾燥し、親水層12bを形成する。 Finally, a predetermined amount of this [hydrophilic layer paste] is taken with a pipette, dropped onto the oxygen generating catalyst layer 12a and dried at room temperature for a whole day and night to form the hydrophilic layer 12b.
次に、本発明の正極(実施例1〜5)と従来の正極(比較例1〜3)の充放電特性の比較評価試験について説明する。 Next, a comparative evaluation test of charge / discharge characteristics of the positive electrode of the present invention (Examples 1 to 5) and the conventional positive electrode (Comparative Examples 1 to 3) will be described.
(実施例1)
充電反応層を有さない、放電反応に特化した実施例1の正極を次のように作製した。
Example 1
The positive electrode of Example 1 specialized in the discharge reaction without the charge reaction layer was produced as follows.
親水性のカーボンファイバーペーパ(CP)(TGP H120;東レ製, 350μm)を□40 mmのサイズに切り抜き、撥水性放電反応層にするためのペーストを含浸保持させる保持体として用いた。 A hydrophilic carbon fiber paper (CP) (TGP H120; manufactured by Toray, 350 μm) was cut out to a size of 40 mm and used as a holder for impregnating and holding a paste for forming a water-repellent discharge reaction layer.
撥水性放電反応層を形成する為に、以下の手順でペーストを作製した。 酸素還元触媒としての白金担持カーボン(TEC10EA50E; 田中貴金属製)と撥水材としてのPTFEデイスパージョン(D-210C;ダイキン製, 60wt%)と導電助剤及び造孔剤としての気相成長法カーボンファイバー(VGCF;昭和電工製)と純水とエタノールを1.9 : 1.3 : 1.0 : 13 : 13 の割合で混合し、超音波ホモジナイザーで均一に分散し、ペースト化した溶液(以下、この組成のペーストを[実施例の放電反応用ペースト]と呼ぶ。)を作製した。 この[実施例の放電反応用ペースト]中に、結着バインダーとして、乾燥後の陰イオンアイオノマー(AS-4; (株)トクヤマ製)成分が、撥水性放電反応層の重量に対して、52wt%になる様に添加した[実施例1の放電反応用ペースト]を作製した。 In order to form a water-repellent discharge reaction layer, a paste was prepared according to the following procedure. Platinum-supported carbon as an oxygen reduction catalyst (TEC10EA50E; Tanaka Kikinzoku), PTFE dispersion (D-210C; manufactured by Daikin, 60 wt%) as a water repellent, vapor phase growth method as a conductive additive and pore former Carbon fiber (VGCF; Showa Denko), pure water, and ethanol are mixed in a ratio of 1.9: 1.3: 1.0: 13: 13, and uniformly dispersed with an ultrasonic homogenizer to form a paste (hereinafter referred to as a paste having this composition) Was called [Paste for Discharge Reaction of Example]. In this [paste for discharge reaction of Example], as a binder, an anion ionomer (AS-4; manufactured by Tokuyama Co., Ltd.) after drying contains 52 wt% with respect to the weight of the water-repellent discharge reaction layer. % [Discharge reaction paste of Example 1] was prepared.
[実施例1の放電反応用ペースト]をマイクロピペットで8 ml 取り、上記のCP含浸保持体に滴下展開し、均一に含浸保持させた。室温で、一昼夜乾燥し、52wt%の陰イオンアイオノマー成分を含有する撥水性放電反応層を作製した。 8 ml of [Paste for discharge reaction of Example 1] was taken with a micropipette and dropped onto the CP impregnation holding body, and uniformly impregnated and held. The film was dried at room temperature for a whole day and night to prepare a water-repellent discharge reaction layer containing 52 wt% of an anion ionomer component.
ガス拡散層として、撥水化処理されたCP(TGP-H-120; 東レ製)を使用し、ホットプレス(150 ℃ x 8 MPa x 1分)により上記の撥水性放電反応層と一体化した。 CP (TGP-H-120; manufactured by Toray) treated with water repellency was used as the gas diffusion layer, and it was integrated with the above water-repellent discharge reaction layer by hot pressing (150 ° C x 8 MPa x 1 min). .
(実施例2)
充電反応層を有する実施例2の正極を次のように作製した。
(Example 2)
The positive electrode of Example 2 having a charge reaction layer was produced as follows.
実施例1の正極の撥水性放電反応層の上に、親水性充電反応層を以下の手順で形成する事で、図10に示した様な実施例2の(バイファンクショナル)正極とした。 A hydrophilic charge reaction layer was formed on the water-repellent discharge reaction layer of the positive electrode of Example 1 by the following procedure to obtain a (bifunctional) positive electrode of Example 2 as shown in FIG.
親水性充電反応層の酸素発生触媒層を形成する為に、酸素還元触媒としての酸化イリジウム触媒(IrOx・(H2O)y(SA = 50m2/g); 田中貴金属)と導電助剤としての導電性カーボンブラック(ケッチェンブラック、ECP600JD、ライオン製)と結着バインダーとしてのエチレン―ビニルアルコール共重合体(ソアノール、D2908、日本合成化学製)10 wt%溶液と純水とエタノールを1 : 2 : 21 : 12 : 12 の割合で混合し、超音波ホモジナイザーで均一に分散し、ペースト化した溶液(以下、この組成のペーストを[充電反応用ペースト]と呼ぶ。)を作製した。 この[充電反応用ペースト]をマイクロピペットで8 ml 取り、上記の52 wt%の陰イオンアイオノマー成分を含有する撥水性放電反応層の上に滴下展開した。 その後、室温で、一昼夜乾燥し、酸素発生触媒層を形成した。 Iridium oxide catalyst (IrO x · (H 2 O) y (SA = 50m 2 / g); Tanaka Kikinzoku) and conductive additive to form oxygen generation catalyst layer of hydrophilic charge reaction layer Conductive carbon black (Ketjen Black, ECP600JD, manufactured by Lion) and ethylene-vinyl alcohol copolymer (Soarnol, D2908, manufactured by Nippon Synthetic Chemical) as a binder with a 10 wt% solution, pure water and ethanol The mixture was mixed at a ratio of 2: 2: 21: 12: 12, and uniformly dispersed with an ultrasonic homogenizer, to prepare a paste solution (hereinafter, the paste having this composition is referred to as “charging reaction paste”). 8 ml of this [paste for charging reaction] was taken with a micropipette, and dropped onto the water-repellent discharge reaction layer containing 52 wt% of the anion ionomer component. Thereafter, it was dried overnight at room temperature to form an oxygen generating catalyst layer.
次に、酸素発生触媒層の上に、充電時に発生する酸素が電解液側に移動する事を防止する為に、親水層を形成した。導電性カーボンブラック(ケッチェンブラック、ECP600JD、ライオン製)と結着バインダーとしてのエチレン―ビニルアルコール共重合体(ソアノール、D2908、日本合成化学製)10 wt%溶液と純水とエタノールを1 : 10 : 12 : 12 の割合で混合し、超音波ホモジナイザーで均一に分散し、ペースト化した溶液(以下、この組成のペーストを[親水層ペースト]と呼ぶ。)を作製した。この[親水層ペースト]をマイクロピペットで2 ml取り、酸素発生触媒層の上に滴下展開し、室温で、一昼夜乾燥し、親水層を形成した。 Next, a hydrophilic layer was formed on the oxygen generating catalyst layer in order to prevent oxygen generated during charging from moving to the electrolyte side. Conductive carbon black (Ketjen Black, ECP600JD, manufactured by Lion) and ethylene-vinyl alcohol copolymer (Soarnol, D2908, manufactured by Nippon Synthetic Chemical) as a binder at a 10 wt% solution, pure water and ethanol 1:10 The mixture was mixed at a ratio of 12:12 and dispersed uniformly with an ultrasonic homogenizer to prepare a paste solution (hereinafter, a paste having this composition is referred to as a “hydrophilic layer paste”). 2 ml of this [Hydrophilic layer paste] was taken with a micropipette, dropped onto the oxygen-generating catalyst layer, and dried at room temperature for a whole day and night to form a hydrophilic layer.
(実施例3)
本実施例の正極は、陰イオンアイオノマーの添加量が52wt%である[実施例1の放電用反応層ペースト]を陰イオンアイオノマーの添加量が38wt%である[実施例3の放電用反応層ペースト]にした以外実施例2の正極と同じである。
(Example 3)
In the positive electrode of this example, the amount of anion ionomer added was 52 wt% [the discharge reaction layer paste of Example 1] and the amount of anion ionomer added was 38 wt% [the discharge reaction layer of Example 3 The same as the positive electrode of Example 2 except that [Paste] was used.
(実施例4)
本実施例の正極は、陰イオンアイオノマーの添加量が52wt%である[実施例1の放電用反応層ペースト]を陰イオンアイオノマーの添加量が59wt%である[実施例4の放電用反応層ペースト]にした以外実施例2の正極と同じである。
Example 4
In the positive electrode of this example, the amount of anion ionomer added was 52 wt% [the discharge reaction layer paste of Example 1], and the amount of anion ionomer added was 59 wt% [the discharge reaction layer of Example 4 The same as the positive electrode of Example 2 except that [Paste] was used.
(実施例5)
本実施例の正極は、陰イオンアイオノマーの添加量が52wt%である[実施例1の放電用反応層ペースト]を陰イオンアイオノマーの添加量が64wt%である[実施例5の放電用反応層ペースト]にした以外実施例2の正極と同じである。
(Example 5)
In the positive electrode of this example, the amount of anion ionomer added was 52 wt% [the discharge reaction layer paste of Example 1], and the amount of anion ionomer added was 64 wt% [the discharge reaction layer of Example 5]. The same as the positive electrode of Example 2 except that [Paste] was used.
(比較例1)
実施例1の正極と同じように、親水性のカーボンファイバーペーパ(CP)(TGP H120;東レ製, 350μm)を40 mmのサイズに切り抜き、撥水性放電反応層にするためのペーストを含浸保持させる保持体として用いた。
(Comparative Example 1)
As with the positive electrode of Example 1, hydrophilic carbon fiber paper (CP) (TGP H120; manufactured by Toray, 350 μm) is cut out to a size of 40 mm and impregnated with a paste for forming a water-repellent discharge reaction layer. Used as a holding body.
[実施例の放電反応用ペースト]に、結着バインダーとして、OH-イオン導電性を有さないエチレン―ビニルアルコール共重合体(ソアノール、D2908、日本合成化学製)10wt%%溶液を撥水性放電用電極層の重量に対して、52wt% になる様に添加したペーストを作製し、実施例1の場合と同様に、CPの保持体に含浸保持し撥水性放電反応層を作製した。 [Electric discharge reaction paste of Example] 10 wt% ethylene-vinyl alcohol copolymer (Soarnol, D2908, manufactured by Nippon Synthetic Chemical) having no OH - ion conductivity as a binder binder for water-repellent discharge A paste added so as to be 52 wt% based on the weight of the electrode layer was prepared, and a water repellent discharge reaction layer was prepared by impregnating and holding the CP holding body in the same manner as in Example 1.
ガス拡散層として、実施例1と同様に、撥水化処理されたCP(TGP-H-120; 東レ製)を使用し、ホットプレス(150 ℃ x 8 MPa x 1分)により上記の撥水性放電反応層と一体化した。 As in Example 1, a water-repellent CP (TGP-H-120; manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the gas diffusion layer, and the above water repellency was obtained by hot pressing (150 ° C. × 8 MPa × 1 min). Integrated with the discharge reaction layer.
(比較例2)
比較例2の正極は、図3に示す構造を有している。すなわち、比較例1の正極の撥水性放電反応層の上に陰イオン交換膜(A201; トクヤマ製)をホットプレス(140 ℃ x 8 MPa x 1分)で接合して、比較例2の正極とした。
(Comparative Example 2)
The positive electrode of Comparative Example 2 has the structure shown in FIG. That is, an anion exchange membrane (A201; manufactured by Tokuyama) was joined on the water-repellent discharge reaction layer of the positive electrode of Comparative Example 1 by hot pressing (140 ° C. × 8 MPa × 1 min). did.
(比較例3)
比較例3の正極は図9に示した構造を有している。すなわち、親水性充電反応層の上に陰イオン交換膜を配置した比較例3の正極を以下の手順で作製した。
(Comparative Example 3)
The positive electrode of Comparative Example 3 has the structure shown in FIG. That is, the positive electrode of Comparative Example 3 in which an anion exchange membrane was disposed on the hydrophilic charge reaction layer was produced by the following procedure.
まず、比較例1と同様に、[実施例の放電反応用ペースト]に、結着バインダーとして、OH-イオン導電性を有さないエチレン―ビニルアルコール共重合体(ソアノール、D2908、日本合成化学製)10wt%溶液を撥水性放電反応層の重量に対して、52wt%になる様に添加したペーストを作製し、CPの保持体に含浸保持し撥水性放電反応層を作製した。 First, in the same manner as in Comparative Example 1, the [Paste for discharge reaction of Example] was used as a binder with an ethylene-vinyl alcohol copolymer having no OH - ion conductivity (Soarnol, D2908, manufactured by Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd.). ) A paste in which a 10 wt% solution was added to 52 wt% with respect to the weight of the water repellent discharge reaction layer was prepared and impregnated and held in a CP holding body to prepare a water repellent discharge reaction layer.
次に、実施例2の[充電反応用ペースト]を用いて、酸素発生触媒層を形成した後、更にその上に実施例2の[親水層ペースト]を用いて親水層を形成した。 Next, an oxygen generation catalyst layer was formed using [Charging reaction paste] of Example 2, and then a hydrophilic layer was formed thereon using [Hydrophilic layer paste] of Example 2.
最後に陰イオン交換膜(A201; トクヤマ製)をホットプレス(140 ℃ x 8 MPa x 1分)で接合し、比較例3の正極とした。 Finally, an anion exchange membrane (A201; manufactured by Tokuyama) was joined by hot pressing (140 ° C. × 8 MPa × 1 min) to obtain a positive electrode of Comparative Example 3.
<評価試験>
図11に示すような電池反応評価装置に実施例1〜5の正極と比較例1〜3の正極を設置し、充放電特性を調べた。
<Evaluation test>
The positive electrode of Examples 1-5 and the positive electrode of Comparative Examples 1-3 were installed in the battery reaction evaluation apparatus as shown in FIG. 11, and the charge / discharge characteristics were examined.
電池反応評価装置は、円筒状のアクリル容器の両端をPTFEシートとPTFE濾紙で塞いで、中に電解液を入れたもので、PTFE濾紙側から加湿した空気を供給するようになっている。
電解液として、10mol/L LiCl + 4.3mol/L LiOHを用い、供給ガスとして、200cc/min.の大気中の空気を1M LiOH中を通過させ、脱CO2処理した空気を、正極背面にフローさせながら28 ℃の恒温槽内で充放電特性を評価した。
In the battery reaction evaluation apparatus, both ends of a cylindrical acrylic container are closed with a PTFE sheet and PTFE filter paper, and an electrolytic solution is placed therein, and humidified air is supplied from the PTFE filter paper side.
10mol / L LiCl + 4.3mol / L LiOH is used as the electrolyte, 200cc / min. Of atmospheric air is passed through 1M LiOH as the supply gas, and de-CO 2 treated air flows to the back of the positive electrode The charge / discharge characteristics were evaluated in a constant temperature bath at 28 ° C.
対極(CE)、正極(WE)及び参照電極(RE)を電気化学評価装置(ポテンシオガルバノスタット:SI-1260・1287、ソーラトロン社製)に接続して、以下のような特性を測定した。 The counter electrode (CE), the positive electrode (WE), and the reference electrode (RE) were connected to an electrochemical evaluation apparatus (potentio galvanostat: SI-1260 / 1287, manufactured by Solartron), and the following characteristics were measured.
(A)放電特性(放電電圧の継時変化)
(B)充放電サイクル特性(充電電圧と放電電圧の継時変化)
まず、(A)放電特性(放電電圧の継時変化)を次のように測定した。放電電流密度を1mA/cm2一定にして、参照電極(RE)に対する正極(WE)の放電電圧の時間変化を記録した。その結果を図12に示す。
(A) Discharge characteristics (change in discharge voltage over time)
(B) Charging / discharging cycle characteristics (change in charging voltage and discharging voltage over time)
First, (A) discharge characteristics (change in discharge voltage over time) were measured as follows. The discharge current density was kept constant at 1 mA / cm 2 and the change with time of the discharge voltage of the positive electrode (WE) with respect to the reference electrode (RE) was recorded. The result is shown in FIG.
次に、(B)充放電サイクル特性(充電電圧と放電電圧の継時変化)を次のように測定した。放電電流密度を1mA/cm2、充電電流密度を−1mA/cm2一定にして、参照電極(RE)に対する正極(WE)の放電電圧と充電電圧の経時変化を測定した。その結果を図13〜17に示す。 Next, (B) charge / discharge cycle characteristics (change in charging voltage and discharge voltage over time) were measured as follows. Discharge current density 1 mA / cm 2, and the charge current density -1 mA / cm 2 constant was measured changes with time of the discharge voltage and the charging voltage of the positive electrode (WE) relative to the reference electrode (RE). The results are shown in FIGS.
<評価試験結果>
図12は、正極が実施例1の正極の場合及び比較例1、2の正極の場合の側手結果である。図中曲線イ(○)が実施例1の正極の場合、曲線ロ(△)が比較例1の正極、曲線ハ(▽)が比較例2の正極の場合である。
<Evaluation test results>
FIG. 12 shows side results when the positive electrode is the positive electrode of Example 1 and the positive electrodes of Comparative Examples 1 and 2. In the figure, curve i (◯) is the positive electrode of Example 1, curve B (Δ) is the positive electrode of Comparative Example 1, and curve C (▽) is the positive electrode of Comparative Example 2.
図12から、比較例1の正極は、初期の放電電圧は高いものの、10時間経過した(10 mAh/cm2の放電容量を超えた)付近で、急激に放電電位が低下することがわかる。 評価試験後の比較例1の正極の表面は白色の結晶で被覆されており、放電生生物であるLiOH・H2Oの堆積により、放電反応が阻害されたと考えられる。 From FIG. 12, it can be seen that the positive electrode of Comparative Example 1 has a high initial discharge voltage, but the discharge potential suddenly decreases around 10 hours (exceeding the discharge capacity of 10 mAh / cm 2 ). The surface of the positive electrode of Comparative Example 1 after the evaluation test was covered with white crystals, and it is considered that the discharge reaction was inhibited by the deposition of LiOH.H 2 O as a discharge living organism.
一方、比較例2の正極と実施例1の正極は、ほぼ同じ性能と挙動を示し、少なくとも、20 mAh/cm2の容量に放電操作を行っても(少なくとも20時間放電を継続しても)、放電電位には変化がなく、安定した放電を行う事が出来ることがわかる。この事から、放電用電極として、従来技術の様な正極表面全面に必ずしも陰イオン交換膜が設置されている必要は無く、実施例1の正極のように、酸素還元触媒表面のみにOH-イオン導電性を有する結着材の被膜が形成されていれば、LiOH・H2Oの堆積防止機能が働く事がわかる。 On the other hand, the positive electrode of Comparative Example 2 and the positive electrode of Example 1 showed almost the same performance and behavior, and even when the discharge operation was performed at least at a capacity of 20 mAh / cm 2 (even if the discharge was continued for at least 20 hours). It can be seen that the discharge potential does not change and stable discharge can be performed. For this reason, it is not always necessary to provide an anion exchange membrane on the entire surface of the positive electrode as in the prior art as a discharge electrode, and as in the positive electrode of Example 1, only OH - ions are present on the surface of the oxygen reduction catalyst. It can be seen that if a conductive binder film is formed, the LiOH · H 2 O deposition prevention function works.
図13は、正極が比較例3の正極の場合の充放電サイクル特性を示すグラフである。図中曲線1dは1サイクル目の放電電圧の経時変化、曲線2dは2サイクル目の放電電圧の経時変化、曲線3dは3サイクル目の放電電圧の経時変化を示す。図中曲線1cは1サイクル目の充電電圧の経時変化、曲線2cは2サイクル目の充電電圧の経時変化、曲線3cは3サイクル目の充電電圧の経時変化を示す。
FIG. 13 is a graph showing charge / discharge cycle characteristics when the positive electrode is the positive electrode of Comparative Example 3. In the figure,
図13から1回目の放電及び充電及び2回目の放電は、問題なく行われたが、2回目の充電時において、8 mAh/cm2の充電容量を超えた付近(8時間経過した付近)で、0.9V vs. Hg/HgO以上に充電電圧が上昇することがわかる。0.9V vs. Hg/Hg以上の電位では、充電生成物として塩素ガスの発生が確認され、(4)式で示した充電副反応である、Cl-イオンの酸化反応が一部起こり出している事を示している。この事から、比較例3の正極の様な親水性充電反応層に陰イオン交換膜を設置した場合、交換膜が無い場合と比較してOH-イオンの移動速度が低下し、充電反応に必要なOH-イオンの供給が不足する問題が発生すると考えられた。 From FIG. 13, the first discharge and charge and the second discharge were performed without any problem, but at the time of the second charge, in the vicinity where the charge capacity of 8 mAh / cm 2 was exceeded (around 8 hours passed). It can be seen that the charging voltage rises above 0.9V vs. Hg / HgO. At a potential of 0.9 V vs. Hg / Hg or higher, generation of chlorine gas was confirmed as a charge product, and a part of the oxidation reaction of Cl - ion, which is the charge side reaction shown in the formula (4), has started. Shows things. Therefore, when an anion exchange membrane is installed in a hydrophilic charge reaction layer like the positive electrode of Comparative Example 3, the OH - ion transfer rate is lower than that without an exchange membrane, which is necessary for the charge reaction. such OH - supply of ions was considered a problem occurs to the shortage.
図14〜図17は正極が実施例2〜5の正極の場合の充放電サイクル特性を示すグラフである。図14は陰イオンアイオノマー添加量が38wt%のときの実施例3の正極の場合、図15は陰イオンアイオノマー添加量が52wt%のときの実施例2の正極の場合、図16は陰イオンアイオノマー添加量が59wt%のときの実施例4の正極の場合、図17は陰イオンアイオノマー添加量が62wt%のときの実施例5の正極の場合の充放電サイクル特性をそれぞれ示している。 14 to 17 are graphs showing charge / discharge cycle characteristics when the positive electrode is the positive electrode of Examples 2 to 5. 14 shows the case of the positive electrode of Example 3 when the addition amount of anion ionomer is 38 wt%, FIG. 15 shows the case of the positive electrode of Example 2 when the addition amount of anion ionomer is 52 wt%, and FIG. 16 shows the case of the anion ionomer. In the case of the positive electrode of Example 4 when the addition amount is 59 wt%, FIG. 17 shows the charge / discharge cycle characteristics in the case of the positive electrode of Example 5 when the addition amount of the anion ionomer is 62 wt%.
このサイクル特性評価では、1 mA/cm2の一定の電流密度で放電を5時間継続した後、電流の向きを反転させ、1 mA/cm2の一定の電流密度で充電を5時間継続する操作を繰り返した。 In this cycle characterization, discharging is continued for 5 hours at a constant current density of 1 mA / cm 2 , then the direction of the current is reversed, and charging is continued for 5 hours at a constant current density of 1 mA / cm 2. Was repeated.
図14〜図17から、比較例3の正極(図13参照)に比べ、実施例2〜5の正極は、より多い充放電サイクル数の充放電動作が可能で、バイファンクショナル電極として機能していることがわかる。 14-17, compared with the positive electrode of Comparative Example 3 (see FIG. 13), the positive electrodes of Examples 2-5 can perform charge / discharge operations with a larger number of charge / discharge cycles and function as bifunctional electrodes. You can see that
また、本発明に係る実施例の正極中の陰イオンアイオノマーの添加量の違いにより、充電反応時、放電反応時のサイクル特性が異なる事が判る。充電反応時に於いては、陰イオンアイオノマーの添加量が比較的少ない、図14(38wt%)、図15(52wt%)、図16(59wt%)の場合、充電操作時の充電電位は低く、OH-イオンの酸化反応のみが起こり、サイクル数の増加に対しても、充電電位の変化は小さく、安定している事が判る。 Moreover, it turns out that the cycle characteristics at the time of a charge reaction and a discharge reaction differ by the difference in the addition amount of the anion ionomer in the positive electrode of the Example which concerns on this invention. In the charging reaction, the amount of anion ionomer added is relatively small. In the case of FIG. 14 (38 wt%), FIG. 15 (52 wt%), and FIG. 16 (59 wt%), the charging potential during the charging operation is low. It can be seen that only the oxidation reaction of OH - ions occurs, and the change in the charging potential is small and stable as the number of cycles increases.
一方、陰イオンアイオノマーの添加量が最も多い図17(64wt%)の場合、1回の充電操作時間内に充電電位が上昇していく傾向があることが判る。これは、多量の陰イオンアイオノマーの添加により、放電反応層の細孔が閉塞し、放電時に生成する酸素の排出が阻害された為であると考えられる。放電反応時に於いては、陰イオンアイオノマーの添加量が、38wt%の図14場合、初期のサイクル段階では、安定した放電電位を示しているものの、9回目のサイクル時に放電電位が急激に低下した。これは、陰イオンアイオノマーに被覆されていない酸素還元触媒表面部分で、LiOH・H2Oの析出が発生した為であると考えられる。陰イオンアイオノマーの添加量が、59wt%の図16の場合、急激な放電電位の低下は見られなかったが、サイクル数の増加と共に放電電位は、徐々に低下する傾向が見られた。陰イオンアイオノマーの添加量が52wt%の図15の場合、17回目以降のサイクルで、放電電位の低下は見られたが、38wt%の図14の場合と比較して、より多くの回数のサイクル充放電が可能な事が判った。 On the other hand, in the case of FIG. 17 (64 wt%) where the addition amount of the anion ionomer is the largest, it can be seen that the charging potential tends to increase within one charging operation time. This is presumably because the addition of a large amount of anion ionomer blocked the pores of the discharge reaction layer and inhibited the discharge of oxygen generated during discharge. In the discharge reaction, the amount of anion ionomer added was 38 wt%. In the case of FIG. 14, although the initial cycle stage showed a stable discharge potential, the discharge potential dropped rapidly during the ninth cycle. . This is presumably because LiOH.H 2 O was precipitated on the surface of the oxygen reduction catalyst that was not coated with the anion ionomer. In the case of FIG. 16 where the addition amount of the anion ionomer was 59 wt%, a rapid decrease in the discharge potential was not observed, but the discharge potential tended to gradually decrease as the number of cycles increased. In the case of FIG. 15 where the addition amount of the anion ionomer is 52 wt%, the discharge potential decreased in the 17th and subsequent cycles, but more cycles than in the case of FIG. 14 of 38 wt%. It was found that charging / discharging was possible.
11・・・・・・ガス拡散層
12・・・・・・親水性充電反応層
12a・・・・酸素還元触媒層
12b・・・・親水層
16・・・・・・撥水性放電反応層
16a・・・・撥水材
16b・・・・酸素還元触媒
16c・・・・陰イオン導電性材
11...
Claims (3)
前記ガス拡散層に積層された撥水性放電反応層と、
前記撥水性放電反応層に積層された親水性充電反応層と、を有し、
前記撥水性放電反応層は多孔質であり、酸素還元触媒と撥水材が陰イオン導電性を有する樹脂バインダーで結着されてなり、放電反応時に空気中の酸素を還元し且つ充電反応時に前記親水性充電反応層で発生する酸素を前記ガス拡散層方向に移動させることを特徴とする水系リチウム−空気二次電池用正極。 A gas diffusion layer;
A water-repellent discharge reaction layer laminated on the gas diffusion layer;
A hydrophilic charge reaction layer laminated on the water repellent discharge reaction layer,
The water repellent discharge reaction layer is porous, and is formed by binding an oxygen reduction catalyst and a water repellent material with a resin binder having anion conductivity, and reduces oxygen in the air during a discharge reaction and the charge reaction during the charge reaction. A positive electrode for an aqueous lithium-air secondary battery, wherein oxygen generated in a hydrophilic charge reaction layer is moved in the direction of the gas diffusion layer.
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