JP6081863B2 - How to use a metal-air secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、亜鉛空気電池やリチウム空気電池等の金属空気二次電池の使用方法に関する。   The present invention relates to a method for using a metal-air secondary battery such as a zinc-air battery or a lithium-air battery.

革新電池候補の一つとして金属空気二次電池が挙げられる。金属空気二次電池は、電池反応に関与する酸素が空気中から供給されるため、電池容器内のスペースを負極活物質の充填に最大限利用することができ、それにより原理的に高いエネルギー密度を実現することができる。   One of the innovative battery candidates is a metal-air secondary battery. In metal-air secondary batteries, oxygen involved in battery reaction is supplied from the air, so the space in the battery container can be used to the maximum for filling the negative electrode active material, which in principle provides a high energy density. Can be realized.

金属空気電池の一種として、亜鉛を負極活物質として用いる亜鉛空気電池が従来から知られている。特に、亜鉛空気一次電池は既に量産化され、補聴器等の電源として広く利用されている。亜鉛空気電池においては、電解液として水酸化カリウム等のアルカリ水溶液が用いられ、正負極間の短絡を防止するためにセパレータ(隔壁)が用いられる。放電時には、以下の反応式に示されるように、空気極(正極)側でOが還元されてOHが生成する一方、負極で亜鉛が酸化されてZnOが生成する。
正極: O + 2HO + 4e → 4OH
負極: 2Zn + 4OH → 2ZnO + 2HO + 4e
この亜鉛空気電池を二次電池として使う試みもなされたが、実際の負極の反応は、前段で以下の反応:
負極: Zn + 4OH → Zn(OH) 2− + 2e
により、電解液に可溶のイオン種Zn(OH) 2−が生成し、これが充電時に還元されて金属亜鉛が樹枝状に析出してデンドライトを形成し、このデンドライトがセパレータを貫通して正極と短絡を起こすという問題があり、亜鉛空気電池の二次電池としての実用化を大きく妨げていた。このような問題に対し、二次電池におけるデンドライトの生成を抑制するため、電解液にデンドライト生成防止剤を含ませる試み等が提案されている(例えば、特許文献1(特開2009−93983号公報)参照)。
As one type of metal-air battery, a zinc-air battery using zinc as a negative electrode active material has been conventionally known. In particular, zinc-air primary batteries have already been mass-produced and are widely used as power supplies for hearing aids and the like. In a zinc-air battery, an alkaline aqueous solution such as potassium hydroxide is used as an electrolytic solution, and a separator (partition) is used to prevent a short circuit between positive and negative electrodes. At the time of discharging, as shown in the following reaction formula, O 2 is reduced on the air electrode (positive electrode) side to generate OH −, while zinc is oxidized on the negative electrode to generate ZnO.
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Negative: 2Zn + 4OH - → 2ZnO + 2H 2 O + 4e -
Although an attempt was made to use this zinc-air battery as a secondary battery, the actual reaction of the negative electrode was as follows:
Negative electrode: Zn + 4OH → Zn (OH) 4 2− + 2e
Produces a ionic species Zn (OH) 4 2− that is soluble in the electrolyte, which is reduced during charging and metal zinc precipitates into dendrites to form dendrites that pass through the separator and are positive electrodes There was a problem of causing a short circuit, which greatly hindered the practical application of zinc-air batteries as secondary batteries. In order to suppress the generation of dendrite in the secondary battery, an attempt to include a dendrite formation inhibitor in the electrolytic solution has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-93983). )reference).

また、リチウム空気電池も最近開発が盛んである。通常のリチウム空気電池においては、放電時に、以下の反応式に示されるように、空気極(正極)側でOが還元されてLiOが生成する一方、負極でリチウムが酸化されてLiが生成する。そして、充電時にはこの逆の反応が起こる。
正極: O + 4e + 4Li → 2Li
負極: Li → Li + e
例えば、特許文献2(特開2010−176941号公報)には、リチウム金属を含む負極、負極用の電解液、リチウムイオンのみを通す固体電解質セパレータ、空気極用の電解液、及び空気極がその順に設けられたリチウム空気電池が開示されており、負極用の電解液として有機電解液を、空気極用の電解液としてアルカリ性の水系電解液を用いることが提案されている。
In addition, lithium-air batteries have been actively developed recently. In a normal lithium-air battery, during discharge, as shown in the following reaction formula, O 2 is reduced on the air electrode (positive electrode) side to generate Li 2 O, while lithium is oxidized at the negative electrode to form Li 2 O. + Produces. The reverse reaction occurs during charging.
Positive electrode: O 2 + 4e + 4Li + → 2Li 2 O
Negative electrode: Li → Li + + e
For example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-176941) includes a negative electrode containing lithium metal, an electrolyte for the negative electrode, a solid electrolyte separator through which only lithium ions pass, an electrolyte for the air electrode, and an air electrode. A lithium-air battery provided in order is disclosed, and it has been proposed to use an organic electrolyte as an electrolyte for a negative electrode and an alkaline aqueous electrolyte as an electrolyte for an air electrode.

ところで、近年、水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質として、M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHOなる一般式(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンである)で表わされる層状複水酸化物(LDH)が知られており、直接アルコール燃料電池のアルカリ電解質膜として、層状複水酸化物の膜を用いることが提案されている(例えば、特許文献3(国際公開第2010/109670号)を参照)。 In recent years, as a solid electrolyte having a hydroxide ion conductivity, M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O becomes the general formula (wherein, M 2+ is a divalent of a cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-are known layered double hydroxide (LDH) is represented by a is) n-valent anion, direct alcohol fuel cell It has been proposed to use a layered double hydroxide film as the alkaline electrolyte film (see, for example, Patent Document 3 (International Publication No. 2010/109670)).

特開2009−93983号公報JP 2009-93983 A 特開2010−176941号公報JP 2010-176941 A 国際公開第2010/109670号International Publication No. 2010/109670

しかしながら、亜鉛空気電池に関する特許文献1及びリチウム空気電池に関する特許文献2のいずれに開示される構成においても、空気中の二酸化炭素が空気極を通過してアルカリ性の水系電解液に達して反応し、アルカリ金属の炭酸塩が生成することにより電解液が劣化するという問題や、アルカリ金属の炭酸塩が空気極中の細孔を塞ぐといった問題が発生しうるため、長期使用に適したものではない。これに対して、空気極と電解液との間に水酸化物イオン伝導性固体電解質体を介在させることにより、電解液及び空気極の劣化を効果的に防止して、長寿命でかつ長期信頼性が高い空気二次電池を実現する手法が考えられる。すなわち、水酸化物イオン伝導性固体電解質体により、空気極で生成した水酸化物イオンのみを透過し、二酸化炭素を透過させないという手法である。   However, in any of the configurations disclosed in Patent Document 1 relating to a zinc-air battery and Patent Document 2 relating to a lithium-air battery, carbon dioxide in the air passes through the air electrode and reaches an alkaline aqueous electrolyte and reacts. The problem that the electrolytic solution deteriorates due to the formation of the alkali metal carbonate and the problem that the alkali metal carbonate closes the pores in the air electrode may occur, so that it is not suitable for long-term use. In contrast, by interposing a hydroxide ion conductive solid electrolyte between the air electrode and the electrolyte, the electrolyte and the air electrode can be effectively prevented from deteriorating and have a long life and long-term reliability. A method for realizing a highly functional air secondary battery can be considered. That is, this is a technique in which only hydroxide ions generated at the air electrode are transmitted and carbon dioxide is not transmitted by the hydroxide ion conductive solid electrolyte body.

ところで、上記のように水酸化物イオン伝導性固体電解質体を用いた場合、空気極が電解液(水溶液)と直接接触しない構造となる。このため、水酸化物イオン(OH)を生成するには、空気中の酸素だけでなく、HOを空気極に供給する必要がある。この点、実際のメカニズムは定かではないが、そのHOは水酸化物イオン伝導性固体電解質体の結晶中のHO分子や空気中の水蒸気を利用することになる。空気中に十分な量の水分があればこの二次電池は安定して作動するものと当初考えられたが、実際のところ、水酸化物イオン伝導性固体電解質体として用いた層状複水酸化物の水酸化物イオン(OH)伝導度が、相対湿度、すなわち空気中の水蒸気濃度によって予想外な程に異なる値を示すことが判明した。また、同様に、温度によってもイオン伝導度が大きく異なることが判明した。 By the way, when the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is used as described above, the air electrode does not directly contact the electrolytic solution (aqueous solution). For this reason, in order to generate hydroxide ions (OH ), it is necessary to supply not only oxygen in the air but also H 2 O to the air electrode. In this respect, although the actual mechanism is not clear, the H 2 O uses H 2 O molecules in the crystal of the hydroxide ion conductive solid electrolyte and water vapor in the air. Although it was initially thought that this secondary battery would operate stably if there was a sufficient amount of moisture in the air, the layered double hydroxide used as a hydroxide ion conductive solid electrolyte was actually used. It has been found that the hydroxide ion (OH ) conductivities of the samples exhibit unexpectedly different values depending on the relative humidity, that is, the water vapor concentration in the air. Similarly, the ionic conductivity was found to vary greatly depending on the temperature.

すなわち、本発明者らは、今般、層状複水酸化物のような水酸化物イオン伝導性固体電解質体において、空気中の水蒸気濃度や電池の温度が変動すると、イオン伝導度が顕著に変動し、金属空気二次電池の出力等の特性が思いのほか安定しないとの知見を得た。その結果、金属空気二次電池の温度及び/又は空気極に供給される空気中の湿度を略一定に制御することにより、電池の出力特性等を安定化できるとの知見を得た。   That is, the present inventors, in hydroxide ion conductive solid electrolytes such as layered double hydroxides, when the water vapor concentration in the air and the temperature of the battery fluctuate, the ionic conductivity changes significantly. In addition, we obtained knowledge that the characteristics such as the output of the metal-air secondary battery are unexpectedly unstable. As a result, it has been found that the battery output characteristics and the like can be stabilized by controlling the temperature of the metal-air secondary battery and / or the humidity in the air supplied to the air electrode to be substantially constant.

したがって、本発明の目的は、金属空気二次電池において出力特性等を安定化させる使用方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a usage method for stabilizing output characteristics and the like in a metal-air secondary battery.

本発明の一態様によれば、金属空気二次電池の使用方法であって、前記金属空気二次電池が、水酸化物イオン伝導性固体電解質体と、前記固体電解質体の一面側に密着して設けられる正極としての空気極と、前記固体電解質体の他面側に設けられる金属負極とを備えたものであり、
前記金属空気二次電池の温度及び/又は前記空気極に供給される空気中の湿度を略一定に制御することを含む、金属空気二次電池の使用方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for using a metal-air secondary battery, wherein the metal-air secondary battery is in close contact with a hydroxide ion conductive solid electrolyte body and one surface side of the solid electrolyte body. An air electrode as a positive electrode provided, and a metal negative electrode provided on the other surface side of the solid electrolyte body,
There is provided a method of using a metal-air secondary battery, comprising controlling the temperature of the metal-air secondary battery and / or humidity in the air supplied to the air electrode to be substantially constant.

本発明に使用可能な亜鉛空気二次電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the zinc air secondary battery which can be used for this invention. 本発明に使用可能なリチウム空気二次電池を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the lithium air secondary battery which can be used for this invention. 本発明に使用可能なリチウム空気二次電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the lithium air secondary battery which can be used for this invention. 例2で伝導度測定に用いた測定系を示す概略図である。6 is a schematic diagram showing a measurement system used for conductivity measurement in Example 2. FIG. 例2で測定されたイオン伝導度の温度依存性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of ionic conductivity measured in Example 2. 例2で測定されたイオン伝導度の相対湿度依存性を示す図である。It is a figure which shows the relative humidity dependence of the ionic conductivity measured in Example 2. FIG. 例2における定電流測定により得られた充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic obtained by the constant current measurement in Example 2.

金属空気二次電池の使用方法
本発明は、金属空気二次電池の使用方法である。本発明の方法に用いられる金属空気二次電池は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体と、固体電解質体の一面側に密着して設けられる正極としての空気極と、固体電解質体の他面側に設けられる金属負極とを備えたものである。このような水酸化物イオン伝導性固体電解質体及びそれを用いた金属空気二次電池の詳細については後述するが、好ましい適用例としては亜鉛空気電池やリチウム空気電池が挙げられる。そして、本発明の方法においては、金属空気二次電池の温度及び/又は空気極に供給される空気中の湿度を略一定に、好ましくは一定に制御する。これによって、電池の出力特性等を安定化することができる。その詳細は以下のように説明される。
TECHNICAL FIELD The present invention is a method for using a metal-air secondary battery. The metal-air secondary battery used in the method of the present invention includes a hydroxide ion conductive solid electrolyte body, an air electrode as a positive electrode provided in close contact with one surface side of the solid electrolyte body, and the other surface of the solid electrolyte body. And a metal negative electrode provided on the side. Although details of such a hydroxide ion conductive solid electrolyte body and a metal-air secondary battery using the same will be described later, preferred examples of application include a zinc-air battery and a lithium-air battery. In the method of the present invention, the temperature of the metal-air secondary battery and / or the humidity in the air supplied to the air electrode are controlled to be substantially constant, preferably constant. Thereby, the output characteristics and the like of the battery can be stabilized. The details are explained as follows.

すなわち、上述したように、水酸化物イオン伝導性固体電解質体を用いて上述の構造の金属空気二次電池を構築した場合、空気極は水酸化物イオン伝導性固体電解質体と接触し、水酸化物イオン伝導性固体電解質体はその一面側が空気と触れる。しかしながら、今般の知見によれば、水酸化物イオン伝導性固体電解質体として用いた層状複水酸化物の水酸化物イオン(OH)伝導度が、相対湿度、すなわち空気中の水蒸気濃度によって予想外な程に異なる値を示す。また、同様に、温度によってもイオン伝導度が大きく異なる。したがって、金属空気二次電池の温度及び/又は空気極に供給される空気中の湿度を略一定に、好ましくは一定に制御することで、水酸化物イオン伝導性固体電解質体のイオン伝導度を安定化させることができ、その結果、電池の出力特性等を安定化することができる。 That is, as described above, when a metal-air secondary battery having the above structure is constructed using a hydroxide ion conductive solid electrolyte body, the air electrode is in contact with the hydroxide ion conductive solid electrolyte body, One side of the oxide ion conductive solid electrolyte body is in contact with air. However, according to current knowledge, the hydroxide ion (OH ) conductivity of the layered double hydroxide used as the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is predicted by the relative humidity, that is, the water vapor concentration in the air. Different values are shown. Similarly, the ionic conductivity varies greatly depending on the temperature. Therefore, by controlling the temperature of the metal-air secondary battery and / or the humidity in the air supplied to the air electrode to be substantially constant, preferably constant, the ionic conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is controlled. As a result, the output characteristics and the like of the battery can be stabilized.

本発明の方法においては、金属空気二次電池の温度を略一定に制御するのが好ましく、より好ましくは一定に制御する。これにより、イオン伝導度の温度依存性が大きい水酸化物イオン伝導性固体電解質体のイオン伝導度を安定化させることができる。温度を略一定ないし一定に制御するとは、電池の出力特性等を安定化させる程度に温度変動を抑えることを意味し、好ましくは温度変動幅が±5℃未満、より好ましくは±2.5℃未満、さらに好ましくは±1.5℃未満、理想的には±0℃である。温度変動幅の許容範囲は、設定温度が十分に高ければ伝導度が出力に及ぼす影響が小さくなるため比較的広めの温度変動幅であっても許容されうる。特に、実際の運転を考えた場合、極度に狭い温度変動幅での制御は、制御系を巨大にしてエネルギー密度を下げコスト的にも不利になりかねないため、そのような不都合を生じない程度の適度な温度変動幅で制御すればよい。温度を略一定にする方法としては、任意の手法を採用することができ特に限定されないが、電池容器を断熱材とヒーターを備えた容器に収納する方法が好ましく例示される。あるいは、工場や他の発電装置等から排出される高温廃熱により暖められた空気を利用して電池容器を所定温度に暖める構成としてもよい。   In the method of the present invention, the temperature of the metal-air secondary battery is preferably controlled to be substantially constant, more preferably controlled to be constant. Thereby, the ionic conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body having a large temperature dependence of the ionic conductivity can be stabilized. Controlling the temperature to be substantially constant or constant means that the temperature fluctuation is suppressed to such an extent that the output characteristics of the battery are stabilized, and the temperature fluctuation width is preferably less than ± 5 ° C., more preferably ± 2.5 ° C. Less than, more preferably less than ± 1.5 ° C., ideally ± 0 ° C. The allowable range of the temperature fluctuation range can be allowed even if the temperature fluctuation range is relatively wide since the influence of the conductivity on the output is small if the set temperature is sufficiently high. In particular, when considering actual operation, control with an extremely narrow temperature fluctuation range can be disadvantageous in terms of cost because it can be disadvantageous in terms of cost by reducing the energy density by enlarging the control system. What is necessary is just to control by the moderate temperature fluctuation range. As a method for making the temperature substantially constant, any method can be adopted and is not particularly limited, but a method of storing the battery container in a container provided with a heat insulating material and a heater is preferably exemplified. Or it is good also as a structure which warms a battery container to predetermined temperature using the air warmed by the high temperature waste heat discharged | emitted from a factory, another electric power generating apparatus, etc.

本発明の方法においては、空気極に供給される空気中の湿度を略一定に制御するのが好ましく、より好ましくは一定に制御する。これにより、イオン伝導度の湿度依存性が大きい水酸化物イオン伝導性固体電解質体のイオン伝導度を安定化させることができる。湿度を略一定ないし一定に制御するとは、電池の出力特性等を安定化させる程度に湿度変動を抑えることを意味し、好ましくは相対湿度変動幅が±5%未満、より好ましくは±2.5%未満、理想的には±0%である。相対湿度変動幅の許容範囲は、設定湿度が十分に高ければ伝導度が出力に及ぼす影響が小さくなるため比較的広めの相対湿度変動幅であっても許容されうる。特に、実際の運転を考えた場合、極度に狭い相対湿度変動幅での制御は、制御系を巨大にしてエネルギー密度を下げコスト的にも不利になりかねないため、そのような不都合を生じない程度に適度な相対湿度変動幅で制御すればよい。湿度を略一定にする方法としては、任意の手法を採用することができ特に限定されないが、電池を収納した容器(望ましくは密閉容器)内に、外部より、湿度を略一定に調整された空気を送り込む方法が好ましく例示される。   In the method of the present invention, the humidity in the air supplied to the air electrode is preferably controlled to be substantially constant, more preferably controlled to be constant. Thereby, the ionic conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body in which the humidity dependence of the ionic conductivity is large can be stabilized. Controlling the humidity substantially constant or constant means that the humidity fluctuation is suppressed to such an extent that the output characteristics of the battery are stabilized, and the relative humidity fluctuation width is preferably less than ± 5%, more preferably ± 2.5. %, Ideally ± 0%. The allowable range of the relative humidity fluctuation range can be allowed even if the relative humidity fluctuation range is relatively wide because the influence of the conductivity on the output becomes small if the set humidity is sufficiently high. In particular, when considering actual operation, control with an extremely narrow relative humidity fluctuation range does not cause such inconvenience because the control system may be enormous and the energy density may be lowered, which may be disadvantageous in terms of cost. What is necessary is just to control by the relative humidity fluctuation range moderate. As a method for making the humidity substantially constant, any method can be adopted and it is not particularly limited. However, the air in which the humidity is adjusted to be substantially constant from the outside in a container (preferably a sealed container) containing the battery. The method of feeding in is preferably exemplified.

特に好ましくは、金属空気二次電池の温度及び空気極と接触可能な空気中の湿度の両方が略一定ないし一定に制御される。これにより、水酸化物イオン伝導性固体電解質体のイオン伝導度をより一層確実に安定化させることができ、その結果、電池の出力特性等をより一層確実に安定化することができる。   Particularly preferably, both the temperature of the metal-air secondary battery and the humidity in the air that can come into contact with the air electrode are controlled to be substantially constant or constant. Thereby, the ionic conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body can be more reliably stabilized, and as a result, the output characteristics and the like of the battery can be more reliably stabilized.

金属空気二次電池
本発明の方法に用いられる金属空気二次電池は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体と、この固体電解質体の一面側に密着して設けられる正極としての空気極と、この固体電解質体の他面側に設けられる金属負極とを備える。この構成によれば、前述したように、長寿命でかつ長期信頼性が高い各種金属空気電池を実現することができる。本発明の好ましい態様によれば、金属負極は亜鉛又は亜鉛合金を含んでなるものであってよく、それによって亜鉛空気二次電池を構築することができる。あるいは、本発明の別の好ましい態様によれば、金属負極はリチウム又はリチウム合金を含んでなるものであってよく、それによってリチウム空気二次電池を構築することができる。典型的には固体電解質体と負極の間にアルカリ電解液が使用され、リチウム空気二次電池にあっては、固体電解質体と負極の間に電解液としてリチウムイオン含有水溶液を使用するのが好ましい。
Metal-air secondary battery A metal-air secondary battery used in the method of the present invention includes a hydroxide ion conductive solid electrolyte body, an air electrode as a positive electrode provided in close contact with one surface side of the solid electrolyte body, A metal negative electrode provided on the other surface side of the solid electrolyte body. According to this configuration, as described above, various metal-air batteries having a long life and high long-term reliability can be realized. According to a preferred embodiment of the present invention, the metal negative electrode may comprise zinc or a zinc alloy, whereby a zinc-air secondary battery can be constructed. Alternatively, according to another preferred embodiment of the present invention, the metal negative electrode may comprise lithium or a lithium alloy, whereby a lithium-air secondary battery can be constructed. Typically, an alkaline electrolyte is used between the solid electrolyte body and the negative electrode. In a lithium-air secondary battery, it is preferable to use a lithium ion-containing aqueous solution as the electrolyte between the solid electrolyte body and the negative electrode. .

金属空気二次電池の好ましい形態である亜鉛空気電池及びリチウム空気電池について、以下に具体的に説明する。   A zinc-air battery and a lithium-air battery, which are preferred forms of the metal-air secondary battery, will be specifically described below.

(1)亜鉛空気二次電池
図1に、本発明に使用可能な亜鉛空気二次電池の構成を概念的に示す。図1に示される亜鉛空気二次電池10は、正極としての空気極12と、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14と、金属負極16と、電解液とを備える。水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は、空気極12の一面側に密着して設けられ、水酸化物イオン伝導性を有する。金属負極16は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の空気極12と反対側に設けられ、亜鉛又は亜鉛合金を含んでなる。電解液は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14によって空気極12と隔離されてなり、この電解液中に金属負極16が浸漬されてなる。
(1) Zinc Air Secondary Battery FIG. 1 conceptually shows the configuration of a zinc air secondary battery that can be used in the present invention. A zinc-air secondary battery 10 shown in FIG. 1 includes an air electrode 12 as a positive electrode, a hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, a metal negative electrode 16, and an electrolytic solution. The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is provided in close contact with one surface side of the air electrode 12 and has hydroxide ion conductivity. The metal negative electrode 16 is provided on the opposite side of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 from the air electrode 12 and includes zinc or a zinc alloy. The electrolytic solution is separated from the air electrode 12 by the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, and the metal negative electrode 16 is immersed in the electrolytic solution.

このように、亜鉛空気二次電池10は、空気極12の一面側に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14が密着して設けられてなる。このような構成によれば、空気極12と電解液との間に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14が介在することになるので、空気極12で生成した水酸化物イオン(OH)のみを電解液に通過させる一方、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の混入を阻止することができる。これにより、電解液の劣化を防止して、寿命の長い亜鉛空気電池を実現できる。同時に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の介在により、電解液中のアルカリ金属イオンが空気極12まで移動するのを阻止して、アルカリ金属の炭酸塩からなる析出物が空気極12中の細孔内で生成して細孔を塞ぐという問題を回避することもでき、これは長期信頼性の向上に寄与する。また、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は典型的には緻密で硬い無機固体で構成されるため、充電時に生成する亜鉛デンドライトが空気極と接触することによる正負極間の短絡を物理的に防止することも可能となる。その結果、長寿命でかつ長期信頼性が高い亜鉛空気二次電池の提供が可能となる。 Thus, the zinc-air secondary battery 10 is provided with the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 in close contact with one surface side of the air electrode 12. According to such a configuration, since the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is interposed between the air electrode 12 and the electrolytic solution, the hydroxide ions (OH −) generated at the air electrode 12 are present. ) Only through the electrolyte solution, while mixing in undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air can be prevented. Thereby, deterioration of electrolyte solution can be prevented and a long-life zinc-air battery can be realized. At the same time, the intervention of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 prevents alkali metal ions in the electrolytic solution from moving to the air electrode 12, and precipitates made of alkali metal carbonate are present in the air electrode 12. It is also possible to avoid the problem of being generated in the pores and blocking the pores, which contributes to the improvement of long-term reliability. Further, since the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is typically composed of a dense and hard inorganic solid, a short circuit between the positive and negative electrodes due to the contact of the zinc dendrite generated during charging with the air electrode is physically performed. It is also possible to prevent this. As a result, it is possible to provide a zinc-air secondary battery having a long life and high long-term reliability.

すなわち、亜鉛空気二次電池10における、空気極(正極)12及び金属負極16における放電時の反応は以下のとおりであり、充電時はその逆となる。
正極: O + 2HO + 4e → 4OH
負極: 2Zn + 4OH → 2ZnO + 2HO + 4e
That is, the reaction at the time of discharge in the air electrode (positive electrode) 12 and the metal negative electrode 16 in the zinc-air secondary battery 10 is as follows, and vice versa at the time of charging.
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Negative: 2Zn + 4OH - → 2ZnO + 2H 2 O + 4e -

なお、亜鉛空気二次電池10では、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14が空気極12の一面側に密着して設けられるため、電解液は水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の金属負極16側にのみに存在し、空気極12側には存在しない。この場合、正極反応に必要なHOは分子構造中に含水可能な水酸化物イオン伝導性固体電解質体においては浸入したHOを使用できるが、併せて空気中の水分を正極反応に必要なHOとして使用することもできる。したがって、電池動作を効率的に行うには、本発明の電池は加湿空気の存在下で使用されるのが好ましい。 In the zinc-air secondary battery 10, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is provided in close contact with one surface side of the air electrode 12, so that the electrolyte is a metal of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14. It exists only on the negative electrode 16 side and does not exist on the air electrode 12 side. In this case, the H 2 O required for the cathode reaction infiltration was H 2 O can be used in water can be hydroxide ion conductive solid electrolyte body in the molecular structure, moisture together in air to the cathode reaction It can also be used as the required H 2 O. Therefore, for efficient battery operation, the battery of the present invention is preferably used in the presence of humidified air.

(1a)水酸化物イオン伝導性固体電解質体
水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含んで構成され、空気極12で生成した水酸化物イオンを電解液に選択的に通過させることが可能なあらゆる部材であることができる。すなわち、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の電池内への混入を阻止すると同時に、電解液中のアルカリ金属イオンが空気極12まで移動するのを阻止する。したがって、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は二酸化炭素を通さないものであることが望まれる。このため、水酸化物イオン伝導性無機固体電解質が緻密質セラミックスであるのが好ましい。特に、無機固体電解質は緻密で硬い無機固体で構成されることで、亜鉛デンドライトによる正負極間の短絡及び二酸化炭素の混入の両方を防止することができる。このような水酸化物イオン伝導性固体電解質体は、アルキメデス法で算出して、88%以上の相対密度を有するのが好ましく、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは94%以上であるが、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の電池内への混入や亜鉛デンドライトの貫通を阻止できるのであればこれに限定されない。水酸化物イオン伝導性無機固体電解質は層状複水酸化物(LDH)であるのが好ましい。このような層状複水酸化物は水熱固化法によって緻密化されるのが好ましい。したがって、水熱固化を経ていない単なる圧粉体は、緻密でなく、溶液中で脆いことから本発明の水酸化物イオン伝導性固体電解質体として好ましくない。もっとも、水熱固化法によらなくても、緻密で硬い水酸化物イオン伝導性固体電解質体が得られるかぎりにおいて、あらゆる固化法が採用可能である。このように、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は層状複水酸化物緻密体からなるものが好ましい。好ましい層状複水酸化物緻密体及びその製造方法については後述するものとする。
(1a) Hydroxide Ion Conductive Solid Electrolyte Body The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 includes an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity and is generated at the air electrode 12. Any member that can selectively pass ions through the electrolyte can be used. That is, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 prevents undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air from entering the battery, and at the same time, alkali metal ions in the electrolyte move to the air electrode 12. To stop doing. Accordingly, it is desirable that the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is impermeable to carbon dioxide. For this reason, it is preferable that the hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is a dense ceramic. In particular, since the inorganic solid electrolyte is composed of a dense and hard inorganic solid, it is possible to prevent both short-circuiting between the positive and negative electrodes due to zinc dendrite and mixing of carbon dioxide. Such a hydroxide ion conductive solid electrolyte body preferably has a relative density of 88% or more, calculated by Archimedes method, more preferably 90% or more, still more preferably 94% or more. The present invention is not limited to this as long as undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air can be prevented from being mixed into the battery or penetrated by zinc dendrite. The hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is preferably a layered double hydroxide (LDH). Such a layered double hydroxide is preferably densified by a hydrothermal solidification method. Therefore, a simple green compact that has not undergone hydrothermal solidification is not dense and is brittle in a solution, which is not preferable as the hydroxide ion conductive solid electrolyte body of the present invention. However, any solidification method can be adopted as long as a dense and hard hydroxide ion conductive solid electrolyte body can be obtained without using the hydrothermal solidification method. Thus, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is preferably composed of a layered double hydroxide dense body. A preferable layered double hydroxide dense body and a production method thereof will be described later.

本発明の別の好ましい態様によれば、水酸化物イオン伝導性無機固体電解質が、NaCo、LaFeSr10、BiSr14Fe2456、NaLaTiO、RbLaNb、KLaNb、及びSrCo1.6Ti1.4(OH)・xHOからなる群から選択される少なくとも一種の基本組成を有するものであってもよい。これらの無機固体電解質は、国際公開第2011/108526号において、燃料電池用の水酸化物イオン伝導性固体電解質として開示されるものであり、焼結により上記基本組成の緻密質焼結体を作製後、還元・加水処理を行って水酸化物イオン伝導性を発現させることにより得ることができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, the hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is NaCo 2 O 4 , LaFe 3 Sr 3 O 10 , Bi 4 Sr 14 Fe 24 O 56 , NaLaTiO 4 , RbLaNb 2 O 7. , KLaNb 2 O 7, and Sr 4 Co 1.6 Ti 1.4 O 8 (OH) may have at least one basic composition selected from the group consisting of 2 · xH 2 O. These inorganic solid electrolytes are disclosed as hydroxide ion conductive solid electrolytes for fuel cells in International Publication No. 2011/108526, and a dense sintered body having the above basic composition is produced by sintering. Then, it can obtain by performing reduction | restoration and a hydrolysis process and making hydroxide ion conductivity express.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の形状は特に限定されず、緻密な板状及び膜状のいずれであってもよいが、板状に形成されてなるのが亜鉛デンドライトの貫通、二酸化炭素の混入及びアルカリ金属イオンの空気極への移動をより一層効果的に阻止できる点で好ましい。もっとも、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14が、二酸化炭素の混入及びアルカリ金属イオンの空気極への移動を十分に阻止できる程の緻密性を有するのであれば膜状に形成されるのも好ましい。板状の水酸化物イオン伝導性固体電解質体の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.01〜0.2mm、さらに好ましくは0.01〜0.1mmである。また、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には1×10−4〜1×10−1S/m(1×10−3〜1mS/cm)、より典型的には1.0×10−4〜1.0×10−2S/m(1.0×10−3〜1.0×10−1mS/cm)の伝導度を有する。 The shape of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is not particularly limited and may be either a dense plate or a membrane, but the plate is formed to penetrate zinc dendrite, carbon dioxide. It is preferable in that it is possible to more effectively prevent the mixing of alkali metal ions and the movement of alkali metal ions to the air electrode. However, if the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is dense enough to prevent carbon dioxide contamination and migration of alkali metal ions to the air electrode, it may be formed into a film. preferable. The preferred thickness of the plate-like hydroxide ion conductive solid electrolyte body is 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.01 to 0.2 mm, and still more preferably 0.01 to 0.1 mm. is there. Further, the hydroxide ion conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is preferably as high as possible, but typically 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 S / m (1 × 10 − 3 to 1 mS / cm), more typically 1.0 × 10 −4 to 1.0 × 10 −2 S / m (1.0 × 10 −3 to 1.0 × 10 −1 mS / cm). Conductivity.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含んで構成される粒子群と、これら粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分との複合体であってもよい。あるいは、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14は、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質(例えば層状複水酸化物)との複合体であってもよい。この多孔質体を構成する物質の例としては、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性の物質が挙げられる。   The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is a composite of a particle group including an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity and an auxiliary component that assists densification and hardening of the particle group. There may be. Alternatively, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 includes an open-pore porous body as a substrate and an inorganic solid electrolyte (for example, deposited and grown in the pores so as to fill the pores of the porous body) It may be a composite with a layered double hydroxide). Examples of the substance constituting the porous body include ceramics such as alumina and zirconia, and insulating substances such as a porous sheet made of a foamed resin or a fibrous substance.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体14上により安定に水酸化物イオンを保持するために、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の片面又は両面に多孔質基材を設けてもよい。水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材に無機固体電解質を成膜する手法が考えられる。一方、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14の両面に多孔質基材を設ける場合には、2枚の多孔質基材の間に無機固体電解質の原料粉末を挟んで緻密化を行うことが考えられる。   In order to hold hydroxide ions more stably on the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, a porous substrate may be provided on one side or both sides of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14. In the case where a porous substrate is provided on one surface of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, a method of preparing a porous substrate and depositing an inorganic solid electrolyte on the porous substrate can be considered. On the other hand, when a porous substrate is provided on both surfaces of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, densification may be performed by sandwiching the raw material powder of the inorganic solid electrolyte between the two porous substrates. Conceivable.

(1b)空気極(正極)
空気極12は、亜鉛空気電池における正極として機能するものであれば特に限定されず、酸素を正極活物質として利用可能な種々の空気極が使用可能である。空気極12の好ましい例としては、黒鉛等の酸化還元触媒機能を有するカーボン系材料、白金、ニッケル等の酸化還元触媒機能を有する金属、ペロブスカイト型酸化物、二酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト、スピネル酸化物等の酸化還元触媒機能を有する無機酸化物といった触媒材料が挙げられる。空気極12は、酸化還元触媒機能を有する触媒が担持された多孔質炭素材料であるのが好ましい。この場合、上記したような触媒材料をMg−Al型層状複水酸化物(LDH)からなる水酸化物イオン伝導性固体電解質板の空気極側にペースト化して塗布して空気極を形成してもよい。また、空気極12は、酸化還元触媒機能を有する無機酸化物微粒子で構成された多孔質材料であってもよく、その場合には多孔質材料の一面側に水酸化物イオン伝導性固体電解質体が膜状に形成されてなるのが好ましい。この場合、ペロブスカイト型酸化物の粉末粒子を焼結により多孔質体として成形し、この多孔質体の一面側にMg−Al型層状複水酸化物(LDH)を水熱法等により緻密に製膜して、空気極と水酸化物イオン伝導性固体電解質体の積層構造を形成してもよい。空気極12は導電材を含んでいてもよい。導電材は、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、好ましい例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、鱗片状黒鉛のような天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等のグラファイト類、炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維類、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末類、ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。
(1b) Air electrode (positive electrode)
The air electrode 12 is not particularly limited as long as it functions as a positive electrode in a zinc-air battery, and various air electrodes that can use oxygen as a positive electrode active material can be used. Preferred examples of the air electrode 12 include carbon-based materials having a redox catalyst function such as graphite, metals having a redox catalyst function such as platinum and nickel, perovskite oxides, manganese dioxide, nickel oxide, cobalt oxide, spinel. Examples thereof include catalyst materials such as oxides and other inorganic oxides having a redox catalyst function. The air electrode 12 is preferably a porous carbon material on which a catalyst having a redox catalyst function is supported. In this case, the catalyst material as described above is applied as a paste on the air electrode side of a hydroxide ion conductive solid electrolyte plate made of Mg-Al type layered double hydroxide (LDH) to form an air electrode. Also good. The air electrode 12 may be a porous material composed of inorganic oxide fine particles having a redox catalyst function. In that case, a hydroxide ion conductive solid electrolyte body is provided on one side of the porous material. Is preferably formed into a film. In this case, powder particles of perovskite type oxide are formed into a porous body by sintering, and Mg-Al type layered double hydroxide (LDH) is densely produced on one surface side of the porous body by a hydrothermal method or the like. A laminated structure of an air electrode and a hydroxide ion conductive solid electrolyte body may be formed. The air electrode 12 may contain a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it is a conductive material. Preferred examples include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, and flaky graphite. Such as natural graphite, artificial graphite, graphite such as expanded graphite, conductive fibers such as carbon fiber, metal fiber, metal powders such as copper, silver, nickel, and aluminum, organic conductive materials such as polyphenylene derivatives, and Any mixtures of these may be mentioned.

空気極12はバインダーを含んでいてもよい。バインダーは、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であってよく特に限定されないが、好ましい例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、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)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。   The air electrode 12 may contain a binder. The binder may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin and is not particularly limited. Preferred examples include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, and tetrafluoro. Ethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, fluorine Vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropyl Pyrene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether -Tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-acrylic acid copolymers, and any mixtures thereof.

空気極12は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14と同質の水酸化物イオン伝導性固体電解質からなる物質との混合物又は複合体であることが好ましい。このような構成により、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の表面積が増大し、正極反応で生成したOHイオンをより効果的に移動させることができる。 The air electrode 12 is preferably a mixture or composite of a hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 and a substance made of the same hydroxide ion conductive solid electrolyte. With such a configuration, the surface area of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is increased, and OH ions generated by the positive electrode reaction can be moved more effectively.

空気極12は水酸化物イオン伝導性固体電解質体14と反対側の面に正極集電体18を備えたものであってもよい。この場合、正極集電体18は空気極12に空気が供給されるように通気性を有するのが好ましい。正極集電体の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等の金属板若しくは金属メッシュ、カーボンペーパー、及び酸化物導電体等が挙げられ、耐食性及び通気性の点でステンレス金網が特に好ましい。   The air electrode 12 may include a positive electrode current collector 18 on the surface opposite to the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14. In this case, the positive electrode current collector 18 preferably has air permeability so that air is supplied to the air electrode 12. Preferable examples of the positive electrode current collector include metal plates or metal meshes such as stainless steel, copper, and nickel, carbon paper, and oxide conductors. Stainless steel wire mesh is particularly preferable in terms of corrosion resistance and air permeability.

(1c)金属負極
金属負極16は、負極活物質として機能する亜鉛又は亜鉛合金を含んでなる。金属負極16は、粒子状、板状、ゲル状等のいかなる形状又は形態であってもよいが、粒子状またはゲル状とするのが反応速度の点で好ましい。粒子状の金属負極としては、30〜350μmの粒径のものを好ましく用いることができる。ゲル状の金属負極としては、100〜300μmの粒径の無汞化亜鉛合金粉、アルカリ電解液及び増粘剤(ゲル化剤)を混合攪拌してゲル状に形成したものを好ましく用いることができる。
(1c) Metal Negative Electrode The metal negative electrode 16 comprises zinc or a zinc alloy that functions as a negative electrode active material. The metal negative electrode 16 may have any shape or form such as a particle shape, a plate shape, or a gel shape, but a particle shape or a gel shape is preferable in terms of reaction rate. As the particulate metal negative electrode, those having a particle diameter of 30 to 350 μm can be preferably used. As the gel-like metal negative electrode, it is preferable to use a gel-free metal alloy powder having a particle diameter of 100 to 300 μm, an alkaline electrolyte and a thickener (gelator) mixed and stirred. it can.

亜鉛合金は、マグネシウム、アルミニウム、リチウム、ビスマス、インジウム、鉛等の汞化又は無汞化の合金であることができ、負極活物質として所望の性能を確保できる限り、その含有量は特に限定されない。好ましい亜鉛合金は、無水銀かつ鉛無添加の無汞化亜鉛合金であり、アルミニウム、ビスマス、インジウム又はこれらの組合せを含むものがより好ましい。さらに好ましくは、ビスマスを50〜1000ppm、インジウムを100〜1000ppmで、アルミニウム及び/又はカルシウムを10〜100ppm含む無汞化亜鉛合金であり、特に好ましくはビスマスを100〜500ppm、インジウムを300〜700ppm、アルミニウム及び/又はカルシウムを20〜50ppm含む。   The zinc alloy can be a hatched or non-hatched alloy such as magnesium, aluminum, lithium, bismuth, indium, lead, etc., and its content is not particularly limited as long as desired performance can be secured as a negative electrode active material. . Preferred zinc alloys are anhydrous silver and lead-free zinc-free zinc alloys, more preferably those containing aluminum, bismuth, indium or combinations thereof. More preferably, a zinc-free zinc alloy containing 50 to 1000 ppm of bismuth, 100 to 1000 ppm of indium and 10 to 100 ppm of aluminum and / or calcium, particularly preferably 100 to 500 ppm of bismuth, 300 to 700 ppm of indium, Contains 20 to 50 ppm of aluminum and / or calcium.

金属負極16は負極集電体に担持したものであってもよい。負極集電体の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等の金属板若しくは金属メッシュ、カーボンペーパー、及び酸化物導電体等が挙げられる。   The metal negative electrode 16 may be carried on a negative electrode current collector. Preferable examples of the negative electrode current collector include metal plates or metal meshes such as stainless steel, copper, and nickel, carbon paper, and oxide conductors.

(1d)電解液
電解液としては、亜鉛空気電池に一般的に使用される各種の電解液が使用可能である。電解液の例としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物水溶液、塩化亜鉛や過塩素酸亜鉛を含む水溶液、過塩素酸亜鉛を含む非水系溶媒、亜鉛ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含む非水系溶媒等が挙げられる。中でも、アルカリ金属水酸化物水溶液、特に水酸化カリウム水溶液が好ましく、より好ましくは水酸化カリウムを3〜50重量%(例えば30〜45重量%)含む水酸化カリウム水溶液である。
(1d) Electrolytic Solution As the electrolytic solution, various electrolytic solutions generally used for zinc-air batteries can be used. Examples of the electrolyte include alkali metal hydroxide aqueous solutions such as potassium hydroxide aqueous solution and sodium hydroxide aqueous solution, aqueous solutions containing zinc chloride and zinc perchlorate, non-aqueous solvents containing zinc perchlorate, zinc bis (tri Non-aqueous solvents containing fluoromethylsulfonyl) imide are exemplified. Among them, an alkali metal hydroxide aqueous solution, particularly a potassium hydroxide aqueous solution is preferable, and a potassium hydroxide aqueous solution containing 3 to 50% by weight (for example, 30 to 45% by weight) of potassium hydroxide is more preferable.

(1e)電池容器
空気極12、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14、金属負極16及び電解液は、電池容器20内に収容されることができる。この電池容器20は、空気極12を外部空気と接触可能にするための空気孔20aを有するのが好ましい。電池容器の材質、形状及び構造は特に限定されないが、電解液への空気(特に二酸化炭素)の混入及び電解液の漏れが無いように構成されることが望まれる。
(1e) Battery Container The air electrode 12, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, the metal negative electrode 16, and the electrolytic solution can be accommodated in the battery container 20. The battery container 20 preferably has an air hole 20a for allowing the air electrode 12 to come into contact with external air. The material, shape, and structure of the battery container are not particularly limited, but it is desirable that the battery container be configured so that air (particularly carbon dioxide) is not mixed into the electrolytic solution and the electrolytic solution does not leak.

図1に示される電池容器20は、少なくとも空気極12を収容する正極容器22と、少なくとも金属負極16及び電解液を収容する負極容器24とを備えてなる。正極容器22には空気孔20aが設けられ、通気性を有する集電体18を通過した空気が空気極12に到達可能とされてなる。正極容器22が負極容器24とガスケット26,28を介して嵌合され、これにより電池容器20内の密閉性が確保される。具体的には、正極容器22の内周縁に沿って正極ガスケット26が配設され、正極ガスケット26の内側に、空気極12及び正極集電体18がそれらの合計厚さが正極ガスケット26の厚さと同じとなるように配置される。金属負極16及び電解液が充填された負極容器24の上縁部には負極ガスケット28が配設される。正極容器22の内径は負極容器24の内径よりも大きく設計されており、それにより、ガスケット26が配設された正極容器22が、ガスケット28が配設された負極容器24に、ガスケット26,28間で水酸化物イオン伝導性固体電解質体14を挟持するように被せられた構成となっている。ガスケット26,28は気密性及び水密性を確保できるものであれば材質、形状及び構造は特に限定されないが、ナイロン等の絶縁性を有する材質で構成されるのが好ましい。このような電池容器20によれば、空気成分(特に二酸化炭素)の負極容器24内の電解液への侵入を、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14及びガスケット26,28を介して確実に阻止することができる。なお、正極容器22と負極容器24の嵌合の手順は特に限定されず、金属負極16及び電解液が充填された負極容器24に負極ガスケット28、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14、空気極12、正極集電体18及び正極ガスケット26に適宜配設していき、最後に正極容器20を被せてもよいし、あるいは、予め空気極12、正極集電体18及び正極ガスケット26が組み込まれた正極容器22を用意しておき、金属負極16及び電解液が充填されて負極ガスケット28が配設された負極容器24に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14を挟むように合体させてもよい。   The battery container 20 shown in FIG. 1 includes a positive electrode container 22 that houses at least the air electrode 12 and a negative electrode container 24 that houses at least the metal negative electrode 16 and an electrolyte. The positive electrode container 22 is provided with an air hole 20 a so that air that has passed through the air-collecting current collector 18 can reach the air electrode 12. The positive electrode container 22 is fitted to the negative electrode container 24 via the gaskets 26 and 28, thereby ensuring the hermeticity in the battery container 20. Specifically, the positive electrode gasket 26 is disposed along the inner peripheral edge of the positive electrode container 22, and the total thickness of the air electrode 12 and the positive electrode current collector 18 is the thickness of the positive electrode gasket 26 inside the positive electrode gasket 26. It is arranged to be the same. A negative electrode gasket 28 is disposed on the upper edge of the negative electrode container 24 filled with the metal negative electrode 16 and the electrolyte. The inner diameter of the positive electrode container 22 is designed to be larger than the inner diameter of the negative electrode container 24, so that the positive electrode container 22 in which the gasket 26 is disposed is connected to the negative electrode container 24 in which the gasket 28 is disposed in the gaskets 26, 28. The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is sandwiched between them. The material, shape and structure of the gaskets 26 and 28 are not particularly limited as long as the airtightness and the watertightness can be ensured. However, the gaskets 26 and 28 are preferably made of an insulating material such as nylon. According to such a battery container 20, air components (particularly carbon dioxide) can reliably enter the electrolytic solution in the negative electrode container 24 through the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 and the gaskets 26 and 28. Can be blocked. The procedure for fitting the positive electrode container 22 and the negative electrode container 24 is not particularly limited, and the negative electrode container 28 filled with the metal negative electrode 16 and the electrolytic solution is filled with the negative electrode gasket 28, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14, and the air. The electrode 12, the positive electrode current collector 18 and the positive electrode gasket 26 may be appropriately disposed, and the positive electrode container 20 may be finally covered. Alternatively, the air electrode 12, the positive electrode current collector 18 and the positive electrode gasket 26 are incorporated in advance. The prepared positive electrode container 22 is prepared, and is combined with the negative electrode container 24 filled with the metal negative electrode 16 and the electrolyte and provided with the negative electrode gasket 28 so as to sandwich the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 therebetween. May be.

本発明に使用可能な亜鉛空気二次電池は、あらゆる形状であることができ、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型等であることができる。また、小型の二次電池のみならず、電気自動車等に用いる大型の二次電池等にも適用可能である。   The zinc-air secondary battery that can be used in the present invention can have any shape, and can be, for example, a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a rectangular type, or the like. Moreover, it is applicable not only to a small secondary battery but also to a large secondary battery used for an electric vehicle or the like.

本発明に使用可能な亜鉛空気二次電池は、充電専用の正極を更に備えていてもよい(例えば特開2010−176941号公報を参照)。充電専用正極を備えることで、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の水酸化物イオン伝導性が低い場合でも、充電時にはこれを利用せずに充電専用正極を用いることができ、それにより充電を高速に行うことができる。その上、充電時における空気極での酸素の発生を回避して空気極の腐食や劣化を防ぐこともできる。充電専用正極の好ましい例としては、カーボンあるいは金属チタンメッシュが挙げられる。   The zinc-air secondary battery that can be used in the present invention may further include a positive electrode exclusively for charging (see, for example, JP 2010-176941 A). By providing a positive electrode for charging, even if the hydroxide ion conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is low, it is possible to use the positive electrode for charging without using it at the time of charging. It can be done at high speed. In addition, generation of oxygen at the air electrode during charging can be avoided to prevent corrosion and deterioration of the air electrode. Preferable examples of the positive electrode for charging include carbon or metal titanium mesh.

(2)リチウム空気二次電池
図2に、本発明に使用可能なリチウム空気二次電池の構成を概念的に示す。図2に示されるリチウム空気二次電池30は、正極としての空気極32と、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34と、セパレータ36と、負極38と、アルカリ電解液40とを備える。水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は、空気極32の一面側に密着して設けられ、水酸化物イオン伝導性を有する。セパレータ36は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34と離間して設けられ、リチウムイオン伝導性無機固体電解質からなる。負極38は、セパレータ36とリチウムイオン授受可能に設けられ、リチウムを含んでなる。アルカリ電解液40は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34及びセパレータ36の間に充填されてなる。
(2) Lithium Air Secondary Battery FIG. 2 conceptually shows the configuration of a lithium air secondary battery that can be used in the present invention. A lithium air secondary battery 30 shown in FIG. 2 includes an air electrode 32 as a positive electrode, a hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, a separator 36, a negative electrode 38, and an alkaline electrolyte 40. The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is provided in close contact with one surface side of the air electrode 32 and has hydroxide ion conductivity. The separator 36 is provided apart from the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 and is made of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte. The negative electrode 38 is provided so as to be able to exchange lithium ions with the separator 36 and includes lithium. The alkaline electrolyte 40 is filled between the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 and the separator 36.

このように、リチウム空気二次電池30は、空気極32の一面側に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34が密着して設けられてなる。このような構成によれば、空気極32とアルカリ電解液40との間に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34が介在することになるので、空気極32で生成した水酸化物イオン(OH)のみをアルカリ電解液40に通過させる一方、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の混入を阻止することができる。これにより、アルカリ電解液の劣化を防止して、寿命の長いリチウム空気電池を実現できる。同時に、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の介在により、アルカリ電解液40中のアルカリ金属イオン(例えばLi)が空気極32まで移動するのを阻止して、アルカリ金属水酸化物(例えばLiOH)析出物が空気極32中の細孔内で生成して細孔を塞ぐという問題を回避することもでき、これは長期信頼性の向上に寄与する。また、アルカリ電解液40と負極38とを隔離するセパレータ36として、緻密性に優れるリチウムイオン伝導性固体電解質を用いることにより、セパレータからのアルカリ電解液40及びそれに含まれる水酸化物イオンの漏れ、及びそれによるアルカリ電解液ないし水酸化物イオンと負極38との反応による負極の劣化を効果的に防止することができる。その結果、長寿命でかつ長期信頼性が高いリチウム空気二次電池の提供が可能となる。 Thus, the lithium air secondary battery 30 is provided with the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 in close contact with one surface of the air electrode 32. According to such a configuration, since the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is interposed between the air electrode 32 and the alkaline electrolyte 40, hydroxide ions ( While only OH ) is allowed to pass through the alkaline electrolyte 40, it is possible to prevent mixing of undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air. Thereby, deterioration of alkaline electrolyte can be prevented and a long-life lithium-air battery can be realized. At the same time, by interposing the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, alkali metal ions (for example, Li + ) in the alkaline electrolyte 40 are prevented from moving to the air electrode 32, and alkali metal hydroxide (for example, The problem that (LiOH) precipitates are generated in the pores in the air electrode 32 and block the pores can also be avoided, which contributes to the improvement of long-term reliability. Further, as the separator 36 that separates the alkaline electrolyte 40 and the negative electrode 38, by using a lithium ion conductive solid electrolyte that is excellent in denseness, leakage of the alkaline electrolyte 40 and hydroxide ions contained therein from the separator, In addition, the deterioration of the negative electrode due to the reaction between the alkaline electrolyte or hydroxide ions and the negative electrode 38 can be effectively prevented. As a result, it is possible to provide a lithium-air secondary battery that has a long life and high long-term reliability.

すなわち、リチウム空気二次電池30における、空気極(正極)32、電解液40及び負極38における放電時の反応は以下のとおりであり、充電時はその逆となる。
正極: 2HO + O + 4e → 4OH
電解液: Li + OH → LiOH
負極: Li → Li + e
That is, the reaction during discharge in the air electrode (positive electrode) 32, the electrolytic solution 40, and the negative electrode 38 in the lithium air secondary battery 30 is as follows, and vice versa during charging.
Positive electrode: 2H 2 O + O 2 + 4e → 4OH
Electrolyte: Li + + OH → LiOH
Negative electrode: Li → Li + + e

なお、リチウム空気二次電池30では、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34が空気極32の一面側に密着して設けられるため、アルカリ電解液40は水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の負極38側にのみに存在し、空気極32側には存在しない。この場合、正極反応に必要なHOは分子構造中に含水可能な水酸化物イオン伝導性固体電解質体においては浸入したHOを使用できるが、併せて空気中の水分を正極反応に必要なHOとして使用することもできる。したがって、電池動作を効率的に行うには、本発明の電池は加湿空気の存在下で使用されるのが好ましい。 In the lithium air secondary battery 30, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is provided in close contact with the one surface side of the air electrode 32, so the alkaline electrolyte 40 is used as the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34. It exists only on the negative electrode 38 side, and does not exist on the air electrode 32 side. In this case, the H 2 O required for the cathode reaction infiltration was H 2 O can be used in water can be hydroxide ion conductive solid electrolyte body in the molecular structure, moisture together in air to the cathode reaction It can also be used as the required H 2 O. Therefore, for efficient battery operation, the battery of the present invention is preferably used in the presence of humidified air.

(2a)空気極(正極)
空気極32は、リチウム空気電池における正極として機能するものであれば特に限定されず、酸素を正極活物質として利用可能な種々の空気極が使用可能である。空気極32の好ましい例としては、黒鉛等の酸化還元触媒機能を有するカーボン系材料、白金、ニッケル等の酸化還元触媒機能を有する金属、ペロブスカイト型酸化物、二酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト、スピネル酸化物等の酸化還元触媒機能を有する無機酸化物といった触媒材料が挙げられる。空気極32は、酸化還元触媒機能を有する触媒が担持された多孔質炭素材料であるのが好ましい。この場合、上記したような触媒材料をMg−Al型層状複水酸化物(LDH)からなる水酸化物イオン伝導性固体電解質板の空気極側にペースト化して塗布して空気極を形成してもよい。また、空気極32は、酸化還元触媒機能を有する無機酸化物微粒子で構成された多孔質材料であってもよく、その場合には多孔質材料の一面側に水酸化物イオン伝導性固体電解質体が膜状に形成されてなるのが好ましい。この場合、ペロブスカイト型酸化物の粉末粒子を焼結により多孔質体として成形し、この多孔質体の一面側にMg−Al型層状複水酸化物(LDH)を水熱法等により緻密に製膜して、空気極と水酸化物イオン伝導性固体電解質体の積層構造を形成してもよい。空気極32は導電材を含んでいてもよい。導電材は、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、好ましい例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、鱗片状黒鉛のような天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等のグラファイト類、炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維類、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末類、ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。
(2a) Air electrode (positive electrode)
The air electrode 32 is not particularly limited as long as it functions as a positive electrode in a lithium-air battery, and various air electrodes that can use oxygen as a positive electrode active material can be used. Preferred examples of the air electrode 32 include carbon-based materials having a redox catalyst function such as graphite, metals having a redox catalyst function such as platinum and nickel, perovskite oxides, manganese dioxide, nickel oxide, cobalt oxide, spinel. Examples thereof include catalyst materials such as oxides and other inorganic oxides having a redox catalyst function. The air electrode 32 is preferably a porous carbon material on which a catalyst having a redox catalyst function is supported. In this case, the catalyst material as described above is applied as a paste on the air electrode side of a hydroxide ion conductive solid electrolyte plate made of Mg-Al type layered double hydroxide (LDH) to form an air electrode. Also good. The air electrode 32 may be a porous material composed of inorganic oxide fine particles having a redox catalyst function. In that case, a hydroxide ion conductive solid electrolyte is provided on one side of the porous material. Is preferably formed into a film. In this case, powder particles of perovskite type oxide are formed into a porous body by sintering, and Mg-Al type layered double hydroxide (LDH) is densely produced on one surface side of the porous body by a hydrothermal method or the like. A laminated structure of an air electrode and a hydroxide ion conductive solid electrolyte body may be formed. The air electrode 32 may contain a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it is a conductive material. Preferred examples include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, and flaky graphite. Such as natural graphite, artificial graphite, graphite such as expanded graphite, conductive fibers such as carbon fiber, metal fiber, metal powders such as copper, silver, nickel, and aluminum, organic conductive materials such as polyphenylene derivatives, and Any mixtures of these may be mentioned.

空気極32はバインダーを含んでいてもよい。バインダーは、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であってよく特に限定されないが、好ましい例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、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)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。   The air electrode 32 may contain a binder. The binder may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin and is not particularly limited. Preferred examples include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, and tetrafluoro. Ethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, fluorine Vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropyl Pyrene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether -Tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-acrylic acid copolymers, and any mixtures thereof.

空気極32は、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34と同質の水酸化物イオン伝導性固体電解質からなる物質との混合物又は複合体であることが好ましい。このような構成により、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の表面積が増大し、正極反応で生成したOHイオンをより効果的に移動させることができる。 The air electrode 32 is preferably a mixture or composite of a hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 and a substance made of the same hydroxide ion conductive solid electrolyte. With such a configuration, the surface area of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is increased, and OH ions generated by the positive electrode reaction can be moved more effectively.

空気極32は水酸化物イオン伝導性固体電解質体34と反対側の面に正極集電体を備えたものであってもよい。この場合、正極集電体は空気極12に空気が供給されるように通気性を有するのが好ましい。正極集電体の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等の金属板若しくは金属メッシュ、カーボンペーパー、及び酸化物導電体等が挙げられ、耐食性及び通気性の点でステンレス金網が特に好ましい。   The air electrode 32 may include a positive electrode current collector on the surface opposite to the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34. In this case, the positive electrode current collector preferably has air permeability so that air is supplied to the air electrode 12. Preferable examples of the positive electrode current collector include metal plates or metal meshes such as stainless steel, copper, and nickel, carbon paper, and oxide conductors. Stainless steel wire mesh is particularly preferable in terms of corrosion resistance and air permeability.

(2b)水酸化物イオン伝導性固体電解質体
水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は、水酸化物イオン伝導性無機固体電解質で構成され、空気極32で生成した水酸化物イオンをアルカリ電解液40に選択的に通過させることが可能なあらゆる部材であることができる。すなわち、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の電池内への混入を阻止すると同時に、アルカリ電解液40中のリチウムイオンが空気極32まで移動するのを阻止する。したがって、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は二酸化炭素を通さないものであることが望まれる。このため、水酸化物イオン伝導性無機固体電解質が緻密質セラミックスであるのが好ましい。このような緻密な水酸化物イオン伝導性固体電解質体は、アルキメデス法で算出して、88%以上の相対密度を有するのが好ましく、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは94%以上であるが、空気中に含まれる二酸化炭素等の望ましくない物質の電池内への混入を阻止できるのであればこれに限定されない。水酸化物イオン伝導性無機固体電解質は層状複水酸化物(LDH)であるのが好ましい。このような層状複水酸化物は水熱固化法によって緻密化されるのが好ましい。したがって、水熱固化を経ていない単なる圧粉体は、緻密でなく、溶液中で脆いことから本発明の水酸化物イオン伝導性固体電解質体として好ましくない。もっとも、水熱固化法によらなくても、緻密で硬い水酸化物イオン伝導性固体電解質体が得られるかぎりにおいて、あらゆる固化法が採用可能である。このように、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は層状複水酸化物緻密体からなるものが好ましい。好ましい層状複水酸化物緻密体及びその製造方法については後述するものとする。
(2b) Hydroxide Ion Conductive Solid Electrolyte Body The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is composed of a hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte, and alkaline electrolyzes hydroxide ions generated at the air electrode 32. Any member that can be selectively passed through the liquid 40 can be used. That is, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 prevents undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air from entering the battery, and at the same time, lithium ions in the alkaline electrolyte 40 reach the air electrode 32. Stop moving. Therefore, it is desirable that the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is impermeable to carbon dioxide. For this reason, it is preferable that the hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is a dense ceramic. Such a dense hydroxide ion conductive solid electrolyte body preferably has a relative density of 88% or more, more preferably 90% or more, and still more preferably 94% or more, calculated by the Archimedes method. However, the present invention is not limited to this as long as undesirable substances such as carbon dioxide contained in the air can be prevented from entering the battery. The hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is preferably a layered double hydroxide (LDH). Such a layered double hydroxide is preferably densified by a hydrothermal solidification method. Therefore, a simple green compact that has not undergone hydrothermal solidification is not dense and is brittle in a solution, which is not preferable as the hydroxide ion conductive solid electrolyte body of the present invention. However, any solidification method can be adopted as long as a dense and hard hydroxide ion conductive solid electrolyte body can be obtained without using the hydrothermal solidification method. Thus, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is preferably made of a layered double hydroxide dense body. A preferable layered double hydroxide dense body and a production method thereof will be described later.

本発明の別の好ましい態様によれば、水酸化物イオン伝導性無機固体電解質が、NaCo、LaFeSr10、BiSr14Fe2456、NaLaTiO、RbLaNb、KLaNb、及びSrCo1.6Ti1.4(OH)・xHOからなる群から選択される少なくとも一種の基本組成を有するものであってもよい。これらの無機固体電解質は、国際公開第2011/108526号において、燃料電池用の水酸化物イオン伝導性固体電解質として開示されるものであり、焼結により上記基本組成の緻密質焼結体を作製後、還元・加水処理を行って水酸化物イオン伝導性を発現させることにより得ることができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, the hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte is NaCo 2 O 4 , LaFe 3 Sr 3 O 10 , Bi 4 Sr 14 Fe 24 O 56 , NaLaTiO 4 , RbLaNb 2 O 7. , KLaNb 2 O 7, and Sr 4 Co 1.6 Ti 1.4 O 8 (OH) may have at least one basic composition selected from the group consisting of 2 · xH 2 O. These inorganic solid electrolytes are disclosed as hydroxide ion conductive solid electrolytes for fuel cells in International Publication No. 2011/108526, and a dense sintered body having the above basic composition is produced by sintering. Then, it can obtain by performing reduction | restoration and a hydrolysis process and making hydroxide ion conductivity express.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の形状は特に限定されず、緻密な板状及び膜状のいずれであってもよいが、板状に形成されてなるのが二酸化炭素の混入及びリチウムイオンの空気極への移動をより一層効果的に阻止できる点で好ましい。もっとも、水酸化物イオン伝導性固体電解質体14が、二酸化炭素の混入及びLiイオンの空気極への移動を十分に阻止できる程の緻密性を有するのであれば膜状に形成されるのも好ましい。板状の水酸化物イオン伝導性固体電解質体の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.01〜0.2mm、さらに好ましくは0.01〜0.1mmである。また、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には1×10−4〜1×10−1S/m(1×10−3〜1mS/cm)、より典型的には1.0×10−4〜1.0×10−2S/m(1.0×10−3〜1.0×10−1mS/cm)の伝導度を有する。 The shape of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is not particularly limited, and may be either a dense plate shape or a membrane shape. However, the plate shape is formed by mixing carbon dioxide and lithium ions. It is preferable in that the movement to the air electrode can be more effectively prevented. However, it is also preferable that the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 14 is formed in a film form so long as it has a density sufficient to sufficiently prevent the mixing of carbon dioxide and the movement of Li ions to the air electrode. . The preferred thickness of the plate-like hydroxide ion conductive solid electrolyte body is 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.01 to 0.2 mm, and still more preferably 0.01 to 0.1 mm. is there. Further, the hydroxide ion conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is preferably as high as possible, but typically 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 S / m (1 × 10 − 3 to 1 mS / cm), more typically 1.0 × 10 −4 to 1.0 × 10 −2 S / m (1.0 × 10 −3 to 1.0 × 10 −1 mS / cm). Conductivity.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含んで構成される粒子群と、これら粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分との複合体であってもよい。あるいは、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34は、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質(例えば層状複水酸化物)との複合体であってもよい。この多孔質体を構成する物質の例としては、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性の物質が挙げられる。   The hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 is a composite of a particle group including an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity and an auxiliary component that assists densification and hardening of the particle group. There may be. Alternatively, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 includes an open-pore porous body as a substrate and an inorganic solid electrolyte (for example, deposited and grown in the pores so as to fill the pores of the porous body) It may be a composite with a layered double hydroxide). Examples of the substance constituting the porous body include ceramics such as alumina and zirconia, and insulating substances such as a porous sheet made of a foamed resin or a fibrous substance.

水酸化物イオン伝導性固体電解質体34上により安定に水酸化物イオンを保持するために、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の片面又は両面に多孔質基材を設けてもよい。水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材に無機固体電解質を成膜する手法が考えられる。一方、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34の両面に多孔質基材を設ける場合には、2枚の多孔質基材の間に無機固体電解質の原料粉末を挟んで緻密化を行うことが考えられる。   In order to hold hydroxide ions more stably on the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, a porous substrate may be provided on one side or both sides of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34. In the case of providing a porous substrate on one side of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, a method of preparing a porous substrate and depositing an inorganic solid electrolyte on the porous substrate can be considered. On the other hand, when a porous substrate is provided on both surfaces of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, densification may be performed by sandwiching the raw material powder of the inorganic solid electrolyte between the two porous substrates. Conceivable.

(2c)セパレータ
セパレータ36は、リチウムイオン伝導性無機固体電解質で構成され、アルカリ電解液40と負極38とを隔離し、それによりアルカリ電解液40や水酸化物イオンが負極38と直接接触して反応してしまうのを防止することができる。したがって、無機固体電解質はリチウムイオンを選択的に通過させ、アルカリ電解液及び水酸化物イオン等を通過させない緻密質セラミックスであることが望まれる。また、無機固体電解質を金属リチウムよりも硬く構成することで、充電時に負極でリチウムデンドライトが成長してきてもセパレータ38で確実に阻止して、リチウムデンドライトによる正負極間の短絡を回避することも可能である。このため、有機固体電解質のセパレータは本発明では使用されない。無機固体電解質は、アルカリ電解液及び水酸化物イオン等が通過する連通孔が存在すると負極の劣化に繋がるため緻密であることが望ましく、例えば、90%以上の相対密度を有するのが好ましく、より好ましくは95%以上、より好ましくは99%以上であり、このような高い相対密度は無機固体電解質の原料粉末の粒径及び焼結温度等を適宜制御することにより実現することができる。なお、相対密度は、アルキメデス法により測定することができる。無機固体電解質は10−5S/cm以上のリチウムイオン伝導率を有するのが好ましく、より好ましくは10−4S/cm以上のリチウムイオン伝導率を有する。
(2c) Separator The separator 36 is made of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, and separates the alkaline electrolyte 40 and the negative electrode 38 so that the alkaline electrolyte 40 and hydroxide ions are in direct contact with the negative electrode 38. It can prevent reacting. Therefore, it is desirable that the inorganic solid electrolyte is a dense ceramic that selectively allows lithium ions to pass therethrough and does not allow alkaline electrolytes, hydroxide ions, and the like to pass therethrough. In addition, by making the inorganic solid electrolyte harder than metallic lithium, even if lithium dendrite grows on the negative electrode during charging, it can be reliably prevented by the separator 38 and a short circuit between the positive and negative electrodes due to lithium dendrite can be avoided. It is. For this reason, the organic solid electrolyte separator is not used in the present invention. The inorganic solid electrolyte is desirably dense because it leads to deterioration of the negative electrode when there is a communication hole through which an alkaline electrolyte, hydroxide ions, and the like pass. For example, the inorganic solid electrolyte preferably has a relative density of 90% or more. Preferably, it is 95% or more, more preferably 99% or more. Such a high relative density can be realized by appropriately controlling the particle size, sintering temperature, and the like of the raw material powder of the inorganic solid electrolyte. The relative density can be measured by the Archimedes method. The inorganic solid electrolyte preferably has a lithium ion conductivity of 10 −5 S / cm or more, and more preferably has a lithium ion conductivity of 10 −4 S / cm or more.

リチウムイオン伝導性無機固体電解質の好ましい例としては、ガーネット系セラミックス材料、窒化物系セラミックス材料、ペロブスカイト系セラミックス材料、及びリン酸系セラミックス材料からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。ガーネット系セラミックス材料の例としては、Li−La−Zr−O系材料(具体的には、LiLaZr12など)、Li−La−Ta−O系材料(具体的には、LiLaTa12など)が挙げられ、特開2011−051800号公報、特開2011−073962号公報及び特開2011−073963号公報に記載されているものも用いることができる。窒化物系セラミックス材料の例としては、LiN、LiPONなどが挙げられる。ペロブスカイト系セラミックス材料の例としては、Li−La−Ti−O系材料(具体的には、LiLa1−xTi(0.04≦x≦0.14)など)が挙げられる。リン酸系セラミックス材料の例としては、Li−Al−Ti−P−O,Li−Al−Ge−P−O、及びLi−Al−Ti−Si−P−O(具体的には、Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)など)が挙げられる。 Preferable examples of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte include at least one selected from the group consisting of garnet-based ceramic materials, nitride-based ceramic materials, perovskite-based ceramic materials, and phosphate-based ceramic materials. Examples of garnet ceramic material, Li-La-Zr-O-based material (specifically, such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), the Li-La-Ta-O-based material (specifically, Li 7 La 3 Ta 2 O 12 ) can be used, and those described in JP 2011-051800 A, JP 2011-073962 A, and JP 2011-073963 A can also be used. Examples of nitride ceramic materials include Li 3 N, LiPON, and the like. Examples of the perovskite-based ceramic material include Li—La—Ti—O based materials (specifically, LiLa 1-x Ti x O 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.14) and the like). Examples of phosphoric acid-based ceramic materials include Li-Al-Ti-PO, Li-Al-Ge-PO, and Li-Al-Ti-Si-PO (specifically, Li 1 + x + y al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4,0 <y ≦ 0.6) , and the like).

特に好ましいリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、負極リチウムと直接接触しても反応が起きない点で、ガーネット系セラミックス材料である。とりわけ、Li、La、Zr及びOを含んで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物焼結体が、焼結性に優れて緻密化しやすく、かつ、イオン伝導率も高いことから好ましい。この種の組成のガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はLLZ結晶構造と呼ばれ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(LiLaZr12)に類似のXRDパターンを有する。なお、No.422259と比較すると構成元素が異なり、またセラミックス中のLi濃度などが異なる可能性があるため、回折角度や回折強度比が異なる場合もある。Laに対するLiのモル数の比Li/Laは2.0以上2.5以下であることが好ましく、Laに対するZrのモル比Zr/Laは0.5以上0.67以下であるのが好ましい。このガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はNb及び/又はTaをさらに含んで構成されるものであってもよい。すなわち、LLZのZrの一部がNb及びTaのいずれか一方又は双方で置換されることにより、置換前に比べて伝導率を向上させることができる。ZrのNb及び/又はTaによる置換量(モル比)は、(Nb+Ta)/Laのモル比が0.03以上0.20以下となる量にすることが好ましい。また、このガーネット系酸化物焼結体はAl及び/又はMgをさらに含んでいるのが好ましく、これらの元素は結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在していてもよい。Alの添加量は焼結体の0.01〜1質量%とするのが好ましく、Laに対するAlのモル比Al/Laは、0.008〜0.12であるのが好ましい。Mgの添加量は0.01〜1質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05〜0.30質量%である。Laに対するMgのモル比Mg/Laは、0.0016〜0.07であるのが好ましい。 A particularly preferred lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is a garnet-based ceramic material in that no reaction occurs even when it is in direct contact with negative electrode lithium. In particular, an oxide sintered body having a garnet type or a garnet type-like crystal structure containing Li, La, Zr and O is excellent in sinterability and easily densified, and has high ionic conductivity. Therefore, it is preferable. A garnet-type or garnet-like crystal structure of this type of composition is called an LLZ crystal structure, and is referred to as an X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database). It has an XRD pattern similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ). In addition, No. Compared to 422259, the constituent elements are different and the Li concentration in the ceramics may be different, so the diffraction angle and the diffraction intensity ratio may be different. The molar ratio Li / La of Li to La is preferably 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio Zr / La to La is preferably 0.5 or more and 0.67 or less. This garnet-type or garnet-like crystal structure may further comprise Nb and / or Ta. That is, by replacing a part of Zr of LLZ with one or both of Nb and Ta, the conductivity can be improved as compared with that before the substitution. The substitution amount (molar ratio) of Zr with Nb and / or Ta is preferably set such that the molar ratio of (Nb + Ta) / La is 0.03 or more and 0.20 or less. The garnet-based oxide sintered body preferably further contains Al and / or Mg, and these elements may exist in the crystal lattice or may exist in other than the crystal lattice. The addition amount of Al is preferably 0.01 to 1% by mass of the sintered body, and the molar ratio Al / La to La is preferably 0.008 to 0.12. The addition amount of Mg is preferably 0.01 to 1% by mass or more, and more preferably 0.05 to 0.30% by mass. It is preferable that the molar ratio Mg / La of Mg to La is 0.0016 to 0.07.

(2d)負極
負極38は、リチウムを含んで構成され、放電時に負極でリチウムがリチウムイオンに酸化されるものであれば特に限定されず、金属リチウム、リチウム合金、リチウム化合物等を含んで構成されることができる。リチウムは他の金属元素と比べて高い理論電圧及び電気化学当量を有するとの点で負極材料として優れる一方、充電時にデンドライトを成長させてしまうことがある。しかし、本発明によれば無機固体電解質のセパレータ36でデンドライトの貫通を阻止し、正負極間の短絡を回避することができる。負極38を構成する材料の好ましい例としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウム化合物等が挙げられ、リチウム合金の例としては、リチウムアルミニウム、リチウムシリコン、リチウムインジウム、リチウム錫などが挙げられ、リチウム化合物の例としては、窒化リチウム、リチウムカーボン等が挙げられるが、金属リチウムが大容量及びサイクル安定性の観点からより好ましい。
(2d) Negative electrode The negative electrode 38 is configured to include lithium, and is not particularly limited as long as lithium is oxidized into lithium ions at the negative electrode at the time of discharge, and includes metal lithium, a lithium alloy, a lithium compound, and the like. Can. Lithium is excellent as a negative electrode material in that it has a higher theoretical voltage and electrochemical equivalent than other metal elements, while dendrite may grow during charging. However, according to the present invention, the inorganic solid electrolyte separator 36 prevents the dendrite from penetrating, thereby avoiding a short circuit between the positive and negative electrodes. Preferable examples of the material constituting the negative electrode 38 include metallic lithium, lithium alloy, lithium compound, and the like. Examples of the lithium alloy include lithium aluminum, lithium silicon, lithium indium, lithium tin, and the like. Examples of these include lithium nitride and lithium carbon, but metallic lithium is more preferable from the viewpoint of large capacity and cycle stability.

負極38には負極集電体を備えたものであってもよい。負極集電体の好ましい例としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル、白金、貴金属等の金属板や金属メッシュ、カーボンペーパー、酸化物導電体等が挙げられる。   The negative electrode 38 may include a negative electrode current collector. Preferable examples of the negative electrode current collector include metal plates such as stainless steel, copper, nickel, platinum, and noble metals, metal mesh, carbon paper, and oxide conductors.

負極38は、セパレータとリチウムイオン授受可能に設けられていれば、その配置は特に限定されない。したがって、負極38はセパレータ36と直接接触してなるものであってもよいし、非水系電解液を介して間接的に接触する構成としてもよい。   The arrangement of the negative electrode 38 is not particularly limited as long as it is provided so as to be able to exchange lithium ions with the separator. Therefore, the negative electrode 38 may be in direct contact with the separator 36 or may be configured to be in indirect contact with the nonaqueous electrolyte solution.

(2e)アルカリ電解液
アルカリ電解液40は、アルカリ性の水系電解液である。アルカリ電解液40は、リチウムイオン含有水溶液が充電可能性の観点から好ましいが、放電時に負極38からリチウムイオンが供給されれば足りるため、充電末状態においては必ずしもリチウムイオンを含まなくてもよい。アルカリ電解液中のリチウムイオンが負極反応に関与する一方、アルカリ電解液中の水酸化物イオンが正極反応に関与する。アルカリ電解液の好ましい例としては、水酸化リチウムを水又は水系溶媒に溶解させたものが挙げられ、特に好ましくは水酸化リチウム水溶液である。また、アルカリ電解液はリチウムハライドを含むものであってもよく、リチウムハライドの好ましい例としては、フッ化リチウム(LiF)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI)等が挙げられる。
(2e) Alkaline electrolyte 40 The alkaline electrolyte 40 is an alkaline aqueous electrolyte. As the alkaline electrolyte 40, a lithium ion-containing aqueous solution is preferable from the viewpoint of chargeability, but it is sufficient that lithium ions are supplied from the negative electrode 38 at the time of discharging. While lithium ions in the alkaline electrolyte are involved in the negative electrode reaction, hydroxide ions in the alkaline electrolyte are involved in the positive electrode reaction. Preferable examples of the alkaline electrolyte include those obtained by dissolving lithium hydroxide in water or an aqueous solvent, and particularly preferably an aqueous lithium hydroxide solution. The alkaline electrolyte may contain a lithium halide. Preferred examples of the lithium halide include lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI). ) And the like.

アルカリ電解液40には、充電容量を上げるため、放電生成物として水酸化リチウム一水和物等の粉末を予め混合させておいてもよく、これは放電末状態で電池を構築する場合に特に有利となる。すなわち、充電が進むにつれて電解液中のリチウムイオン濃度及び水酸化物イオン濃度が下がるべきところ、水酸化リチウム一水和物の粉末が電解液中に溶解することでリチウムイオン及び水酸化物イオンが電解液に新たに供給される。   In order to increase the charge capacity, the alkaline electrolyte 40 may be premixed with a powder such as lithium hydroxide monohydrate as a discharge product. This is particularly true when a battery is constructed in a discharged state. It will be advantageous. That is, as the charging progresses, the lithium ion concentration and hydroxide ion concentration in the electrolytic solution should decrease, and the lithium hydroxide monohydrate powder dissolves in the electrolytic solution, so that lithium ions and hydroxide ions are dissolved. Newly supplied to the electrolyte.

電解液の漏洩を防止するために電解液をゲル化してもよい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましく、ポリエチレンオキサイド,ポリビニルアルコール,ポリアクリルアミドなどのポリマーやデンプンが用いられる。   In order to prevent leakage of the electrolytic solution, the electrolytic solution may be gelled. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that swells by absorbing the solvent of the electrolytic solution, and polymers such as polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, and polyacrylamide, and starch are used.

(2f)電池容器
空気極32、水酸化物イオン伝導性固体電解質体34、アルカリ電解液40、セパレータ36及び負極38は電池容器に収容されることができる。この容器は、空気極32を外部空気と接触可能にするための空気孔を有するのが好ましい。電池容器の材質、形状及び構造は特に限定されないが、電解液への空気(特に二酸化炭素)の混入及び電解液の漏れが無いように構成されることが望まれる。
(2f) Battery container The air electrode 32, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34, the alkaline electrolyte 40, the separator 36, and the negative electrode 38 can be accommodated in the battery container. This container preferably has an air hole for allowing the air electrode 32 to come into contact with external air. The material, shape, and structure of the battery container are not particularly limited, but it is desirable that the battery container be configured so that air (particularly carbon dioxide) is not mixed into the electrolytic solution and the electrolytic solution does not leak.

電池容器は、正極容器及び負極容器を、ガスケットを介して互いに嵌合可能に備えてなるのが好ましい。また、電池容器(特に負極容器)の内壁と負極との間に導電性緩衝材を介在させて、充放電による負極の厚さの変動によらず負極38と電池容器又は負極端子との接続を常に保つ構成とするのが好ましい。すなわち、導電性緩衝材の厚さが弾性的に変動可能なため負極38と電池容器(特に負極容器)との接続が常に保たれる。導電性緩衝材の好ましい例としては、カーボンフェルト、ステンレス製金属繊維を綿状にしたウェブ等が挙げられる。   The battery container preferably includes a positive electrode container and a negative electrode container that can be fitted to each other via a gasket. In addition, a conductive buffer material is interposed between the inner wall of the battery container (particularly the negative electrode container) and the negative electrode, so that the negative electrode 38 can be connected to the battery container or the negative electrode terminal regardless of variations in the thickness of the negative electrode due to charge / discharge. It is preferable to always keep the structure. That is, since the thickness of the conductive buffer material can be elastically changed, the connection between the negative electrode 38 and the battery container (particularly the negative electrode container) is always maintained. Preferable examples of the conductive buffer material include carbon felt, a web made of stainless steel metal fibers, and the like.

この態様によるリチウム空気二次電池が図3に示される。同図に示されるリチウム空気二次電池50は、少なくとも空気極52を収容する正極容器62と、負極58側に設けられる負極容器64とを備えてなる。正極容器62には空気孔62aが設けられ、空気が空気極52に到達可能とされてなる。正極容器62がガスケット66,68及びその間のセパレータ56を介して負極容器64と嵌合され、これにより電池容器内の密閉性が確保される。具体的には、正極容器62の底部に空気極52及び水酸化物イオン伝導性固体電解質体54が順に積層され、水酸化物イオン伝導性固体電解質体54上には正極容器62の内周縁に沿って正極ガスケット66が配設されるとともに、正極ガスケット66及び水酸化物イオン伝導性固体電解質体54によって形成された空間には電解液60が正極ガスケット66の上端と同じ高さとなるように充填される。セパレータ56は、正極ガスケット66に接しながら電解液60を正極ガスケット66及び水酸化物イオン伝導性固体電解質体34で形成される空間に封じ込めるように設けられる。セパレータ56上の中央部分には負極68及び導電性緩衝材70が積層される一方、セパレータ56上の正極容器42の内周縁に沿って正極ガスケット68が配設される。   A lithium air secondary battery according to this embodiment is shown in FIG. The lithium-air secondary battery 50 shown in the figure includes a positive electrode container 62 that houses at least the air electrode 52 and a negative electrode container 64 provided on the negative electrode 58 side. The positive electrode container 62 is provided with an air hole 62 a so that air can reach the air electrode 52. The positive electrode container 62 is fitted into the negative electrode container 64 through the gaskets 66 and 68 and the separator 56 therebetween, thereby ensuring the hermeticity in the battery container. Specifically, the air electrode 52 and the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 54 are sequentially stacked on the bottom of the positive electrode container 62, and the inner periphery of the positive electrode container 62 is placed on the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 54. A positive electrode gasket 66 is disposed along the positive electrode gasket 66 and the space formed by the positive electrode gasket 66 and the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 54 is filled with the electrolytic solution 60 so as to be at the same height as the upper end of the positive electrode gasket 66. Is done. The separator 56 is provided so as to contain the electrolytic solution 60 in a space formed by the positive electrode gasket 66 and the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 34 while being in contact with the positive electrode gasket 66. A negative electrode 68 and a conductive buffer material 70 are laminated on the central portion on the separator 56, while a positive electrode gasket 68 is disposed along the inner peripheral edge of the positive electrode container 42 on the separator 56.

リチウム空気二次電池50は放電末状態で構築してもよいし、充電末状態として構築してもよい。すなわち、放電末状態で構築する場合には、負極58は先ず負極集電体のみで構成しておき、充電時に金属リチウムを析出させて負極としての機能を付与すればよい。
一方、充電末状態で構築する場合にはセパレータ56上に金属リチウム及び負極集電体を積層して負極58を構成すればよい。負極容器64の外径は正極容器62の内径よりも小さく設計されており、正極容器62の内周縁に沿って配設された負極ガスケット68を介して正極容器62と嵌合される。このように本態様のリチウム空気二次電池50は、空気極52、水酸化物イオン伝導性固体電解質体54、電解液60、セパレータ56、負極58及び導電性緩衝材70が、正極容器62及び負極容器64によってガスケット66,68を介して挟持される構成を有しており、それにより空気孔52a以外の部分の気密性及び水密性が確保される。したがって、ガスケット66,68は気密性及び水密性を確保できるものであれば材質、形状及び構造は特に限定されないが、ナイロン等の絶縁性を有する材質で構成されるのが好ましい。このようなリチウム空気二次電池50によれば、空気成分(特に二酸化炭素)の電池内部、特に電解液への侵入を、水酸化物イオン伝導性固体電解質体54及びガスケット66,68を介して確実に阻止することができる。
The lithium air secondary battery 50 may be constructed in a discharged state or in a charged state. That is, in the case where the battery is constructed in a discharged state, the negative electrode 58 may be formed of only the negative electrode current collector, and metallic lithium may be deposited during charging to provide a function as a negative electrode.
On the other hand, when the battery is constructed in the end-of-charge state, the negative electrode 58 may be configured by laminating metallic lithium and a negative electrode current collector on the separator 56. The outer diameter of the negative electrode container 64 is designed to be smaller than the inner diameter of the positive electrode container 62, and is fitted to the positive electrode container 62 via a negative electrode gasket 68 disposed along the inner peripheral edge of the positive electrode container 62. As described above, the lithium-air secondary battery 50 of this embodiment includes the air electrode 52, the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 54, the electrolytic solution 60, the separator 56, the negative electrode 58, and the conductive buffer material 70, the positive electrode container 62, and It has a configuration in which it is sandwiched by the negative electrode container 64 via gaskets 66 and 68, thereby ensuring the airtightness and watertightness of the portions other than the air holes 52a. Therefore, the material, shape and structure of the gaskets 66 and 68 are not particularly limited as long as the airtightness and watertightness can be ensured, but the gaskets 66 and 68 are preferably made of an insulating material such as nylon. According to such a lithium-air secondary battery 50, air components (particularly carbon dioxide) enter the inside of the battery, in particular, the electrolytic solution through the hydroxide ion conductive solid electrolyte body 54 and the gaskets 66 and 68. It can be reliably prevented.

本発明に使用可能なリチウム空気二次電池は、あらゆる形状であることができ、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型等であることができる。また、小型の二次電池のみならず、電気自動車等に用いる大型の二次電池等にも適用可能である。   The lithium air secondary battery that can be used in the present invention can have any shape, and can be, for example, a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a rectangular type, or the like. Moreover, it is applicable not only to a small secondary battery but also to a large secondary battery used for an electric vehicle or the like.

本発明に使用可能なリチウム空気二次電池は、充電専用の正極を更に備えていてもよい(例えば特開2010−176941号公報を参照)。充電専用正極を備えることで、水酸化物イオン伝導性固体電解質体の水酸化物イオン伝導性が低い場合でも、充電時にはこれを利用せずに充電専用正極を用いることができ、それにより充電を高速に行うことができる。その上、充電時における空気極での酸素の発生を回避して空気極の腐食や劣化を防ぐこともできる。充電専用正極の好ましい例としては、カーボンあるいは金属チタンメッシュが挙げられる。   The lithium air secondary battery that can be used in the present invention may further include a positive electrode exclusively for charging (see, for example, JP 2010-176941 A). By providing a positive electrode for charging, even if the hydroxide ion conductivity of the hydroxide ion conductive solid electrolyte body is low, it is possible to use the positive electrode for charging without using it at the time of charging. It can be done at high speed. In addition, generation of oxygen at the air electrode during charging can be avoided to prevent corrosion and deterioration of the air electrode. Preferable examples of the positive electrode for charging include carbon or metal titanium mesh.

層状複水酸化物緻密体及びその製造方法
前述のとおり、本発明に使用可能な金属空気二次電池における水酸化物イオン伝導性固体電解質体として、層状複水酸化物緻密体を用いるのが好ましい。好ましい層状複水酸化物緻密体は、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の少なくとも一種以上の陽イオン、M3+は少なくとも一種以上の3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で示される層状複水酸化物を主相として含むものであり、好ましくは上記層状複水酸化物のみから実質的になる(又はのみからなる)。
Layered double hydroxide dense body and method for producing the same As described above, it is preferable to use a layered double hydroxide dense body as the hydroxide ion conductive solid electrolyte body in the metal-air secondary battery usable in the present invention. . Preferred layered double hydroxide dense body has the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) in 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent least one or more positive ion, M 3+ is at least one or more trivalent cations, layered a n- is an n-valent anion, n is represented by an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4) It contains a double hydroxide as the main phase, and preferably consists essentially of (or consists only of) the above layered double hydroxide.

上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記一般式は、少なくともM2+がMg2+を、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。 In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, the general formula is at least M 2+ is Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35.

前述のとおり、層状複水酸化物緻密体は、好ましくは88%以上の相対密度を有し、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは94%以上である。したがって、層状複水酸化物緻密体はクラックを実質的に含まないのが好ましく、より好ましくはクラックを全く含まない。   As described above, the layered double hydroxide dense body preferably has a relative density of 88% or more, more preferably 90% or more, and further preferably 94% or more. Therefore, it is preferable that the layered double hydroxide dense body does not substantially contain cracks, and more preferably does not contain any cracks.

層状複水酸化物緻密体は、層状複水酸化物主相が、示差熱分析において300℃以下に明確な吸熱ピークが観察されない層状複水酸化物粒子から構成されるのが好ましい。すなわち、示差熱分析において主に200℃近辺に観測される明確な吸熱ピークは層間水の脱離によるものと言われており、それに伴って急激に層間距離が変化するなどの大きな構造変化があるとされ、安定な温度領域が狭い可能性が推測されるからである。   The dense layered double hydroxide is preferably composed of layered double hydroxide particles in which the main phase of the layered double hydroxide does not show a clear endothermic peak at 300 ° C. or lower in differential thermal analysis. That is, a clear endothermic peak observed mainly in the vicinity of 200 ° C. in differential thermal analysis is said to be due to desorption of interlayer water, and there is a large structural change such as a sudden change in interlayer distance. This is because the possibility that the stable temperature region is narrow is estimated.

層状複水酸化物緻密体は、あらゆる方法によって作製されたものであってもよいが、以下に好ましい製造方法の一態様を説明する。この製造方法は、ハイドロタルサイトに代表される層状複水酸化物の原料粉末を成形及び焼成して酸化物焼成体とし、これを層状複水酸化物へ再生した後、余剰の水分を除去することにより行われる。この方法によれば、88%以上の相対密度を有する高品位な層状複水酸化物緻密体を簡便に且つ安定的に提供及び製造することができる。   Although the layered double hydroxide dense body may be produced by any method, one embodiment of a preferable production method will be described below. In this production method, a raw material powder of a layered double hydroxide represented by hydrotalcite is molded and fired to obtain an oxide fired body, which is regenerated into a layered double hydroxide, and then excess water is removed. Is done. According to this method, a high-quality layered double hydroxide dense body having a relative density of 88% or more can be provided and produced easily and stably.

(1)原料粉末の用意
原料粉末として、一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物の粉末を用意する。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記一般式は、少なくともM2+がMg2+を、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。このような原料粉末は市販の層状複水酸化物製品であってもよいし、硝酸塩や塩化物を用いた液相合成法等の公知の方法にて作製した原料であってもよい。原料粉末の粒径は、所望の層状複水酸化物緻密体が得られる限り限定されないが、体積基準D50平均粒径が0.1〜1.0μmであるのが好ましく、より好ましくは0.3〜0.8μmである。原料粉末の粒径が細かすぎると粉末が凝集しやすく、成形時に気孔が残留する可能性が高く、大きすぎると成形性が悪くなるためである。
(1) as prepared raw material powder of the raw material powder, the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x is a layered double hydroxide represented by a is) 0.1 to 0.4 powder Prepare. In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, the general formula is at least M 2+ is Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. Such a raw material powder may be a commercially available layered double hydroxide product, or may be a raw material produced by a known method such as a liquid phase synthesis method using nitrate or chloride. The particle size of the raw material powder is not limited as long as a desired layered double hydroxide dense body is obtained, but the volume-based D50 average particle size is preferably 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.3. ~ 0.8 μm. This is because if the particle size of the raw material powder is too fine, the powder tends to aggregate, and there is a high possibility that pores will remain during molding, and if it is too large, the moldability will deteriorate.

所望により、原料粉末を仮焼して酸化物粉末としてもよい。この際の仮焼温度は、構成するM2+及びM3+によって多少の差があるが、500℃以下が好ましく、より好ましくは380〜460℃とし、原料粒径が大きく変化しない領域で行う。 If desired, the raw material powder may be calcined to obtain an oxide powder. The calcining temperature at this time is somewhat different depending on the constituent M 2+ and M 3+ , but is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 380 to 460 ° C., in a region where the raw material particle size does not change significantly.

(2)成形体の作製
原料粉末を成形して成形体を得る。この成形は、成形後且つ焼成前の成形体(以下、成形体という)が、43〜65%、より好ましくは45〜60%であり、さらに好ましくは47%〜58%の相対密度を有するように、例えば加圧成形により行われるのが好ましい。成形体の相対密度は、成形体の寸法及び重量から密度を算出し、理論密度で除して求められるが、成形体の重量は吸着水分の影響を受けるため、一義的な値を得るために、室温、相対湿度20%以下のデシケータ内で24時間以上保管した原料粉末を用いた成形体か、もしくは成形体を前記条件下で保管した後に相対密度を測定するのが好ましい。ただし、原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、成形体の相対密度が26〜40%であるのが好ましく、より好ましくは29〜36%である。なお、酸化物粉末を用いる場合の相対密度は、層状複水酸化物を構成する各金属元素が仮焼により各々酸化物に変化したと仮定し、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求めた。一例に挙げた加圧成形は、金型一軸プレスにより行ってもよいし、冷間等方圧加圧(CIP)により行ってもよい。冷間等方圧加圧(CIP)を用いる場合は原料粉末をゴム製容器中に入れて真空封じするか、あるいは予備成形したものを用いるのが好ましい。その他、スリップキャストや押出成形など、公知の方法で成形してもよく、成形方法については特に限定されない。ただし、原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、乾式成形法に限られる。これらの成形体の相対密度は、得られる緻密体の強度だけではなく、通常板状形状を有する層状複水酸化物の配向度への影響もあることから、その用途等を考慮して成形時の相対密度を上記の範囲で適宜設定するのが好ましい。
(2) Production of molded body A raw material powder is molded to obtain a molded body. In this molding, a molded body after molding and before firing (hereinafter referred to as a molded body) is 43 to 65%, more preferably 45 to 60%, and even more preferably 47% to 58%. For example, it is preferably performed by pressure molding. The relative density of the molded body is calculated by calculating the density from the size and weight of the molded body and dividing by the theoretical density, but the weight of the molded body is affected by the adsorbed moisture. It is preferable to measure the relative density after the molded body using the raw material powder stored for 24 hours or more in a desiccator having a room temperature and a relative humidity of 20% or less, or after storing the molded body under the above conditions. However, when the raw material powder is calcined to form an oxide powder, the relative density of the compact is preferably 26 to 40%, more preferably 29 to 36%. The relative density in the case of using oxide powder is based on the assumption that each metal element constituting the layered double hydroxide has changed to oxide by calcining, and the converted density obtained as a mixture of each oxide is the denominator. As sought. The pressure forming described as an example may be performed by a uniaxial press of a mold, or may be performed by cold isostatic pressing (CIP). In the case of using cold isostatic pressing (CIP), it is preferable to put the raw material powder in a rubber container and vacuum-seal it or use a preformed one. In addition, you may shape | mold by well-known methods, such as slip casting and extrusion molding, and it does not specifically limit about a shaping | molding method. However, when the raw material powder is calcined to obtain an oxide powder, it is limited to the dry molding method. The relative density of these compacts not only affects the strength of the resulting compact, but also affects the degree of orientation of the layered double hydroxides that usually have a plate shape. The relative density is preferably set within the above range.

(3)焼成工程
上記工程で得られた成形体を焼成して酸化物焼成体を得る。この焼成は、酸化物焼成体が、成形体の重量の57〜65%の重量となり、且つ/又は、成形体の体積の70〜76%以下の体積となるように行われるのが好ましい。成形体の重量の57%以上であると、後工程の層状複水酸化物への再生時に再生できない異相が生成しにくくなり、65%以下であると焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。また、成形体の体積の70%以上であると、後工程の層状複水酸化物への再生時に異相が生成にくくなるとともに、クラックも生じにくくなり、76%以下であると、焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、成形体の重量の85〜95%、及び/又は成形体の体積の90%以上の酸化物焼成体を得るのが好ましい。原料粉末が仮焼されるか否かに関わらず、焼成は、酸化物焼成体が、酸化物換算で20〜40%の相対密度を有するように行われるのが好ましく、より好ましくは20〜35%であり、さらに好ましくは20〜30%である。ここで、酸化物換算での相対密度とは、層状複水酸化物を構成する各金属元素が焼成により各々酸化物に変化したと仮定し、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求めた相対密度である。酸化物焼成体を得るための好ましい焼成温度は400〜850℃であり、より好ましくは700〜800℃である。この範囲内の焼成温度で1時間以上保持されるのが好ましく、より好ましい保持時間は3〜10時間である。また、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、上記焼成温度に到達させるための昇温は100℃/h以下の速度で行われるのが好ましく、より好ましくは5〜75℃/hであり、さらに好ましくは10〜50℃/hである。したがって、昇温から降温(100℃以下)に至るまでの全焼成時間は20時間以上確保するのが好ましく、より好ましくは30〜70時間、さらに好ましくは35〜65時間である。
(3) Firing step The molded body obtained in the above step is fired to obtain an oxide fired body. This firing is preferably performed so that the oxide fired body has a weight of 57 to 65% of the weight of the compact and / or a volume of 70 to 76% or less of the volume of the compact. When it is 57% or more of the weight of the molded product, it is difficult to generate a heterogeneous phase that cannot be regenerated during regeneration into a layered double hydroxide in the subsequent step. Densify. Further, when it is 70% or more of the volume of the molded body, it is difficult to generate a heterogeneous phase when regenerating into a layered double hydroxide in a subsequent process, and cracks are hardly generated. Done and fully densified in later steps. When the raw material powder is calcined to obtain an oxide powder, it is preferable to obtain an oxide fired body of 85 to 95% of the weight of the compact and / or 90% or more of the volume of the compact. Regardless of whether or not the raw material powder is calcined, the firing is preferably performed so that the oxide fired body has a relative density of 20 to 40% in terms of oxide, more preferably 20 to 35. %, More preferably 20-30%. Here, the relative density in terms of oxide means that each metal element constituting the layered double hydroxide is changed to an oxide by firing, and the converted density obtained as a mixture of each oxide is used as the denominator. It is the obtained relative density. A preferable baking temperature for obtaining the oxide fired body is 400 to 850 ° C, more preferably 700 to 800 ° C. It is preferable to hold | maintain for 1 hour or more with the calcination temperature in this range, and a more preferable holding time is 3 to 10 hours. Further, in order to prevent moisture and carbon dioxide from being released due to rapid temperature rise and cracking the molded body, the temperature rise for reaching the firing temperature is preferably performed at a rate of 100 ° C./h or less. Preferably it is 5-75 degreeC / h, More preferably, it is 10-50 degreeC / h. Therefore, it is preferable to secure a total firing time from temperature increase to temperature decrease (100 ° C. or lower) of 20 hours or more, more preferably 30 to 70 hours, and further preferably 35 to 65 hours.

(4)層状複水酸化物への再生工程
上記工程で得られた酸化物焼成体を上述したn価の陰イオン(An−)を含む水溶液中又はその直上に保持して層状複水酸化物へと再生し、それにより水分に富む層状複水酸化物固化体を得る。すなわち、この製法により得られる層状複水酸化物固化体は必然的に余分な水分を含んでいる。なお、水溶液中に含まれる陰イオンは原料粉末中に含まれる陰イオンと同種の陰イオンとしてよいし、異なる種類の陰イオンとしてもよい。酸化物焼成体の水溶液中又は水溶液直上での保持は密閉容器内で水熱合成の手法により行われるのが好ましく、そのような密閉容器の例としてはテフロン製の密閉容器が挙げられ、より好ましくはその外側にステンレス製等のジャケットを備えた密閉容器である。層状複水酸化物化は、酸化物焼成体を20℃以上200℃未満で、少なくとも酸化物焼成体の一面が水溶液に接する状態に保持することにより行われるのが好ましく、より好ましい温度は50〜180℃であり、さらに好ましい温度は100〜150℃である。このような層状複水酸化物化温度で酸化物焼結体が1時間以上保持されるのが好ましく、より好ましくは2〜50時間であり、さらに好ましくは5〜20時間である。このような保持時間であると十分に層状複水酸化物への再生を進行させて異相が残るのを回避又は低減できる。なお、この保持時間は、長すぎても特に問題はないが、効率性を重視して適時設定すればよい。
(4) Regeneration step to layered double hydroxide The oxide fired body obtained in the above step is held in or directly above the aqueous solution containing the n-valent anion (A n− ) and layered double hydroxide. It regenerates into a product, thereby obtaining a layered double hydroxide solidified body rich in moisture. That is, the layered double hydroxide solidified body obtained by this production method inevitably contains excess moisture. The anion contained in the aqueous solution may be the same kind of anion as that contained in the raw material powder, or may be a different kind of anion. The holding of the oxide fired body in an aqueous solution or immediately above the aqueous solution is preferably performed by a hydrothermal synthesis method in a sealed container, and an example of such a sealed container is a sealed container made of Teflon, more preferably. Is a sealed container having a stainless steel jacket on the outside. The layered double hydroxide is preferably formed by maintaining the oxide fired body at 20 ° C. or more and less than 200 ° C. so that at least one surface of the oxide fired body is in contact with the aqueous solution, and a more preferable temperature is 50 to 180. And a more preferable temperature is 100 to 150 ° C. It is preferable that the oxide sintered body is maintained at such a layered double hydroxide formation temperature for 1 hour or more, more preferably 2 to 50 hours, and further preferably 5 to 20 hours. With such a holding time, it is possible to avoid or reduce the occurrence of a heterogeneous phase by sufficiently regenerating the layered double hydroxide. The holding time is not particularly problematic if it is too long, but it may be set in a timely manner with emphasis on efficiency.

層状複水酸化物への再生に使用するn価の陰イオンを含む水溶液の陰イオン種として空気中の二酸化炭素(炭酸イオン)を想定する場合は、イオン交換水を用いることが可能である。なお、密閉容器内の水熱処理の際には、酸化物焼成体を水溶液中に水没させてもよいし、治具を用いて少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理を行ってもよい。少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理した場合、完全水没と比較して余分な水分量が少ないので、その後の工程が短時間で済むことがある。ただし、水溶液が少なすぎるとクラックが発生しやすくなるため、焼成体重量と同等以上の水分を用いるのが好ましい。   When carbon dioxide (carbonate ion) in the air is assumed as an anion species of an aqueous solution containing an n-valent anion used for regeneration into a layered double hydroxide, ion-exchanged water can be used. In the hydrothermal treatment in the sealed container, the fired oxide body may be submerged in the aqueous solution, or the treatment may be performed in a state where at least one surface is in contact with the aqueous solution using a jig. When the treatment is performed in a state where at least one surface is in contact with the aqueous solution, the amount of excess water is small compared to complete submergence, so that the subsequent steps may be completed in a short time. However, if the amount of the aqueous solution is too small, cracks are likely to occur. Therefore, it is preferable to use moisture equal to or greater than the weight of the fired body.

(5)脱水工程
上記工程で得られた水分に富む層状複水酸化物固化体から余剰の水分を除去する。こうして本発明の層状複水酸化物緻密体が得られる。この余剰の水分を除去する工程は、300℃以下、除去工程の最高温度での推定相対湿度25%以上の環境下で行われるのが好ましい。層状複水酸化物固化体からの急激な水分の蒸発を防ぐため、室温より高い温度で脱水する場合は層状複水酸化物への再生工程で使用した密閉容器中に再び封入して行うことが好ましい。その場合の好ましい温度は50〜250℃であり、さらに好ましくは100〜200℃である。また、脱水時のより好ましい相対湿度は25〜70%であり、さらに好ましくは40〜60%である。脱水を室温で行ってもよく、その場合の相対湿度は通常の室内環境における40〜70%の範囲内であれば問題はない。
(5) Dehydration process Excess water is removed from the water-rich layered double hydroxide solidified product obtained in the above process. Thus, the layered double hydroxide dense body of the present invention is obtained. The step of removing excess water is preferably performed in an environment of 300 ° C. or lower and an estimated relative humidity of 25% or higher at the maximum temperature of the removal step. In order to prevent rapid evaporation of moisture from the layered double hydroxide solidified body, when dehydrating at a temperature higher than room temperature, it should be re-enclosed in the sealed container used in the regeneration process to the layered double hydroxide. preferable. The preferable temperature in that case is 50-250 degreeC, More preferably, it is 100-200 degreeC. Moreover, the more preferable relative humidity at the time of spin-drying | dehydration is 25 to 70%, More preferably, it is 40 to 60%. Dehydration may be performed at room temperature, and there is no problem as long as the relative humidity is within a range of 40 to 70% in a normal indoor environment.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例1
本発明の金属空気二次電池に用いるための水酸化物イオン伝導性固体電解質体として、相対密度が93%で、直径13mm、厚さ0.5mmの円板状のハイドロタルサイト緻密体(以下、ハイドロタルサイト試験片という)を以下のようにして作製した。なお、ハイドロタルサイトは代表的な層状複水酸化物の一種である。原料粉末として、市販の層状複水酸化物であるハイドロタルサイト粉末(DHT-6、協和化学工業株式会社製)粉末を用意した。この原料粉末の組成はMg2+ 0.75Al3+ 0.25(OH)CO n− 0.25/n・mHOであった。原料粉末を直径16mmの金型に充填して200kgf/cmの成形圧で一軸プレス成形して、相対密度48%、厚さ約2mmの成形体を得た。なお、この相対密度の測定は、室温、相対湿度20%以下で24時間保管した成形体について行った。得られた成形体をアルミナ鞘中で焼成した。この焼成は、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、100℃/h以下の速度で昇温を行い、700℃に達した時点で5時間保持した後、冷却することにより行った。この昇温から降温(100℃以下)に至るまでの全焼成時間は60時間であった。こうして得られた焼成体は、成形体の重量の62%及び成形体の体積の74%の重量及び体積を有し、酸化物換算で22%の相対密度を有していた。この焼成体を、外側にステンレス製ジャケットを備えたテフロン製の密閉容器に大気中でイオン交換水と共に封入し、100℃で5時間保持することを含む再生条件で水熱処理を施して、試料を得た。室温まで冷めた試料は余分な水分を含んでいるため、ろ紙等で軽く表面の水分を拭き取った。こうして得られた試料を20〜30℃、相対湿度が40〜60%程度の室内で自然脱水(乾燥)して試験片を得た。得られた試験片を目視にて観察したところ、クラックは観察されなかった。
Example 1
As a hydroxide ion conductive solid electrolyte for use in the metal-air secondary battery of the present invention, a disk-like hydrotalcite compact (hereinafter referred to as a 13% diameter and 0.5 mm thickness) having a relative density of 93%. The hydrotalcite test piece was prepared as follows. Hydrotalcite is a kind of typical layered double hydroxide. A hydrotalcite powder (DHT-6, manufactured by Kyowa Chemical Industry Co., Ltd.), which is a commercially available layered double hydroxide, was prepared as a raw material powder. The composition of this raw material powder was Mg 2+ 0.75 Al 3+ 0.25 (OH) 2 CO 3 n- 0.25 / n · mH 2 O. The raw material powder was filled in a 16 mm diameter mold and uniaxial press molding was performed at a molding pressure of 200 kgf / cm 2 to obtain a molded body having a relative density of 48% and a thickness of about 2 mm. The relative density was measured on a molded article stored at room temperature and a relative humidity of 20% or less for 24 hours. The obtained molded body was fired in an alumina sheath. In this firing, in order to prevent moisture and carbon dioxide from being released due to rapid temperature rise and cracking of the molded body, the temperature was raised at a rate of 100 ° C./h or less, and held at 700 ° C. for 5 hours. Thereafter, cooling was performed. The total firing time from the temperature increase to the temperature decrease (100 ° C. or less) was 60 hours. The fired body thus obtained had a weight and volume of 62% of the weight of the molded body and 74% of the volume of the molded body, and had a relative density of 22% in terms of oxide. The fired body was sealed in a Teflon sealed container with a stainless steel jacket on the outside together with ion-exchanged water in the atmosphere, and subjected to hydrothermal treatment under regeneration conditions including holding at 100 ° C. for 5 hours. Obtained. Since the sample cooled to room temperature contained excess moisture, the moisture on the surface was gently wiped off with a filter paper or the like. The sample thus obtained was naturally dehydrated (dried) in a room at 20 to 30 ° C. and a relative humidity of about 40 to 60% to obtain a test piece. When the obtained test piece was visually observed, no cracks were observed.

試験片の寸法及び重量から密度を算出し、この密度を理論密度で除することにより試験片の相対密度を決定したところ、93%であった。なお、理論密度の算出にあたり、Mg/Al=3のハイドロタルサイト理論密度としてJCPDSカードNo.22−0700に記載の2.06g/cmを、Mg/Al=2のハイドロタルサイトの理論密度としてJCPDSカードNo.70−2151に記載される2.09g/cmとを用いた。 The density was calculated from the size and weight of the test piece, and the relative density of the test piece was determined by dividing this density by the theoretical density, which was 93%. In calculating the theoretical density, the JCPDS card No. 1 was used as the hydrotalcite theoretical density of Mg / Al = 3. 2.06 g / cm 3 described in 22-22700 is used as the theoretical density of hydrotalcite with Mg / Al = 2. 2.09 g / cm 3 described in 70-2151 was used.

また、X線回折装置(D8 ADVANCE、Bulker AXS社製)により、電圧:40kV、電流値:40mA、測定範囲:5〜70°の測定条件で、試験片の結晶相を測定し、JCPDSカードNO.35−0965に記載されるハイドロタルサイトの回折ピークを用いて同定し、以下の基準に従い評価した。その結果、ハイドロタルサイトに起因するピークのみが観察された。   In addition, the crystal phase of the test piece was measured with an X-ray diffractometer (D8 ADVANCE, manufactured by Bulker AXS) under the measurement conditions of voltage: 40 kV, current value: 40 mA, measurement range: 5-70 °, and JCPDS card NO. . It identified using the diffraction peak of the hydrotalcite described in 35-0965, and evaluated according to the following references | standards. As a result, only peaks due to hydrotalcite were observed.

例2
例1で得られたハイドロタルサイト試験片の亜鉛空気電池の構成における伝導度を確認するために、簡易的に亜鉛空気電池を構築して伝導度の測定を行った。図4にその測定系の概略図を示す。図4に示される測定系は、固体電解質体としてハイドロタルサイト試験片を用いた亜鉛空気電池100を含む測定系である。この亜鉛空気電池100は、負極102として亜鉛箔(株式会社ニラコ製、厚さ0.05mm×幅5mm×長さ50mm)を、電解液104として1mol/lのKOH水溶液を、空気極(正極)106として白金担持カーボン触媒(E−TEK製、7mm角)を、正極集電体108として白金メッシュ(株式会社ニラコ製、7mm角)を備えたものである。空気極(正極)106はハイドロタルサイト試験片110及び不織布112を介して電解液104と水酸化物イオン伝導可能に隔離されてなる一方、ハイドロタルサイト試験片110は不織布112を通じて電解液104と接触可能な構成となっている。なお、空気極106としての白金担持カーボン触媒は、片側にカーボンメッシュを備え、もう片側のメッシュ上にカーボンと白金の混合粉を付着させたもの(白金担持量:5g/m)ものであり、カーボンメッシュ側を正極集電体108に向けて使用した。負極102及び正極集電体108を介して亜鉛空気電池100を電気化学測定装置114に接続して測定系を構築した。この電気化学測定装置114は、ポテンショ/ガルバノスタット(Sorlartron社製、1287型)及び周波数応答アナライザ(FRA)(Sorlartron社製、1260型)を組み合わせたものである。このようにして電気化学測定装置114と接続された亜鉛空気電池100を恒温恒湿槽116(ヤマト科学株式会社製、恒温恒湿器IW222)内に設置して、交流インピーダンス測定及び定電流測定を行った。
Example 2
In order to confirm the conductivity in the configuration of the zinc-air battery of the hydrotalcite test piece obtained in Example 1, a zinc-air battery was simply constructed and the conductivity was measured. FIG. 4 shows a schematic diagram of the measurement system. The measurement system shown in FIG. 4 is a measurement system including a zinc-air battery 100 using a hydrotalcite test piece as a solid electrolyte body. In this zinc-air battery 100, a zinc foil (manufactured by Niraco Co., Ltd., thickness 0.05 mm × width 5 mm × length 50 mm) is used as the negative electrode 102, and 1 mol / l KOH aqueous solution is used as the electrolyte 104, and the air electrode (positive electrode) 106 is a platinum-supported carbon catalyst (E-TEK, 7 mm square), and the positive electrode current collector 108 is a platinum mesh (Nilaco Corporation, 7 mm square). The air electrode (positive electrode) 106 is separated from the electrolytic solution 104 through the hydrotalcite test piece 110 and the nonwoven fabric 112 so as to conduct hydroxide ions, while the hydrotalcite test piece 110 is separated from the electrolytic solution 104 through the nonwoven fabric 112. It can be contacted. The platinum-supported carbon catalyst as the air electrode 106 has a carbon mesh on one side, and a mixed powder of carbon and platinum adhered on the mesh on the other side (platinum supported amount: 5 g / m 2 ). The carbon mesh side was used facing the positive electrode current collector 108. A measurement system was constructed by connecting the zinc-air battery 100 to the electrochemical measurement device 114 via the negative electrode 102 and the positive electrode current collector 108. This electrochemical measuring device 114 is a combination of a potentio / galvanostat (Solarartron, Model 1287) and a frequency response analyzer (FRA) (Solartron, Model 1260). The zinc-air battery 100 thus connected to the electrochemical measuring device 114 is installed in the constant temperature and humidity chamber 116 (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., constant temperature and humidity chamber IW222), and AC impedance measurement and constant current measurement are performed. went.

(交流インピーダンス測定)
上記得られた測定系を用いて、30、40、60及び80℃の4点の各温度において、40、70及び90%の3点の相対湿度で、合計12点のデータを取得した。擬似四端子での交流インピーダンス法によって得られた抵抗成分を用いて、下記式によりイオン伝導度を算出した。このとき温度及び湿度を一定に保持するように制御した(温度変動幅は±0.1℃、湿度変動幅は±2%であった)。

Figure 0006081863
ここで、σは伝導度(S/cm)、Rは抵抗(Ω)、Lは試料の厚さ(cm)、Sは電極面積(cm)である。この交流インピーダンス測定は、測定温度30〜80℃、相対湿度40〜90%(共に恒温恒湿器の設定値)、周波数:1MHz〜0.1Hz、交流電圧振幅:10mVの条件で行った。なお、この測定は、温度及び湿度を設定して20分後、すなわち起電力の値が安定した後に開始した。 (AC impedance measurement)
Using the measurement system obtained above, a total of 12 points of data were acquired at three points of 40, 70 and 90% relative humidity at four points of 30, 40, 60 and 80 ° C. Using the resistance component obtained by the AC impedance method with pseudo four terminals, the ionic conductivity was calculated by the following equation. At this time, the temperature and humidity were controlled to be kept constant (temperature fluctuation range was ± 0.1 ° C. and humidity fluctuation range was ± 2%).
Figure 0006081863
Here, σ is conductivity (S / cm), R is resistance (Ω), L is the thickness of the sample (cm), and S is the electrode area (cm 2 ). This AC impedance measurement was performed under the conditions of a measurement temperature of 30 to 80 ° C., a relative humidity of 40 to 90% (both are set values of a constant temperature and humidity chamber), a frequency of 1 MHz to 0.1 Hz, and an AC voltage amplitude of 10 mV. This measurement was started 20 minutes after setting the temperature and humidity, that is, after the value of the electromotive force was stabilized.

(定電流測定)
また、放電曲線を得て充放電特性を評価するために、直流で定電流を流した際の電圧の値を記録した。この定電流測定は、測定温度80℃、相対湿度90%(恒温恒湿器の設定値)、電流:1×10−6A、及び測定時間:5分の条件で行った。
(Constant current measurement)
In addition, in order to obtain a discharge curve and evaluate the charge / discharge characteristics, the value of the voltage when a constant current was passed by direct current was recorded. This constant current measurement was performed under the conditions of a measurement temperature of 80 ° C., a relative humidity of 90% (set value of a constant temperature and humidity chamber), a current of 1 × 10 −6 A, and a measurement time of 5 minutes.

(結果)
表1に交流インピーダンス法により得られたイオン伝導度を示す。また、図5にはイオン伝導度の温度依存性が、図6にはイオン伝導度の相対湿度依存性が示される。さらに、図7には定電流測定により得られた充放電特性を示す。

Figure 0006081863
(result)
Table 1 shows the ionic conductivity obtained by the AC impedance method. FIG. 5 shows the temperature dependence of ionic conductivity, and FIG. 6 shows the relative humidity dependence of ionic conductivity. Furthermore, FIG. 7 shows the charge / discharge characteristics obtained by constant current measurement.
Figure 0006081863

図5に示されるように、ハイドロタルサイト試験片はイオン伝導度の温度依存性が大きく、それ故活性化エネルギーが大きいため、伝導度を一定範囲に保つための温度領域が狭く、僅かな温度変化で伝導度が影響を受けやすい(図5に示される各線の傾きに基づいて各相対湿度での活性化エネルギーを算出すると、相対湿度90%では0.61eV、70%では0.47eV、40%では0.30eVである)。すなわち、活性化エネルギーが小さいイオン伝導体の場合には温度変化に対するイオン伝導度の変化が鈍感となることから、ある一定の伝導度を得るための温度範囲が広いが、ハイドロタルサイトのような水酸化物イオン伝導性固体電解質体にあってはそれが当てはまらないといえる。また、図6に示されるように、ハイドロタルサイト試験片は湿度に対してもイオン伝導度が大きく変化する。したがって、安定した出力を得るためには温度及び/又は湿度、好ましくはそれらの両方を略一定に、好ましくは一定に制御することが効果的であるといえる。   As shown in FIG. 5, the hydrotalcite specimen has a large temperature dependence of the ionic conductivity, and hence a large activation energy, so that the temperature range for keeping the conductivity within a certain range is narrow and a slight temperature. The conductivity is easily affected by the change (calculating the activation energy at each relative humidity based on the slope of each line shown in FIG. 5 is 0.61 eV at 90% relative humidity, 0.47 eV at 70%, 40 % Is 0.30 eV). That is, in the case of an ionic conductor with a small activation energy, the change in ionic conductivity with respect to the temperature change is insensitive, so the temperature range for obtaining a certain conductivity is wide, but like hydrotalcite This is not the case with hydroxide ion conductive solid electrolyte bodies. Further, as shown in FIG. 6, the ionic conductivity of the hydrotalcite test piece varies greatly with respect to humidity. Therefore, in order to obtain a stable output, it can be said that it is effective to control the temperature and / or humidity, preferably both of them substantially constant, preferably constant.

10 亜鉛空気二次電池
12 空気極(正極)
14 水酸化物イオン伝導性固体電解質体
16 金属負極
18 正極集電体
20 電池容器
20a 空気孔
22 正極容器
24 負極容器
26 正極ガスケット
28 負極ガスケット
30,50 リチウム空気二次電池
32,52 空気極(正極)
34,54 水酸化物イオン伝導性固体電解質体
36,56 セパレータ
38,58 負極
40,60 アルカリ電解液
62 正極容器
62a 空気孔
64 負極容器
66 正極ガスケット
68 負極ガスケット
70 導電性緩衝材
10 Zinc-air secondary battery 12 Air electrode (positive electrode)
14 hydroxide ion conductive solid electrolyte body 16 metal negative electrode 18 positive electrode current collector 20 battery container 20a air hole 22 positive electrode container 24 negative electrode container 26 positive electrode gasket 28 negative electrode gasket 30, 50 lithium air secondary battery 32, 52 air electrode ( Positive electrode)
34,54 Hydroxide ion conductive solid electrolyte body 36,56 Separator 38,58 Negative electrode 40,60 Alkaline electrolyte 62 Positive electrode container 62a Air hole 64 Negative electrode container 66 Positive electrode gasket 68 Negative electrode gasket 70 Conductive buffer material

Claims (10)

金属空気二次電池の使用方法であって、前記金属空気二次電池が、88%以上の相対密度を有する層状複水酸化物緻密体である水酸化物イオン伝導性固体電解質体と、前記固体電解質体の一面側に密着して設けられる正極としての空気極と、前記固体電解質体の他面側に設けられる金属負極とを備えたものであり、
前記金属空気二次電池の温度及び/又は前記空気極に供給される空気中の湿度を略一定に制御することを含み、前記固体電解質体と前記負極の間にアルカリ電解液を使用する、金属空気二次電池の使用方法。
A method of using a metal-air secondary battery, wherein the metal-air secondary battery is a layered double hydroxide dense body having a relative density of 88% or more, and the solid ion electrolyte An air electrode as a positive electrode provided in close contact with one surface side of the electrolyte body, and a metal negative electrode provided on the other surface side of the solid electrolyte body,
The metal air battery temperature and / or humidity in the air supplied to the air electrode saw including to control substantially constant, using the alkaline electrolyte between the said solid electrolyte body negative electrode, How to use a metal-air secondary battery.
前記金属空気二次電池の温度及び前記空気極と接触可能な空気中の湿度の両方が略一定に制御される、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein both the temperature of the metal-air secondary battery and the humidity in the air that can come into contact with the air electrode are controlled to be substantially constant. 前記電池を収納した容器内に、外部より、湿度を略一定に調整された空気を送り込むことを含む、請求項1又は2に記載の方法。   3. The method according to claim 1, further comprising sending air having a humidity adjusted to be substantially constant from the outside into a container housing the battery. 前記金属空気二次電池の温度が、±5℃未満の温度変動幅に収まるように制御される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature of the metal-air secondary battery is controlled to fall within a temperature fluctuation range of less than ± 5 ° C. 前記空気極に供給される空気中の湿度が、±5%未満の相対湿度変動幅に収まるように制御される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the humidity in the air supplied to the air electrode is controlled to fall within a relative humidity fluctuation range of less than ± 5%. 前記水酸化物イオン伝導性固体電解質体が、
一般式:M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mH
(式中、M2+は少なくとも一種以上の2価の陽イオン、M3+は少なくとも一種以上の3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)
で示される層状複水酸化物からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
The hydroxide ion conductive solid electrolyte body is
General formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O
(Wherein, M 2+ is at least one or more divalent cations, M 3+ is at least one or more trivalent cations, A n-n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x Is 0.1 to 0.4)
The method as described in any one of Claims 1-5 which consists of the layered double hydroxide shown by these.
前記一般式のうち、少なくともM2+がMg2+を、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含む、請求項6に記載の方法。 Among the general formula, at least M 2+ is Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - containing and / or CO 3 2- The method of claim 6. 前記金属負極が亜鉛又は亜鉛合金を含んでなる、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the metal negative electrode comprises zinc or a zinc alloy. 前記金属負極がリチウム又はリチウム合金を含んでなる、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the metal negative electrode comprises lithium or a lithium alloy. 前記固体電解質体と前記負極の間に電解液としてリチウムイオン含有水溶液を使用する、請求項1〜及びのいずれか一項に記載の方法 The method according to any one of claims 1 to 7 and 9 , wherein a lithium ion-containing aqueous solution is used as an electrolyte between the solid electrolyte body and the negative electrode.
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