JP6288511B2 - Negative electrode composite of lithium air battery and lithium air battery - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム空気電池の負極および負極複合体、ならびにリチウム空気電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode and a negative electrode composite of a lithium air battery, and a lithium air battery.

空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に使用し、金属を負極活物質として使用する電池である。空気電池の負極としては、正極との間で起電力を生じさせるものであれば使用することができ、様々な金属を負極として使用する空気電池が研究されている。   An air battery is a battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material and metal as a negative electrode active material. As the negative electrode of the air battery, any battery that generates an electromotive force with the positive electrode can be used, and air batteries using various metals as the negative electrode have been studied.

空気電池の1種として、負極活物質に金属リチウムを使用するリチウム空気電池が高容量化の観点から次世代の電池として有望視されている。リチウム空気電池は理論的にエネルギー密度が高く、電気自動車の本格的な普及に必要な、リチウムイオン電池を7倍上回る700Wh/kgのエネルギー密度を得られるものとして期待される。   As one type of air battery, a lithium-air battery that uses metallic lithium as a negative electrode active material is considered promising as a next-generation battery from the viewpoint of increasing capacity. Lithium-air batteries are theoretically high in energy density, and are expected to be able to obtain an energy density of 700 Wh / kg, which is 7 times higher than lithium ion batteries, which is necessary for full-scale popularization of electric vehicles.

電解質の種類に着目すると、リチウム空気電池は水溶液系電解質と、非水系電解質との2つに大別される。非水系電解質のリチウム空気電池は、空気極以外についてリチウムイオン電池の技術を利用できるために研究開発の主流となっている。他方、未だ少数ではあるが、水溶液系電解質のリチウム空気電池の研究開発も進められている。水溶液系電解質のリチウム空気電池は、非水系電解質のリチウム空気電池と比べて、空気中の水分の影響を受けず、また、電解質が安価かつ不燃である等の長所がある。しかし、負極活物質である金属リチウムは、直接酸素や水に接触すると反応してしまうため、水溶液系電解質のリチウム空気電池では、固体電解質などで負極活物質を大気や水溶液系電解質から保護する必要があった。   Focusing on the type of electrolyte, lithium-air batteries are broadly divided into two types: aqueous electrolytes and nonaqueous electrolytes. Non-aqueous electrolyte lithium-air batteries have become the mainstream of research and development because they can utilize the technology of lithium-ion batteries other than the air electrode. On the other hand, research and development of an aqueous electrolyte-based lithium-air battery is also in progress, although the number is still small. Compared to lithium water batteries of non-aqueous electrolytes, lithium air batteries of aqueous electrolytes have the advantages that they are not affected by moisture in the air and that the electrolytes are inexpensive and incombustible. However, since lithium metal, which is the negative electrode active material, reacts when it comes into direct contact with oxygen or water, it is necessary to protect the negative electrode active material from the air or aqueous solution electrolyte with a solid electrolyte or the like in an aqueous electrolyte lithium battery. was there.

そこで、負極活物質としての金属リチウム板を、耐水層としての固体電解質で被覆し、金属リチウム板と固体電解質との間に緩衝層を挿入した三層構造を有するリチウム空気電池用の負極複合体が知られている(例えば、特許文献1)。   Therefore, a negative electrode composite for a lithium-air battery having a three-layer structure in which a metal lithium plate as a negative electrode active material is coated with a solid electrolyte as a water-resistant layer and a buffer layer is inserted between the metal lithium plate and the solid electrolyte. Is known (for example, Patent Document 1).

また、リチウムを負極活物質とする二次電池では、充電時に負極に金属リチウムが偏って析出することでデンドライト(樹状結晶)が生じることが知られている。よって、充放電を繰り返すことによりデンドライトが成長すると、セパレータを突き破り、放電電圧の低下、放電時間の低下が発生し、最悪の場合デンドライトが正極に達して短絡を引き起こすという問題が知られている。この問題に対処するため、負極の正極側表面に、抵抗温度係数が異なる複数の多孔質体が隣接する多孔質層を配置し、金属イオン濃度のムラを生じにくくさせ、金属を均一に析出させてデンドライトの成長を抑制することが知られている(例えば、特許文献2)。   Further, it is known that in a secondary battery using lithium as a negative electrode active material, dendrites (dendritic crystals) are generated due to the uneven deposition of metallic lithium on the negative electrode during charging. Therefore, when dendrite grows by repeating charge and discharge, the separator is broken through, causing a decrease in discharge voltage and a decrease in discharge time. In the worst case, the dendrite reaches the positive electrode and causes a short circuit. In order to cope with this problem, a porous layer in which a plurality of porous bodies having different resistance temperature coefficients are adjacent to each other is arranged on the positive electrode side surface of the negative electrode, thereby making it difficult for unevenness of metal ion concentration to occur and depositing the metal uniformly. It is known to suppress dendrite growth (for example, Patent Document 2).

特開2010−192313号公報JP 2010-192313 A 特開2012−109164号公報JP 2012-109164 A

しかし、従来のリチウム空気電池は、負極として、金属リチウム、リチウム合金、もしくはリチウム化合物のシート形状物、またはそれらの粉末を結着剤によって結合させたものを使用している。そのため、放電反応に伴い負極の形状が変化するという問題があった。このことを図8について説明する。   However, a conventional lithium-air battery uses, as a negative electrode, a sheet of lithium metal, a lithium alloy, or a lithium compound, or a powder obtained by bonding those powders with a binder. Therefore, there has been a problem that the shape of the negative electrode changes with the discharge reaction. This will be described with reference to FIG.

図8に示される従来のリチウム空気電池200は、一般的な構成のリチウム空気電池であり、リチウム金属板201、固体電解質202、緩衝層203、電解質217、および空気極219を備えている。リチウム金属板201、固体電解質202、および緩衝層203は、負極複合体210を構成している。図8(a)には使用前の状態が示されており、図8(b)には充電・放電サイクルを繰り返した後の状態が示されている。   A conventional lithium air battery 200 shown in FIG. 8 is a lithium air battery having a general configuration, and includes a lithium metal plate 201, a solid electrolyte 202, a buffer layer 203, an electrolyte 217, and an air electrode 219. The lithium metal plate 201, the solid electrolyte 202, and the buffer layer 203 constitute a negative electrode composite 210. FIG. 8A shows a state before use, and FIG. 8B shows a state after repeating the charge / discharge cycle.

リチウム空気電池では、一般に、充電時には、電解質中のリチウムイオンが金属リチウムとして負極層上に析出し、負極層の体積が増加する。一方、放電時には、金属リチウムがリチウムイオンとして溶け出すため、負極層の体積は減少する。従来のリチウム空気電池200では、放電時に金属リチウムが電解質中に溶出した後、充電時に金属リチウム板201上への析出が不均一となる。よって、金属リチウム板201は、板厚方向に一様に体積が増加・減少しない結果、充電・放電サイクルが増加するに伴いこの不均一性が増長されて、金属リチウム板201が板厚方向に偏った形状となっていた。金属リチウム板201の形状変化が進むと、最悪の場合、金属リチウム板201の分断につながる。その結果、充電・放電のサイクル数が増加するにつれて充放電性能が低下し、最終的には充電・放電ができなくなる。   Generally, in a lithium-air battery, during charging, lithium ions in the electrolyte are deposited on the negative electrode layer as metallic lithium, and the volume of the negative electrode layer increases. On the other hand, at the time of discharge, since lithium metal is dissolved out as lithium ions, the volume of the negative electrode layer decreases. In the conventional lithium-air battery 200, after the lithium metal is eluted in the electrolyte during discharge, the deposition on the metal lithium plate 201 becomes non-uniform during charging. Therefore, the metal lithium plate 201 does not increase / decrease in volume uniformly in the plate thickness direction. As a result, the non-uniformity increases as the charge / discharge cycle increases, and the metal lithium plate 201 moves in the plate thickness direction. The shape was biased. When the shape change of the metal lithium plate 201 proceeds, in the worst case, the metal lithium plate 201 is divided. As a result, as the number of charge / discharge cycles increases, the charge / discharge performance decreases, and eventually charge / discharge cannot be performed.

特に、従来のリチウム空気電池200では、充電・放電時にリチウムイオンが偏って析出することで金属リチウム板201にデンドライトが生じる。デンドライトが成長すると、空気極219との間に存在する固体電解質202を突き破り、内部短絡を引き起こす。また、放電時に金属リチウム板201の厚さが薄くなると、金属リチウム板201と固体電解質202との間に隙間が生じて接触性が悪くなり、内部抵抗が増加する。そのため、放電時間が長くなるほど放電電圧が低下するという問題が生じていた。さらに、高深度の放電、例えば理論容量の90%以上の放電後に、金属リチウム量が減少することに伴って内部圧力が低下し、固体電解質202の中心部分が湾曲し、亀裂が生じてしまうという問題もあった。このような金属リチウム板201の形状変化と内部短絡は、リチウム空気電池の充放電繰り返し寿命を縮める原因にもなっている。   In particular, in the conventional lithium-air battery 200, dendrites are generated on the metal lithium plate 201 due to the uneven deposition of lithium ions during charging and discharging. When the dendrite grows, it breaks through the solid electrolyte 202 existing between the air electrode 219 and causes an internal short circuit. Further, when the thickness of the metal lithium plate 201 is reduced during discharge, a gap is generated between the metal lithium plate 201 and the solid electrolyte 202, the contact property is deteriorated, and the internal resistance is increased. Therefore, there has been a problem that the discharge voltage decreases as the discharge time increases. Furthermore, after a deep discharge, for example, a discharge of 90% or more of the theoretical capacity, the internal pressure decreases as the amount of metallic lithium decreases, and the central portion of the solid electrolyte 202 is bent and cracks occur. There was also a problem. Such a change in shape and internal short circuit of the metal lithium plate 201 is also a cause of shortening the charge / discharge cycle life of the lithium-air battery.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、デンドライトの生成を抑制し、かつ、負極形状が保持され、充電・放電のサイクル数が増加しても充電・放電の性能の低下を抑制できるリチウム空気電池の負極および負極複合体、ならびにリチウム空気電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the generation of dendrites, maintains the negative electrode shape, and reduces the charge / discharge performance even when the number of charge / discharge cycles increases. An object is to provide a negative electrode and a negative electrode composite of a lithium air battery, and a lithium air battery that can be suppressed.

前記目的を達成するため、本発明は、リチウム空気電池の負極であって、多数の孔隙を有する多孔質金属からなり、前記孔隙が、金属リチウム、リチウム合金、およびリチウム化合物から選択される少なくとも1種で充填されているリチウム空気電池の負極を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention is a negative electrode of a lithium-air battery, comprising a porous metal having a large number of pores, wherein the pores are selected from metallic lithium, a lithium alloy, and a lithium compound. A negative electrode for a lithium-air battery that is filled with seeds is provided.

本発明に係るリチウム空気電池の負極は、その一態様において、前記多孔質金属が、発泡銅または発泡ニッケルであることが好適である。   In one aspect of the negative electrode of the lithium-air battery according to the present invention, it is preferable that the porous metal is foamed copper or foamed nickel.

本発明は、別の側面において、リチウム空気電池の負極複合体であり、板状または線状の負極集電体と、前記負極集電体に連結された多数の孔隙を有する多孔質金属からなり、前記孔隙が、金属リチウム、リチウム合金、およびリチウム化合物から選択される少なくとも1種で充填されている負極層と、前記負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層とを備えるリチウム空気電池の負極複合体を提供する。   In another aspect, the present invention provides a negative electrode composite for a lithium-air battery, comprising a plate-like or linear negative electrode current collector and a porous metal having a large number of pores connected to the negative electrode current collector. The negative electrode layer in which the pores are filled with at least one selected from metallic lithium, lithium alloy, and lithium compound, and two plate-shaped isolations having lithium ion conductivity sandwiching the entire negative electrode layer And a negative electrode composite for a lithium-air battery.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、その一態様において、前記負極層と前記隔離層との間に、緩衝層をさらに備えることが好適である。   In one aspect of the negative electrode composite of the lithium-air battery according to the present invention, it is preferable that a buffer layer is further provided between the negative electrode layer and the isolation layer.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、その一態様において、前記負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットをさらに備えることが好適である。   In one aspect, the negative electrode composite of the lithium-air battery according to the present invention further includes a gasket disposed between the two isolation layers so as to surround the negative electrode layer, and sealing a space between the two isolation layers. Is preferred.

本発明に係るリチウム空気電池の負極複合体は、その一態様において、前記2つの隔離層間を密閉封止する外周封止部材を、前記2つの隔離層の外周部にさらに備えることが好適である。   In one aspect of the negative electrode composite for a lithium-air battery according to the present invention, it is preferable that an outer peripheral sealing member that hermetically seals the two isolation layers is further provided on an outer peripheral portion of the two isolation layers. .

本発明は、別の側面において、リチウム空気電池であって、上記負極複合体と、導電性材料を含有して前記負極複合体の少なくとも一面に対向する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体とを備える空気極とを備えるリチウム空気電池を提供する。   In another aspect, the present invention provides a lithium-air battery, the negative electrode composite, an air electrode layer containing a conductive material and facing at least one surface of the negative electrode composite, and the air electrode layer Provided is a lithium-air battery including an air electrode provided with a plate-like or linear air electrode current collector that is connected to the battery.

本実施形態に係るリチウム空気電池は、その一態様において、前記負極複合体の一面と、前記負極複合体の一面に対向する前記空気極層の一面とが空気電池セルを構成し、複数の前記空気電池セルが並列に接続されていることが好適である。   In one aspect of the lithium-air battery according to this embodiment, one surface of the negative electrode composite and one surface of the air electrode layer facing one surface of the negative electrode composite constitute an air battery cell, It is preferable that the air battery cells are connected in parallel.

本発明に係るリチウム空気電池は、その一態様において、前記空気極層が、葛折りに折れ曲がり、複数の前記負極複合体が、前記空気極層の折り目と折り目との間にある平面部に挟み込まれることが好適である。   In one aspect of the lithium-air battery according to the present invention, the air electrode layer is bent in a fold, and the plurality of negative electrode composites are sandwiched between flat portions between the folds of the air electrode layer. It is preferred that

本発明に係るリチウム空気電池は、その一態様において、前記負極複合体と前記空気極とを収容するケースと、前記ケース内に蓄えられて少なくとも前記空気極に接して前記空気極と前記負極複合体との間でリチウムイオンの伝導を担う電解質とをさらに備えることが好適である。   In one aspect, the lithium-air battery according to the present invention includes a case that houses the negative electrode composite and the air electrode, and the air electrode and the negative electrode composite that are stored in the case and are in contact with at least the air electrode. It is preferable to further include an electrolyte that conducts lithium ions between the body and the body.

本発明によれば、デンドライトの生成を抑制し、かつ、負極形状が保持され、充電・放電のサイクル数が増加しても充電・放電の性能の低下を抑制できるリチウム空気電池の負極および負極複合体、ならびにリチウム空気電池を提供することをことができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode and negative electrode composite of a lithium air battery which suppresses the generation | occurrence | production of a dendrite, can suppress the fall of charge / discharge performance, even if the negative electrode shape is maintained and the number of charge / discharge cycles increases. Body, as well as a lithium-air battery.

本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の負極複合体を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the negative electrode composite_body | complex of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the internal structure of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の回路図である。It is a circuit diagram of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造の他の例を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the other example of the internal structure of the lithium air battery which concerns on embodiment of this invention. 発泡銅の孔隙に金属リチウムを充填する方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the method of filling metal lithium into the pores of foamed copper. 金属リチウムを充填する前と後の発泡銅を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the foamed copper before and after filling with metallic lithium. 従来のリチウム空気電池の充電・放電を繰り返した後の変化を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the change after repeating charge and discharge of the conventional lithium air battery. 実施例1のセルの負極複合体を示す模式的断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a cell of Example 1. FIG. 比較例1のセルの負極複合体を示す模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode composite of a cell of Comparative Example 1. FIG.

以下に、本発明に係るリチウム空気電池の負極および負極複合体ならびにリチウム空気電池について、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the negative electrode and the negative electrode composite of the lithium air battery and the lithium air battery according to the present invention will be described in more detail. The present invention is not limited to the following embodiments.

図1に、本発明に係るリチウム空気電池用の負極複合体について、その一実施形態を示す。図1に示すリチウム空気電池用の負極複合体10は、主たる構成要素として、負極層1、隔離層2、緩衝層3、負極集電体4、ガスケット7、および外周封止部材9を備えている。負極複合体10は、負極層1の両面を緩衝層3で覆い、これらを2つの隔離層2およびガスケット7で包んだ包装構造を備える。   FIG. 1 shows an embodiment of a negative electrode composite for a lithium-air battery according to the present invention. A negative electrode composite 10 for a lithium air battery shown in FIG. 1 includes a negative electrode layer 1, an isolation layer 2, a buffer layer 3, a negative electrode current collector 4, a gasket 7, and an outer peripheral sealing member 9 as main components. Yes. The negative electrode composite 10 includes a packaging structure in which both surfaces of the negative electrode layer 1 are covered with a buffer layer 3 and these are wrapped with two isolation layers 2 and a gasket 7.

負極層1は、多数の孔隙を有する多孔質金属からなり、前記孔隙が、金属リチウム、リチウム合金、およびリチウム化合物から選択される少なくとも1種(以下、金属リチウム等ともいう。)で充填されている。負極層1は、例えば四角形の平板の形状である。負極層1には、負極集電体4が連結されている。   The negative electrode layer 1 is made of a porous metal having a large number of pores, and the pores are filled with at least one selected from metallic lithium, a lithium alloy, and a lithium compound (hereinafter also referred to as metallic lithium or the like). Yes. The negative electrode layer 1 has, for example, a rectangular flat plate shape. A negative electrode current collector 4 is connected to the negative electrode layer 1.

リチウム合金は、好ましくは、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、ヒ素、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛、カドミウムからなる群から選択される少なくとも1種以上の金属元素と、リチウムとの合金である。リチウム化合物は、リチウムイオンを脱挿入できるものであれば特に限定されない。リチウム化合物としては、Li3−xN(式中、Mは、Co、Cu、またはNiなど)がある。 The lithium alloy is preferably at least one metal element selected from the group consisting of magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, arsenic, antimony, bismuth, silver, gold, zinc, cadmium, It is an alloy with lithium. The lithium compound is not particularly limited as long as it can desorb and insert lithium ions. Examples of the lithium compound include Li 3-x M x N (wherein M is Co, Cu, Ni, or the like).

多孔質金属は、金属リチウム等をその孔隙内に貯蔵及び放出が可能なものであれば特に限定されないが、好ましくは金属発泡体である。金属発泡体は、マトリックス金属中に多数の気泡が形成された多孔質体である。多孔質基質は、例えば立方体等の形状の空洞が規則的に配置された格子状の多孔質体など、パターン化された構造を有する多孔質体であってもよい。多孔質金属の材料としては、リチウム空気電池の負極の動作範囲で安定して存在でき、所望の導電性を有していれば良い。好ましくは銅、ニッケル、またはそれらの合金が挙げられる。多孔質基材の材料として導電性が良好な材料を用いることにより、集電性能を向上させることができ、その結果、リチウム空気電池の放電電圧および放電時間を向上させることができる。多孔質金属の空隙率(気孔率)は、好ましくは75〜99%である。空隙率がこの範囲であることにより、高容量な空気電池を構成できるという効果がある。金属発泡体の孔隙の孔径は、好ましくは数μm〜100μmである。孔隙のサイズがこの範囲であることにより、充電・放電に伴う膨張・収縮による形状変化が緩和され負極の構造を保持できるという効果がある。多孔質金属の孔隙には、金属リチウム等が、好ましくは75%以上の充填率(気泡容積に対する充填された金属リチウム等の体積の割合)で充填されている。空気電池の高容量化の観点から充填率ができるだけ高いことが望ましい。   The porous metal is not particularly limited as long as it can store and release metallic lithium or the like in its pores, but is preferably a metal foam. The metal foam is a porous body in which a large number of bubbles are formed in a matrix metal. The porous substrate may be a porous body having a patterned structure, such as a lattice-like porous body in which cavities having a shape such as a cube are regularly arranged. The porous metal material may be present stably in the operating range of the negative electrode of the lithium-air battery and has a desired conductivity. Preferably, copper, nickel, or an alloy thereof is used. By using a material having good conductivity as the material of the porous substrate, the current collecting performance can be improved, and as a result, the discharge voltage and discharge time of the lithium-air battery can be improved. The porosity (porosity) of the porous metal is preferably 75 to 99%. When the porosity is within this range, there is an effect that a high-capacity air battery can be configured. The pore diameter of the pores of the metal foam is preferably several μm to 100 μm. When the pore size is in this range, the shape change due to expansion / contraction associated with charging / discharging is alleviated, and the negative electrode structure can be maintained. The pores of the porous metal are preferably filled with metallic lithium or the like at a filling rate of 75% or more (ratio of the volume of filled metallic lithium or the like to the bubble volume). It is desirable that the filling rate be as high as possible from the viewpoint of increasing the capacity of the air battery.

多孔質金属の孔隙への金属チリウム等の充填は、例えば、電気めっき法や、金属リチウム等を孔隙内に溶かし込む方法、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の手段を用いて行われる。多孔質金属の孔隙への金属リチウム等の充填は、負極複合体10を組み立てる前にあらかじめ行っておくことが好ましいが、負極複合体10を組み立てた後に充電工程により充填を行ってもよい。   Filling the pores of the porous metal with metal thyllium or the like is performed, for example, using a known means such as an electroplating method, a method of dissolving metal lithium or the like into the pores, a vacuum deposition method, or a sputtering method. The filling of the porous metal pores with metallic lithium or the like is preferably performed in advance before assembling the negative electrode composite 10, but after the negative electrode composite 10 is assembled, it may be charged by a charging process.

負極層1は多孔質金属で構成されているため、多孔質金属が負極層1の構造の柱となり、放電時に負極層1が薄化せずに構造が維持される。さらに、負極層1では、充電時に、多孔質金属の空隙内に金属リチウムが析出するため、金属リチウムの不均一な析出を抑制することができ、デンドライトの成長や偏った形状に変化するのを防ぐことができる。よって、負極層1は、充電・放電のサイクル数が増加しても、負極層1の形状変化が起こりにくい。このように、負極層1の膨張・収縮による形状変化を緩和することができるため、負極層自体が分断し破壊されるのを防止することもできる。従って、負極層1は、充電・放電のサイクル数に伴う充電・放電性能の低下を抑制することを可能とする。負極層1は、負極複合体10の他にも、種々の構造の負極複合体、例えばアルミラミネートフィルムを包材とする構造の負極複合体などにおいても負極層として使用することができる。   Since the negative electrode layer 1 is composed of a porous metal, the porous metal serves as a pillar of the structure of the negative electrode layer 1, and the structure is maintained without thinning the negative electrode layer 1 during discharge. Furthermore, in the negative electrode layer 1, since metal lithium is deposited in the voids of the porous metal at the time of charging, uneven deposition of metal lithium can be suppressed, and dendrite growth and uneven shape can be prevented. Can be prevented. Therefore, the negative electrode layer 1 is less likely to change in shape of the negative electrode layer 1 even when the number of charge / discharge cycles is increased. Thus, since the shape change due to expansion / contraction of the negative electrode layer 1 can be alleviated, the negative electrode layer itself can be prevented from being broken and broken. Therefore, the negative electrode layer 1 can suppress a decrease in charge / discharge performance associated with the number of charge / discharge cycles. In addition to the negative electrode composite 10, the negative electrode layer 1 can also be used as a negative electrode layer in negative electrode composites having various structures, for example, negative electrode composites having an aluminum laminate film as a packaging material.

負極集電体4の材料としては、リチウム空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望とする導電性を有していれば良い。例えば、銅、ニッケル、またはそれらの合金等を挙げることができる。負極集電体4は、板状または線状の形状である。負極集電体4は、負極層1に連結され、隔離層2の外側に露出されている部分を有する。この露出部分は、外部と電気的に接続可能であり、負極端子として機能する。   The negative electrode current collector 4 may be made of any material as long as it can exist stably in the operating range of the lithium-air battery and has a desired conductivity. For example, copper, nickel, or alloys thereof can be used. The negative electrode current collector 4 has a plate shape or a linear shape. The negative electrode current collector 4 is connected to the negative electrode layer 1 and has a portion exposed to the outside of the isolation layer 2. This exposed portion can be electrically connected to the outside and functions as a negative electrode terminal.

隔離層2は、固体電解質からなり、負極複合体10の外殻の大部分を構成する。隔離層2は、負極層1よりも一回り大きい四角形の平板形状を呈しており、2つの隔離層2が負極層1の全体を挟み込む。つまり、隔離層2の中央部分は負極層1に正対し、隔離層2の外周縁部は鍔あるいは軒先のように負極層1よりも外方へ張り出す。隔離層2は、電解質を含む正極層と負極層1とを仕切るセパレータの役割を果たし、負極層1を水分から保護する。つまり、2つの隔離層2は、それぞれ異なる空気極の空気極層に対面する。   The isolation layer 2 is made of a solid electrolyte and constitutes most of the outer shell of the negative electrode composite 10. The isolation layer 2 has a rectangular flat plate shape that is slightly larger than the negative electrode layer 1, and the two isolation layers 2 sandwich the entire negative electrode layer 1. That is, the central portion of the isolation layer 2 faces the negative electrode layer 1, and the outer peripheral edge of the isolation layer 2 projects outward from the negative electrode layer 1 like a ridge or eaves. The isolation layer 2 serves as a separator that partitions the positive electrode layer containing the electrolyte and the negative electrode layer 1 and protects the negative electrode layer 1 from moisture. That is, the two isolation layers 2 face the air electrode layers of different air electrodes.

また、隔離層2は、好ましくは耐水性、およびリチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックスからなる。隔離層2のリチウムイオン伝導率は、10−5S/cm以上であることが望ましい。隔離層2としては、例えば、NASICON(Na Super Ionic Conductor;ナトリウム超イオン導電体)型のリチウムイオン伝導体が挙げられる。さらに、隔離層2として、一般式LiM(PO(式中、MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオンを表す)で表されるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をIn、Al等の3価のカチオンM’で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1+x2−xM’(PO(0≦X≦2)で表されるリチウムイオン伝導体が挙げられる。また、隔離層2として、一般式LiM(PO(式中、MはZr、Ti、Ge等の4価のカチオンを表す)で表されるリチウムイオン伝導体の4価のカチオンMの一部をTa等の5価のカチオンM”で置換することによりリチウムイオン伝導性を向上した一般式Li1−x2−xM”(PO(0≦X<1)で表されるリチウムイオン伝導体が挙げられる。これらのリチウムイオン伝導体のPはSiで置換されている場合があり、一般式Li1+x+yTi2−xAl3−ySi12(LTAP)(式中、x=0.3、y=0.2)で表されるリチウムイオン伝導体がイオン伝導性の観点から望ましい。 The isolation layer 2 is preferably made of glass ceramics having water resistance and lithium ion conductivity. The isolation layer 2 preferably has a lithium ion conductivity of 10 −5 S / cm or more. Examples of the isolation layer 2 include a NASICON (Na Super Ionic Conductor) type lithium ion conductor. Further, as the isolation layer 2, a tetravalent cation M of a lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (wherein M represents a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge, etc.). Li 1 + x M 2−x M ′ x (PO 4 ) 3 (0 ≦ X ≦ 2) in which lithium ion conductivity is improved by substituting a part of trivalent cations M ′ such as In and Al The lithium ion conductor represented by these is mentioned. Further, as the isolation layer 2, a tetravalent cation M of a lithium ion conductor represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 (wherein M represents a tetravalent cation such as Zr, Ti, Ge, etc.). Is substituted with a pentavalent cation M ″ such as Ta to improve lithium ion conductivity. Li 1−x M 2−x M ″ x (PO 4 ) 3 (0 ≦ X <1) The lithium ion conductor represented by these is mentioned. P in these lithium ion conductors may be substituted with Si, and is represented by the general formula Li 1 + x + y Ti 2−x Al x P 3−y Si y O 12 (LTAP) (wherein x = 0.3, A lithium ion conductor represented by y = 0.2) is desirable from the viewpoint of ion conductivity.

緩衝層3は、リチウムイオン伝導性のポリマー電解質、または有機電解質である。緩衝層3のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。緩衝層3は、負極層1と隔離層2との間に配置され、負極層1と隔離層2とを隔てる。緩衝層3は、隔離層2を負極層1との接触から保護するとともに、負極層1と隔離層2とイオン伝導性を高める。 The buffer layer 3 is a lithium ion conductive polymer electrolyte or an organic electrolyte. The lithium ion conductivity (also referred to as lithium ion conductivity) of the buffer layer 3 is desirably 10 −5 S / cm or more. The buffer layer 3 is disposed between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2 and separates the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2. The buffer layer 3 protects the isolation layer 2 from contact with the negative electrode layer 1 and enhances the ion conductivity of the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2.

緩衝層3は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体電解質であってもよいし、リチウム塩を溶解した有機電解質をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。固体電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PPO(ポリプロピレンオキシド)等である。ゲル電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVDF(ポリフッ化ビリニデン)、PVDF−HFP(ポリフッ化ビリニデンとヘキサフロオロプロピレンとの共重合体)等である。リチウム塩は、LiPF、LiClO、LiBF、LiTFSI(Li(CFSON)、Li(CSON、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等である。 The buffer layer 3 may be a solid electrolyte in which a lithium salt is dispersed in a polymer, or may be a gel electrolyte in which an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved is swollen in a polymer. Examples of the polymer serving as a host for the solid electrolyte include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). Examples of the polymer serving as a host for the gel electrolyte include PEO (polyethylene oxide), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVDF-HFP (copolymer of poly (vinylidene fluoride) and hexafluoropropylene). Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiTFSI (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), Li (C 2 F 4 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxalatoborate), and the like.

なお、固体電解質のポリマーとして、特に望ましいPEOを用いる場合には、PEOの分子量は10〜10であることが望ましく、PEOとリチウム塩とのモル比は、8〜30:1であることが望ましい。 In addition, when using especially desirable PEO as a polymer of a solid electrolyte, it is desirable that the molecular weight of PEO is 10 4 to 10 5 , and the molar ratio of PEO and lithium salt is 8 to 30: 1. Is desirable.

緩衝層3の強度、および電気化学的特性を向上させるため、さらに、セラミックスフィラー、例えば、BaTiOの粉末をポリマーに分散させてもよい。セラミックフィラーの混合量は、残余の成分100重量部に対して1〜20重量部であることが望ましい。 In order to improve the strength and electrochemical characteristics of the buffer layer 3, a ceramic filler, for example, BaTiO 3 powder, may be further dispersed in the polymer. The mixing amount of the ceramic filler is desirably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the remaining components.

また、緩衝層3は有機電解質をセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロース等のシート)に浸み込ませたものであっても良い。この場合、緩衝層3に使用される有機電解質は、炭酸エチレンに、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルを混合し、さらにLiPF(六フッ化リン酸リチウム)などのリチウム塩を添加したものである。 Further, the buffer layer 3 may be formed by immersing an organic electrolyte in a separator (a sheet made of porous polyethylene, polypropylene, cellulose, or the like). In this case, the organic electrolyte used for the buffer layer 3 is obtained by mixing ethylene carbonate with diethyl carbonate or dimethyl carbonate and further adding a lithium salt such as LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate).

ここで、隔離層2がガラスセラミックスからなる場合、負極層1と隔離層2とが直接接触することにより、隔離層2のガラスセラミックスが負極層1のリチウムと反応して劣化する場合がある。例えば、隔離層2の材質がLTAPである場合、リチウムによってLTAPが反応して劣化する可能性がある。しかし、緩衝層3を挿入して負極層1と隔離層2との接触を防ぐことによって、そのような反応は抑制される。このことは、リチウム空気電池の長寿命化に寄与する。   Here, when the isolation layer 2 is made of glass ceramics, the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2 may be in direct contact with each other, so that the glass ceramics of the isolation layer 2 may react with lithium in the negative electrode layer 1 and deteriorate. For example, when the material of the isolation layer 2 is LTAP, there is a possibility that the LTAP reacts with lithium and deteriorates. However, such a reaction is suppressed by inserting the buffer layer 3 to prevent contact between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2. This contributes to extending the life of the lithium-air battery.

緩衝層3は、負極複合体10に必ずしも備えられていなくてもよく、任意の構成要素である。すなわち、負極複合体10において、負極層1は、緩衝層3を隔てずに隔離層2と直接に隣接するように配置されていてもよい。   The buffer layer 3 is not necessarily provided in the negative electrode composite 10, and is an arbitrary component. That is, in the negative electrode composite 10, the negative electrode layer 1 may be disposed so as to be directly adjacent to the isolation layer 2 without the buffer layer 3 being separated.

ガスケット7は、負極層1の外周を取り囲むように2つの隔離層2の間に配置される。負極層1はガスケット7の枠内に配置される。ガスケット7は、隔離層2の各々の内面に任意の方法により固定されてよいが、好ましくはガスケット7自体の吸着性および/または粘着性により固定される。ガスケット7は、負極層1の外周に接していてもよく、外周から離れていてもよい。ガスケット7は、2つのガスケットからなり、2つの隔離層2の各々の内面上に配置され、相互に重ね合わされている。2つのガスケット7は、重ね合わせ面8において、好ましくはガスケット自体の吸着性および/または粘着性により密着している。すなわち、ガスケット同士、およびガスケット7と隔離層2とがガスケット7の吸着および/または粘着により固定されているため、2つの隔離層2に挟まれる空間が密閉される。負極集電体4は、重ね合わせ面8を通して負極複合体10の外部に導出される。あるいは、ガスケット7は、1つの部材として構成されていてもよく、かかる場合は、負極集電体4のための貫通孔がガスケット7に設けられている。   The gasket 7 is disposed between the two isolation layers 2 so as to surround the outer periphery of the negative electrode layer 1. The negative electrode layer 1 is disposed within the frame of the gasket 7. The gasket 7 may be fixed to the inner surface of each of the isolation layers 2 by an arbitrary method, but is preferably fixed by the adsorption and / or adhesiveness of the gasket 7 itself. The gasket 7 may be in contact with the outer periphery of the negative electrode layer 1 or may be separated from the outer periphery. The gasket 7 is composed of two gaskets and is disposed on the inner surface of each of the two isolation layers 2 and overlapped with each other. The two gaskets 7 are in close contact with each other on the overlapping surface 8, preferably due to the adsorptivity and / or adhesiveness of the gasket itself. That is, since the gaskets and the gasket 7 and the isolation layer 2 are fixed by adsorption and / or adhesion of the gasket 7, the space between the two isolation layers 2 is sealed. The negative electrode current collector 4 is led out of the negative electrode composite 10 through the overlapping surface 8. Alternatively, the gasket 7 may be configured as one member. In such a case, a through hole for the negative electrode current collector 4 is provided in the gasket 7.

ガスケット7により負極複合体10内の空間が密閉されるため、負極複合体10内への水分や溶液の侵入を防ぐことができる。また、ガスケット7による固定のため、外周封止部材9として接着剤を塗布する際にはガスケット7同士または隔離層2とガスケット7との横ズレが生じる問題がない。よって、負極複合体10の製造過程における作業性を向上させることができる。   Since the space in the negative electrode composite 10 is sealed by the gasket 7, it is possible to prevent moisture and solution from entering the negative electrode composite 10. Further, since the gasket 7 is used for fixing, there is no problem that lateral displacement between the gaskets 7 or the isolation layer 2 and the gasket 7 occurs when an adhesive is applied as the outer peripheral sealing member 9. Therefore, workability in the manufacturing process of the negative electrode composite 10 can be improved.

ガスケット7は、好ましくは四角形の窓枠状の形状である。ガスケット7のサイズは、枠内に負極層1を配置可能な内寸を有し、隔離層2とほぼ同じ大きさの外寸である。ガスケット7の厚さは、隔離層2間に積層される構成部材の厚さの合計と同程度の厚さであってよい。   The gasket 7 preferably has a rectangular window frame shape. The size of the gasket 7 has an internal dimension in which the negative electrode layer 1 can be disposed in the frame, and is an external dimension that is almost the same size as the isolation layer 2. The thickness of the gasket 7 may be approximately the same as the total thickness of the components laminated between the isolation layers 2.

あるいは、ガスケット7は、負極層1の隔離層2に対する面積割合を高めるために、その一部が隔離層2の端部外側にはみ出す程度のサイズの窓枠形状であってもよい。負極層1の隔離層2に対する面積割合が高まることにより、負極複合体10のサイズをコンパクトに維持しつつ、電池容量を増加させることができる。   Alternatively, the gasket 7 may have a window frame shape with a size such that a part of the gasket 7 protrudes outside the end of the isolation layer 2 in order to increase the area ratio of the negative electrode layer 1 to the isolation layer 2. By increasing the area ratio of the negative electrode layer 1 to the isolation layer 2, the battery capacity can be increased while maintaining the size of the negative electrode composite 10 compact.

ガスケット7の材料としては、有機電解質に耐性があるゴムまたはエラストマーであれば特に限定されない。ガスケット7が有機電解質に耐性であることにより、接着剤や樹脂等の劣化原因となる有機電解質を負極複合体内に用いても、ガスケット7が劣化せず、負極複合体10内部の密閉性を維持することができる。ガスケット7の材料は、エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムまたはエラストマー、またはフッ素系のゴムまたはエラストマーであることが好適である。エチレン−プロピレン−ジエンの共重合からなるゴムとしては、例えば、EPM、EPDM、EPTが挙げられる。フッ素系のゴムまたはエラストマーとしては、例えば、フッ化ビニリデン系(FKM)、テトラフルオロエチレン-プロピレン系(FEPM)、テトラフルオロエチレン-パープルオロビニルエーテル系(FFKM)等が挙げられる。ゴムまたはエラストマーの物性は、軟らかい硬度であることが好ましい。ガスケット材料の硬度は、好ましくはショアA50〜70付近である。ガスケット材料が著しく柔らかい場合、加工性が悪い等の問題がある場合がある。ガスケット7が柔らかい硬度およびゴム弾性を有することにより、負極複合体10内部の構成部材の均一な高さ調整が可能となる。すなわち、隔離層2の一方または両方を、直接または間接に押圧することで、緩衝層3と隔離層2との接触面の全体的な密着性を向上させることができる。さらに、これにより、緩衝層3を介した隔離層2と負極層1との接触性を高めることができる。その結果、リチウム空気電池の内部抵抗を低下させ、放電電圧を増加させることができる。また、ゴムまたはエラストマーは、成形前の原料が液状のタイプで、吸着性および/または粘着性が高いものが好ましい。   The material of the gasket 7 is not particularly limited as long as it is a rubber or elastomer resistant to an organic electrolyte. Since the gasket 7 is resistant to the organic electrolyte, the gasket 7 is not deteriorated even when an organic electrolyte that causes deterioration of an adhesive, resin, or the like is used in the negative electrode composite, and the hermeticity inside the negative electrode composite 10 is maintained. can do. The material of the gasket 7 is preferably a rubber or elastomer made of ethylene-propylene-diene copolymer, or a fluorine-based rubber or elastomer. Examples of the rubber made of ethylene-propylene-diene copolymer include EPM, EPDM, and EPT. Examples of the fluorine-based rubber or elastomer include vinylidene fluoride (FKM), tetrafluoroethylene-propylene (FEPM), tetrafluoroethylene-purple fluorovinyl ether (FFKM), and the like. The physical property of the rubber or elastomer is preferably a soft hardness. The hardness of the gasket material is preferably around Shore A 50-70. If the gasket material is extremely soft, there may be problems such as poor processability. Since the gasket 7 has soft hardness and rubber elasticity, the height of the constituent members inside the negative electrode composite 10 can be adjusted uniformly. That is, it is possible to improve the overall adhesion of the contact surface between the buffer layer 3 and the isolation layer 2 by directly or indirectly pressing one or both of the isolation layers 2. Furthermore, this makes it possible to improve the contact between the isolation layer 2 and the negative electrode layer 1 via the buffer layer 3. As a result, the internal resistance of the lithium air battery can be reduced and the discharge voltage can be increased. Further, the rubber or elastomer is preferably a type in which the raw material before molding is liquid and has high adsorptivity and / or adhesiveness.

外周封止部材9は、2つの隔離層2の外周端に配置され、負極集電体4の残部を2つの隔離層間の外側に露出させつつ2つの隔離層間を密閉封止する。外周封止部材9は、2つの隔離層2の外周端縁の全周に、2つの隔離層間の隙間を覆うように配置される。外周封止部材9は、好ましくはガスケット7に接触し、隔離層2およびガスケット7を外部から固定する。外周封止部材9により、負極複合体10の密閉性をさらに向上させることができる。外周封止部材9としては、2つの隔離層間を密閉封止可能であり、負極複合体10の厚さ方向に収縮可能であるものあれば特に限定されないが、好ましくは接着剤である。接着剤としては、透湿性が低く、密閉性が高いものが好適であり、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤、オレフィン系接着剤、および合成ゴム系接着剤などが挙げられる。より好ましくは、接着剤は、水系電解質(好ましくは有機電解質)に対する耐性をさらに有しており、例えばエポキシ系接着剤、オレフィン系接着剤等である。接着剤は、室温で短時間で硬化する硬化条件を有するものが好ましい。また、外周封止部材9として使用される接着剤には、金属リチウムを劣化させるアルコール系溶剤等が微量成分として含まれる場合があるが、ガスケット7により隔離層間の空間が密閉されているため、このようなアルコール系溶剤の負極複合体10内部への侵入を防ぐことができる。この結果、外部封止部材9に使用可能な接着剤の種類の自由度を向上することができる。接着剤は、負極集電体4が貫通する貫通部を有する。   The outer peripheral sealing member 9 is disposed at the outer peripheral ends of the two isolation layers 2 and hermetically seals the two isolation layers while exposing the remaining part of the negative electrode current collector 4 to the outside of the two isolation layers. The outer peripheral sealing member 9 is arranged so as to cover the gap between the two isolation layers on the entire periphery of the outer peripheral edge of the two isolation layers 2. The outer peripheral sealing member 9 preferably contacts the gasket 7 and fixes the isolation layer 2 and the gasket 7 from the outside. The outer periphery sealing member 9 can further improve the sealing performance of the negative electrode composite 10. The outer peripheral sealing member 9 is not particularly limited as long as it can be hermetically sealed between two isolation layers and can shrink in the thickness direction of the negative electrode composite 10, but is preferably an adhesive. Adhesives with low moisture permeability and high sealing properties are suitable, for example, epoxy adhesives, acrylic adhesives, silicone adhesives, olefin adhesives, and synthetic rubber adhesives. Can be mentioned. More preferably, the adhesive further has resistance to an aqueous electrolyte (preferably an organic electrolyte), such as an epoxy adhesive or an olefin adhesive. The adhesive preferably has curing conditions that cure in a short time at room temperature. In addition, the adhesive used as the outer peripheral sealing member 9 may contain an alcohol-based solvent or the like that degrades metallic lithium as a trace component, but since the space between the isolation layers is sealed by the gasket 7, Such an alcohol solvent can be prevented from entering the negative electrode composite 10. As a result, the degree of freedom of the type of adhesive that can be used for the external sealing member 9 can be improved. The adhesive has a penetrating portion through which the negative electrode current collector 4 penetrates.

あるいは、外周封止部材9は、2つの隔離層2の各々の外面を外周端付近において押圧して挟持することにより固定する部材、例えばクリップなどであってもよい。外周封止部材9がこのような部材である場合、隔離層2の一方または両方を押圧する作業を行うことなく、緩衝層3と隔離層2との密着性、および負極層1と隔離層2との緩衝層3を介した密着性を維持することができる。また、ガスケット7による2つの隔離層間の密閉性を強化することができる。外部封止部材9としてのクリップなどの部材は、上記の接着剤と併用することもできる。   Alternatively, the outer peripheral sealing member 9 may be a member such as a clip that is fixed by pressing and sandwiching the outer surfaces of the two isolation layers 2 in the vicinity of the outer peripheral end. When the outer peripheral sealing member 9 is such a member, the adhesion between the buffer layer 3 and the isolation layer 2 and the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2 can be performed without pressing one or both of the isolation layers 2. The adhesion through the buffer layer 3 can be maintained. Moreover, the sealing property between the two isolation layers by the gasket 7 can be enhanced. A member such as a clip as the external sealing member 9 can be used in combination with the above adhesive.

本実施形態に係る負極複合体10は、板形状の負極複合体10の両面を発電に寄与させる。この負極複合体10の両面化により、従来のリチウム空気電池と比べて、同体積あたり、電池反応に有効な面積を2倍に増加させて入出力密度を向上できる。   The negative electrode composite 10 according to the present embodiment contributes both surfaces of the plate-shaped negative electrode composite 10 to power generation. By making the negative electrode composite 10 double-sided, it is possible to improve the input / output density by increasing the effective area for the battery reaction by a factor of two compared to the conventional lithium-air battery.

さらに、本実施形態に係る負極複合体10は、負極層1が多孔質金属で構成されている。よって、放電反応が進んで負極層1の金属リチウム等の量が減少しても、多孔質金属が柱となり、負極層1の構造が維持される。このため、負極層1と隔離層2との間に隙間が生じず、負極層1と隔離層2との、緩衝層3を介した接触性を保持することができ、接触抵抗が増大することがない。従って、リチウム空気電池の内部抵抗の増大が抑制され、結果として放電電圧を維持することが可能となる。さらに、本実施形態に係る負極複合体10では、高深度の放電(100%の放電)が可能となり、結果として、放電容量の増加が期待できる。一方、多孔質金属を用いていない従来の負極では、高深度の放電で隔離層と負極層の間にギャップができるため80%以上の高深度の放電が困難である。   Furthermore, in the negative electrode composite 10 according to this embodiment, the negative electrode layer 1 is made of a porous metal. Therefore, even if the discharge reaction proceeds and the amount of metallic lithium or the like in the negative electrode layer 1 decreases, the porous metal becomes a column and the structure of the negative electrode layer 1 is maintained. For this reason, a gap does not occur between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2, and the contact property between the negative electrode layer 1 and the isolation layer 2 via the buffer layer 3 can be maintained, and the contact resistance increases. There is no. Therefore, an increase in the internal resistance of the lithium air battery is suppressed, and as a result, the discharge voltage can be maintained. Furthermore, in the negative electrode composite 10 according to the present embodiment, high-depth discharge (100% discharge) is possible, and as a result, an increase in discharge capacity can be expected. On the other hand, in a conventional negative electrode that does not use a porous metal, a high-depth discharge of 80% or more is difficult because a gap is formed between the isolation layer and the negative-electrode layer by a high-depth discharge.

また、本実施形態に係る負極複合体10は、放電反応が進んで負極層1中の金属リチウム等の量が減少しても、負極層1の構造が保持され、形状変化が起こりにくい。よって、負極層1の薄化に起因する内部圧力の低下が生じることがなく、緩衝層3および隔離層2が湾曲形状に変形したり、隔離層2に亀裂が生じるおそれがない。また、充電・放電のサイクル数が増加しても、負極層1の膨張・収縮による体積変化を緩和することができるため、負極層自体が分断し破壊されることを防止することができる。   Further, in the negative electrode composite 10 according to the present embodiment, even when the discharge reaction proceeds and the amount of metallic lithium or the like in the negative electrode layer 1 decreases, the structure of the negative electrode layer 1 is maintained and the shape change hardly occurs. Therefore, the internal pressure is not lowered due to the thinning of the negative electrode layer 1, and there is no possibility that the buffer layer 3 and the isolation layer 2 are deformed into a curved shape or the isolation layer 2 is cracked. Further, even if the number of charge / discharge cycles is increased, volume change due to expansion / contraction of the negative electrode layer 1 can be alleviated, so that the negative electrode layer itself can be prevented from being broken and broken.

さらにまた、本実施形態に係る負極複合体10は、充電時に、金属発泡体の空隙内に金属リチウムが析出するため、金属リチウムの不均一な析出を抑制することができ、負極層1が偏った形状に変化するのを防ぐことができる。また、金属リチウムの不均一な析出に起因するデンドライトの発生および成長を抑制することができる。このため、本実施形態に係る負極複合体10では、成長したデンドライトの先端が隔離層2に接触して傷付けたり、突き破るおそれがないため、放電電圧の低下や放電時間の低下を抑制することができ、デンドライトが正極に達して短絡を引き起こす問題もない。従って、本実施形態に係る負極複合体10は、充電・放電のサイクル数が増加しても、充電・放電の性能が低下するのを抑制することを可能とし、リチウム空気電池を長寿命化させることができる。   Furthermore, in the negative electrode composite 10 according to the present embodiment, when lithium is charged, metal lithium is deposited in the voids of the metal foam, so that uneven deposition of metal lithium can be suppressed, and the negative electrode layer 1 is biased. It can be prevented from changing to a different shape. In addition, generation and growth of dendrites due to uneven deposition of metallic lithium can be suppressed. For this reason, in the negative electrode composite 10 according to the present embodiment, since the tip of the grown dendrite does not come into contact with the isolation layer 2 and is damaged or pierced, it is possible to suppress a decrease in discharge voltage and a decrease in discharge time. There is no problem that the dendrite reaches the positive electrode and causes a short circuit. Therefore, the negative electrode composite 10 according to the present embodiment makes it possible to suppress a decrease in charge / discharge performance even when the number of charge / discharge cycles increases, thereby extending the life of the lithium-air battery. be able to.

図2に、本発明に係るリチウム空気電池について、その一実施形態を示す。図3には、本実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造を示す。図4には、本実施形態に係るリチウム空気電池の回路図を示す。   FIG. 2 shows an embodiment of a lithium air battery according to the present invention. FIG. 3 shows the internal structure of the lithium-air battery according to this embodiment. In FIG. 4, the circuit diagram of the lithium air battery which concerns on this embodiment is shown.

図2および図3に示す実施形態に係るリチウム空気電池100は、主たる構成要素として、負極複合体10と空気極19とを収容するケース12と、交互に重ね合わせて積層される複数の負極複合体10と、ケース12内から引き出されて露出する負極集電体4、および正極集電体としての空気極集電体16と、複数の空気極19と、ケース12内に蓄えられて少なくとも空気極19に接して空気極19と負極複合体10との間でリチウムイオンの伝導を担う電解質17とを備える。なお、同一の符号を付した構成要素は、図1について説明した実施形態と同一の構成を持ち、重複する説明は省略する。   The lithium-air battery 100 according to the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 3 includes, as main components, a case 12 that accommodates the negative electrode composite 10 and the air electrode 19, and a plurality of negative electrode composites that are alternately stacked. Body 10, negative electrode current collector 4 that is pulled out and exposed from inside case 12, air electrode current collector 16 as a positive electrode current collector, a plurality of air electrodes 19, and at least air stored in case 12 An electrolyte 17 that is in contact with the electrode 19 and that conducts lithium ions between the air electrode 19 and the negative electrode composite 10 is provided. In addition, the component which attached | subjected the same code | symbol has the same structure as embodiment described about FIG. 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

なお、隣り合う負極複合体10および空気極19は、実際には相互に接しているが、図3においては識別しやすいように離間させて示している。   The adjacent negative electrode composite 10 and the air electrode 19 are actually in contact with each other, but are separated from each other in FIG. 3 so as to be easily identified.

ケース12は、気体を透過する一方で、液体の不透過な材料、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、またはビニリデンフルオライド単位およびテトラフルオロエチレン単位を有するフルオロポリマーからなるフッ素樹脂の成形品や、ビニリデンフルオライド単位およびテトラフルオロエチレン単位を有するフルオロポリマーからなるフッ素樹脂の多孔質体であり、六面体、例えば直方体形状を呈する中空体である。なお、ケース12は、気体も液体も不透過な材料の成形品であっても良い。この場合には、ケース12の側壁に通気口が設けられる。通気口は、後述する電解質17を漏出させない位置に設けられ、ケース内外に空気を流通させる。   Case 12 is a gas-permeable but liquid-impermeable material, such as polyethylene, polypropylene, or a fluororesin molded product made of a fluoropolymer having vinylidene fluoride units and tetrafluoroethylene units, or vinylidene fluoride units. And a fluororesin porous body composed of a fluoropolymer having a tetrafluoroethylene unit, which is a hexahedron, for example, a hollow body having a rectangular parallelepiped shape. The case 12 may be a molded product made of a material that is impermeable to gas and liquid. In this case, a vent is provided on the side wall of the case 12. The vent is provided at a position where the electrolyte 17 described later does not leak out, and allows air to flow inside and outside the case.

ケース12の外側には負極集電体4、および空気極集電体16のみが露出している。   Only the negative electrode current collector 4 and the air electrode current collector 16 are exposed outside the case 12.

負極複合体10の一面、およびこれに正対する空気極19の一面は、1つの空気電池セル21である。つまりリチウム空気電池1は、負極複合体10と空気極19との対面箇所数の空気電池セル21を並列に接続したものである。   One surface of the negative electrode composite 10 and one surface of the air electrode 19 facing the same are one air battery cell 21. That is, the lithium-air battery 1 is formed by connecting the number of facing air battery cells 21 of the negative electrode composite 10 and the air electrode 19 in parallel.

複数の負極複合体10および複数の空気極19は、それぞれ板形状を呈する。また、複数の負極複合体10および複数の空気極19は、それぞれ電気的に並列に接続される。   The plurality of negative electrode composites 10 and the plurality of air electrodes 19 each have a plate shape. Further, the plurality of negative electrode composites 10 and the plurality of air electrodes 19 are electrically connected in parallel, respectively.

空気極19は負極複合体10よりも大きい投影面積を呈する。具体的には、四角形の平板形状を呈する負極複合体10よりも一回り大きい四角形状を呈する。   The air electrode 19 has a larger projected area than the negative electrode composite 10. Specifically, it has a quadrilateral shape that is slightly larger than the negative electrode composite 10 having a quadrangular flat plate shape.

また、空気極19は、導電性材料を含有して負極複合体10の少なくとも一方の面(つまり、後述する隔離層2の一面)に対向する空気極層23と、空気極層23に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体16とを備える。   The air electrode 19 includes a conductive material and is electrically connected to the air electrode layer 23 and the air electrode layer 23 facing at least one surface of the negative electrode composite 10 (that is, one surface of the isolation layer 2 described later). And a plate-like or linear air electrode current collector 16 connected to the.

空気極層23は、炭素繊維などの導電体を素材とし、薄板形状を呈する。具体的には、空気極層23は、多孔質構造、例えば、構成繊維が規則正しく配列されたメッシュ構造、ランダムに配列された不織布構造、三次元網目構造が挙げられる。具体的には、カーボンクロス、カーボン不織布、およびカーボンペーパ等のカーボン材料である。また、その他の多孔質構造を持つ材料として、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄等の金属材料でも良い。好ましい空気極の材料としては、導電性があり、軽量化や耐腐食性の高い材料が良く、前述のカーボン材料による空気極が望ましい。空気極層23は、毛細管現象で電解質17を吸い上げて負極複合体10と空気極19との間に介在させる。空気極層23は、貴金属や酸化金属等の触媒を含んでもよい。触媒としては、放電時には酸素還元反応、充電時には酸素酸化反応を促進させる触媒であれば良い。例えば、MnO、CeO、Co、NiO、V、Fe、ZnO、CuO、La1.6Sr0.4NiO、LaNiO、La0.6Sr0.4FeO、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8、La0.8Sr0.2MnO、Mn1.5Co1.5等の金属酸化物;Au、Pt、Ag等の貴金属;およびこれらの複合物等が挙げられる。触媒を含む空気極層23を作製する方法は、特に限定されないが、例えば、白金などの触媒金属を担持したカーボンをバインダー(結着剤)および有機溶媒と混合したもの(スラリー)を、カーボンクロスなどに付着させることにより行うことができる。有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、およびジメチルスルホキシド(DMSO)、アセトン、エタノール、1−プロパノールなどを使用することができる。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)等を挙げることができる。具体的な空気極層23への触媒の付着方法としては、前記のスラリーを、ドクターブレード法、スプレイ法により塗布および付着する方法が挙げられる。 The air electrode layer 23 is made of a conductive material such as carbon fiber, and has a thin plate shape. Specifically, the air electrode layer 23 may have a porous structure, for example, a mesh structure in which constituent fibers are regularly arranged, a nonwoven fabric structure in which the fibers are randomly arranged, or a three-dimensional network structure. Specifically, carbon materials such as carbon cloth, carbon non-woven fabric, and carbon paper. Further, as another material having a porous structure, for example, a metal material such as stainless steel, nickel, aluminum, or iron may be used. As a preferable material for the air electrode, a material having conductivity, light weight and high corrosion resistance is preferable, and an air electrode made of the above-described carbon material is desirable. The air electrode layer 23 sucks up the electrolyte 17 by capillary action and interposes between the negative electrode composite 10 and the air electrode 19. The air electrode layer 23 may include a catalyst such as a noble metal or a metal oxide. The catalyst may be a catalyst that promotes an oxygen reduction reaction during discharging and an oxygen oxidation reaction during charging. For example, MnO 2, CeO 2, Co 3 O 4, NiO, V 2 O 5, Fe 2 O 3, ZnO, CuO, La 1.6 Sr 0.4 NiO 4, La 2 NiO 4, La 0.6 Sr Metal oxidation such as 0.4 FeO 3 , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 , La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , Mn 1.5 Co 1.5 O 4 A noble metal such as Au, Pt, and Ag; and a composite thereof. The method of producing the air electrode layer 23 containing the catalyst is not particularly limited. For example, a carbon cloth carrying a catalyst metal such as platinum mixed with a binder (binder) and an organic solvent (slurry) is used. It can be carried out by adhering to. As the organic solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), acetonitrile, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), and dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, ethanol, 1-propanol and the like are used. be able to. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like. Specific examples of a method for attaching the catalyst to the air electrode layer 23 include a method in which the slurry is applied and adhered by a doctor blade method or a spray method.

空気極集電体16としては、リチウム空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望とする導電性を有していれば良い。空気極集電体16の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、金、および白金等の金属材料、カーボンクロスおよびカーボン不織布等のカーボン材料が挙げられる。   The air electrode current collector 16 may be present stably in the operating range of the lithium-air battery and has the desired conductivity. Examples of the material of the air electrode current collector 16 include metal materials such as stainless steel, nickel, aluminum, gold, and platinum, and carbon materials such as carbon cloth and carbon nonwoven fabric.

電解質17は、水系電解質である。なお、電解質17は負極複合体10にも接していても良い。   The electrolyte 17 is a water based electrolyte. The electrolyte 17 may also be in contact with the negative electrode composite 10.

また、電解質17は、ポリマー電解質であっても良い。この場合、電解質17は、空気極19と負極複合体10との間に挟まれる薄膜状体であったり、空気極層23の表面をコーティングする膜状体であったりする。   The electrolyte 17 may be a polymer electrolyte. In this case, the electrolyte 17 is a thin film-like body sandwiched between the air electrode 19 and the negative electrode composite 10 or a film-like body that coats the surface of the air electrode layer 23.

図5に、本実施形態に係るリチウム空気電池の内部構造の他の例を示す。図5に示すリチウム空気電池の内部構造は、空気極19Aの空気極層23Aが、葛折りに折り曲げられていることを特徴とする。複数の負極複合体10は、空気極層23Aの折り目23aと折り目23aとの間にある平面部23bに挟み込まれる。なお、同一の符号を付した構成要素は、図3について説明した実施形態と同一の構成を持ち、重複する説明は省略する。   FIG. 5 shows another example of the internal structure of the lithium-air battery according to this embodiment. The internal structure of the lithium-air battery shown in FIG. 5 is characterized in that the air electrode layer 23A of the air electrode 19A is bent in a twisted manner. The plurality of negative electrode composites 10 are sandwiched between flat surfaces 23b between the folds 23a and the folds 23a of the air electrode layer 23A. In addition, the component which attached | subjected the same code | symbol has the same structure as embodiment described about FIG. 3, The overlapping description is abbreviate | omitted.

なお、隣り合う負極複合体10および空気極19Aは、実際には相互に接しているが、図5においては識別しやすいように離間させて示している。   Note that the adjacent negative electrode composite 10 and the air electrode 19A are actually in contact with each other, but are separated from each other in FIG. 5 for easy identification.

空気極集電体16は、複数の負極複合体10を挟み込む1つの空気極層23Aに対して1つ設けられていれば良く、リチウム空気電池100の空気極集電体16よりも数量、総延長長さ、重量、および容積を減じることができる。   One air electrode current collector 16 may be provided for one air electrode layer 23A sandwiching the plurality of negative electrode composites 10, and the number and total number of air electrode current collectors 16 are larger than those of the air electrode current collector 16 of the lithium-air battery 100. Extension length, weight, and volume can be reduced.

本実施形態に係るリチウム空気電池100は、負極複合体と空気極とを対にした単セルごとに水溶液系電解質を内包する従来のリチウム空気電池とは異なり、複数の空気電池セル21を並列接続して1つのケース12に収容する。このような構造によって、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、空気電池セル21ごとの仕切り(従来のリチウム空気電池の外装に相当する)を必要とせず、複数の空気電池セル21で電解質17を共有し、リチウム空気電池100全体として電解質17の貯留量を最適化して重量や体積を低減できる。   The lithium air battery 100 according to the present embodiment is different from a conventional lithium air battery in which an aqueous electrolyte is included in each single cell in which a negative electrode composite and an air electrode are paired, and a plurality of air battery cells 21 are connected in parallel. And accommodated in one case 12. With such a structure, the lithium-air battery 100 according to the present embodiment does not require a partition for each air battery cell 21 (corresponding to the exterior of a conventional lithium-air battery), and the electrolyte 17 is composed of a plurality of air battery cells 21. The lithium-air battery 100 as a whole can optimize the storage amount of the electrolyte 17 and reduce the weight and volume.

さらに、従来のリチウム空気電池は、1つの空気極の一面を1つの負極複合体の一面に正対させて容器やラミネートフィルムに封入していた。これら従来の空気電池は、入出力密度(重量当たりの出力)を増加させる場合、同じ構造の空気電池を単純に多数使用するか、同じ構造の空気電池を単純に大きくする必要があり、必要な空気電池の搭載スペースを非効率かつ大幅に増加させるため、電気自動車に搭載する場合等、現実的には採用が難しかった。一方、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、従来のリチウム空気電池におけるラミネートフィルムを不要にし、部品点数の低減、およびラミネートフィルムのポリプロピレンとガラスセラミックスとの接合における困難な接着を不要にする。   Further, in the conventional lithium-air battery, one surface of one air electrode faces one surface of one negative electrode composite and is enclosed in a container or a laminate film. In order to increase the input / output density (output per weight) in these conventional air batteries, it is necessary to simply use a large number of air batteries having the same structure or simply increase the size of the air battery having the same structure. In practice, it has been difficult to adopt an air battery, for example, when it is mounted on an electric vehicle in order to increase the mounting space of the air battery inefficiently. On the other hand, the lithium-air battery 100 according to the present embodiment eliminates the need for a laminate film in a conventional lithium-air battery, reduces the number of parts, and eliminates difficult adhesion in joining the laminate film polypropylene and glass ceramics.

従って、本実施形態に係るリチウム空気電池100によれば、従来の空気電池と比べてエネルギー密度および入出力密度を増加させても極端な大型化を抑制してコンパクトにできる。   Therefore, according to the lithium air battery 100 according to the present embodiment, even if the energy density and the input / output density are increased as compared with the conventional air battery, it can be made compact by suppressing an extreme increase in size.

さらに、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、負極層1が多孔質金属で構成されているため、デンドライトの生成や負極形状の変化を抑制し、放電・充電のサイクル数の増加に伴う充電・放電性能の低下を緩和し、電池寿命を向上させることができる。   Furthermore, in the lithium-air battery 100 according to this embodiment, since the negative electrode layer 1 is made of a porous metal, the generation of dendrite and the change in the negative electrode shape are suppressed, and charging accompanying an increase in the number of discharge / charge cycles. -It can alleviate the decrease in discharge performance and improve battery life.

さらにまた、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、ケース12内に水系電解質を電解質17として蓄える場合には、放電の進行にともなって電解質17が揮発しても次々に空気極19へ電解質17を補給できる。これにより、本実施形態に係るリチウム空気電池100は、長期に亘って電解質17の補充を必要とせず、電解質17の不足による性能低下を防止する。   Furthermore, in the lithium-air battery 100 according to the present embodiment, when the aqueous electrolyte is stored in the case 12 as the electrolyte 17, even if the electrolyte 17 volatilizes as the discharge progresses, the electrolyte 17 is successively transferred to the air electrode 19. Can be replenished. Thereby, the lithium air battery 100 according to the present embodiment does not require replenishment of the electrolyte 17 over a long period of time, and prevents a performance deterioration due to the shortage of the electrolyte 17.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明に係るリチウム空気電池用の負極および負極複合体、ならびにリチウム空気電池は下記実施例によって制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, the negative electrode and negative electrode composite for lithium air batteries which concern on this invention, and a lithium air battery are not restrict | limited by the following Example.

[実施例1]
(負極複合体の作製)
1.負極複合体110を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのArによる不活性雰囲気下で以下の手順で組み立てた。図9には、負極複合体110の模式的な断面図を示す。
(1)負極複合体110の構成部材である固体電解質102(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、発泡銅101(空隙率約90%、孔径50μm、四角形、1枚、銅箔(負極集電体)104に貼付)、セルロースセパレータ103(四角形、2枚)、およびガスケットシート107(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質102の各々にガスケットシート107を1枚ずつ貼り付けた。
(2)1枚目の固体電解質102上に、セルロースセパレータ103を、ガスケットシート107の枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)をセルロースセパレータ103に滴下して全体に染み込ませた。発泡銅101を、セルロースセパレータ103上に、ガスケットシート107の枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータ103を発泡銅101上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ103に有機電解質を滴下し、全体に染み込ませ、このセルロースセパレータ103と発泡銅101が密着するのを確認した。
(3)2枚目の固体電解質102を、2枚目の固体電解質102に貼り付けられたガスケットシート107と1枚目の固体電解質102に貼り付けられたガスケットシート107とがガスケット重ね合わせ面108において重ね合わさるように、(2)の作製物上にずれのないように被せた。2枚のガスケットシート107を張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート107の粘着性により密閉させた。負極複合体内部の構成部材同士が、特に固体電解質102と発泡銅101とが密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。また、発泡銅101に貼付された銅箔(負極集電体)104の一部が固体電解質の外側に露出するようにした。
(4)エポキシ系接着剤109(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質102の間を密閉するように、固体電解質102の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤109を硬化させた。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode composite)
1. The negative electrode composite 110 was assembled in the following procedure under an inert atmosphere with Ar having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of −76 ° C. dp. FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the negative electrode composite 110.
(1) Solid electrolyte 102 (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, quadrilateral, two sheets), foamed copper 101 (porosity of about 90%, pore diameter 50 μm, quadrilateral, one sheet) which are constituent members of the negative electrode composite 110 Copper foil (attached to negative electrode current collector) 104), cellulose separator 103 (square, two sheets), and gasket sheet 107 (EPDM, square frame, two sheets) were prepared. One gasket sheet 107 was attached to each of the two solid electrolytes 102.
(2) The cellulose separator 103 is arranged on the first solid electrolyte 102 so as to enter the frame of the gasket sheet 107, and the organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M LiPF 6 ) is placed in the cellulose separator. It was dripped at 103 and soaked throughout. The foamed copper 101 was placed on the cellulose separator 103 so as to enter the frame of the gasket sheet 107, and the second cellulose separator 103 was placed on the foamed copper 101. The organic electrolyte was dropped into the second cellulose separator 103 and allowed to penetrate the whole, and it was confirmed that the cellulose separator 103 and the foamed copper 101 were in close contact with each other.
(3) The gasket sheet 107 attached to the second solid electrolyte 102 and the gasket sheet 107 attached to the first solid electrolyte 102 are the gasket overlapping surface 108. (2) was overlaid so that there was no deviation. Two gasket sheets 107 were attached and sealed by the adhesiveness of the gasket sheet 107 so that external air or the like did not enter. The components inside the negative electrode composite were fixed by pressing the whole from the outside so that the solid electrolyte 102 and the foamed copper 101 were in good contact with each other. Further, a part of the copper foil (negative electrode current collector) 104 attached to the foamed copper 101 was exposed to the outside of the solid electrolyte.
(4) An epoxy adhesive 109 (two-component room temperature curing type) is thinly applied to the entire periphery of the outer peripheral edge of the solid electrolyte 102 so that the space between the two solid electrolytes 102 is sealed. 109 was cured.

2.次に、発泡銅101の孔隙に金属リチウムを充填した。図6に示されるように、上記1で組み立てた負極複合体110を、5MのLiOH水溶液114を30mlを入れた容器115内に正極113とともに浸漬させた。負極集電体104および正極113の正極集電体を、外部電源の負極および正極にそれぞれ接続し(図示は省略)、2mA/cmの電流密度で20時間充電を行った。電流を流す前は発泡銅101の孔隙pは空洞であったのが(図7(a))、この処理により、発泡銅101の孔隙p内に金属リチウムfが充填された(図7(b))。 2. Next, metallic lithium was filled in the pores of the foamed copper 101. As shown in FIG. 6, the negative electrode composite 110 assembled in 1 above was immersed together with the positive electrode 113 in a container 115 containing 30 ml of a 5M LiOH aqueous solution 114. The negative electrode current collector 104 and the positive electrode current collector of the positive electrode 113 were respectively connected to the negative electrode and the positive electrode of the external power source (not shown), and charged at a current density of 2 mA / cm 2 for 20 hours. Before the current was applied, the pore p of the foamed copper 101 was hollow (FIG. 7 (a)). By this treatment, the metal lithium f was filled in the pore p of the foamed copper 101 (FIG. 7 (b)). )).

(空気極の作製)
正極の酸素還元の触媒として白金担持カーボン(Pt45.8%)を80mgと、バインダー(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20mgとを計り取り、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3mlを添加して混合溶媒を調製した。
混合溶媒を攪拌機(シンキ−製AR−100)で15分、超音波で60分攪拌および分散を行い、塗工機を用いて、金属リチウムと同じサイズのカーボンクロス上に塗布し、100℃で減圧下で乾燥させて、白金担持量0.25mg/cmの空気極を作製した。空気極の集電体として、アルミ箔を空気極に貼付した。
(Production of air electrode)
N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was measured by measuring 80 mg of platinum-supported carbon (Pt 45.8%) as a catalyst for oxygen reduction of the positive electrode and 20 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder). 3 ml was added to prepare a mixed solvent.
The mixed solvent was stirred and dispersed for 15 minutes with a stirrer (AR-100 manufactured by Shinki Co., Ltd.) and 60 minutes with ultrasonic waves, and coated on a carbon cloth having the same size as that of metallic lithium using a coating machine. It dried under reduced pressure and produced the air electrode with a platinum load of 0.25 mg / cm 2 . An aluminum foil was attached to the air electrode as a current collector for the air electrode.

(水系電解質の調製)
4.24gのLiClを精製水50mlに溶解させ、2MのLiCl水溶液を調製した。水系電解質を保持するため、水系電解質をセルロースシートに滴下し、空気極と負極の間に配置した。
(Preparation of aqueous electrolyte)
4.24 g of LiCl was dissolved in 50 ml of purified water to prepare a 2M LiCl aqueous solution. In order to hold the aqueous electrolyte, the aqueous electrolyte was dropped onto the cellulose sheet and placed between the air electrode and the negative electrode.

(セルの作製)
負極複合体110を収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体110、水系電解質を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、実施例1のリチウム空気電池のセルとした。
(Production of cell)
An air electrode, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, a negative electrode composite 110, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, and an air electrode in a plastic case with a hole and a size that can accommodate the negative electrode composite 110 The stacks were stacked so that there was no deviation in this order, and the lithium-air battery cell of Example 1 was obtained.

[比較例1]
(負極複合体の作製)
負極複合体310を、酸素濃度1ppm以下、露点−76℃dpのArによる不活性雰囲気下で以下の手順で作製した。図10には、負極複合体310の模式的な断面図を示す。負極複合体310は、実施例1の負極複合体110と同様の外形サイズを有する。
(1)負極複合体310の構成部材である固体電解質302(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(LTAP)薄板、四角形、2枚)、金属リチウム301(金属Li、四角形、2枚、銅箔(負極集電体)304の両面に貼付)セルロースセパレータ303(四角形、2枚)、およびガスケットシート307(EPDM、四角枠、2枚)を準備した。2枚の固体電解質302の各々にガスケットシート307を貼り付けた。
(2)図10において下側に示される1枚の固体電解質302上に、セルロースセパレータ303を、ガスケットシート307の枠内に入るように配置し、有機電解質(EC:EMC=1:1、1MのLiPF)をセルロースセパレータ303に滴下して全体に染み込ませた。金属リチウム301を、セルロースセパレータ303上に、ガスケットシート307の枠内に入るように配置し、2枚目のセルロースセパレータ303を金属リチウム301上に配置した。2枚目のセルロースセパレータ303に有機電解質を滴下し、全体に染み込ませた。
(3)(1)で作製した上側の固体電解質302を、(2)の作製物の上から被せ、上側と下側のガスケットシート307をずれないように張り付けて、外部の空気等が入らないようにガスケットシート307の粘着性により密閉させた。また、金属リチウム301に貼付された銅箔(負極集電体)304の一部が固体電解質の外側に露出するようにした。負極複合体310の内部の構成部材同士が、密着性良く接触するように、外側から全体を押さえて固定させた。
(4)エポキシ系接着剤309(2液常温硬化型)を、2枚の固体電解質302の間を密閉するように、固体電解質302の外周端縁の全周に薄く塗布し、エポキシ系接着剤309を硬化させた。
[Comparative Example 1]
(Preparation of negative electrode composite)
The negative electrode composite 310 was produced by the following procedure in an inert atmosphere with Ar having an oxygen concentration of 1 ppm or less and a dew point of -76 ° C. dp. FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of the negative electrode composite 310. The negative electrode composite 310 has the same outer size as the negative electrode composite 110 of Example 1.
(1) Solid electrolyte 302 (lithium ion conductive glass ceramics (LTAP) thin plate, quadrilateral, two sheets), metallic lithium 301 (metal Li, quadrilateral, two sheets, copper foil (negative electrode collector), which are constituent members of the negative electrode composite 310 Attached to both surfaces of the electric body) 304) A cellulose separator 303 (square, two sheets) and a gasket sheet 307 (EPDM, square frame, two sheets) were prepared. A gasket sheet 307 was attached to each of the two solid electrolytes 302.
(2) On one solid electrolyte 302 shown on the lower side in FIG. 10, the cellulose separator 303 is disposed so as to enter the frame of the gasket sheet 307, and an organic electrolyte (EC: EMC = 1: 1, 1M). Of LiPF 6 ) was dropped into the cellulose separator 303 so as to be soaked in the whole. The metallic lithium 301 was placed on the cellulose separator 303 so as to be within the frame of the gasket sheet 307, and the second cellulose separator 303 was placed on the metallic lithium 301. An organic electrolyte was dropped into the second cellulose separator 303 to be soaked throughout.
(3) The upper solid electrolyte 302 prepared in (1) is placed over the product in (2), and the upper and lower gasket sheets 307 are attached so as not to shift so that no external air enters. Thus, the gasket sheet 307 was sealed due to the adhesiveness. In addition, a part of the copper foil (negative electrode current collector) 304 attached to the metal lithium 301 was exposed to the outside of the solid electrolyte. The constituent members inside the negative electrode composite 310 were pressed and fixed from the outside so that the components contact each other with good adhesion.
(4) An epoxy adhesive 309 (two-component room temperature curing type) is thinly applied to the entire periphery of the outer peripheral edge of the solid electrolyte 302 so that the space between the two solid electrolytes 302 is sealed. 309 was cured.

(空気極の作製)
空気極の作製は、実施例1と同様にして行った。
(Production of air electrode)
The air electrode was produced in the same manner as in Example 1.

(水系電解質の調製)
水系電解質の調製は、実施例1と同様にして行った。
(Preparation of aqueous electrolyte)
The aqueous electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1.

(セルの作製)
負極複合体310を収容可能な大きさの、穴が開いたプラスチック製のケースに、空気極、水系電解質を滴下したセルロースシート、負極複合体310、水系電解質を滴下したセルロースシート、および空気極をこの順にズレが無いように重ねたものを収容し、比較例1のリチウム空気電池のセルとした。
(Production of cell)
An air electrode, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, a negative electrode composite 310, a cellulose sheet in which an aqueous electrolyte is dropped, and an air electrode in a plastic case with a hole and a size that can accommodate the negative electrode composite 310 The stacks were stacked so that there was no misalignment in this order, and the lithium-air battery cell of Comparative Example 1 was obtained.

[放電試験]
実施例1および比較例1のセルにおいて、4mA/cm(約0.1Cの放電レート)で放電した際の放電電圧をBAS社製ALS608Aを使用して測定した。ここで、1Cは、公称容量を有するセルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電流値を指す。測定結果を表1に示す。表1に示すように、実施例1および比較例1のセルはいずれも初期の放電電圧が高い値であったが、実施例1のセルは、充電・放電のサイクル数が10サイクルに達しても、比較例1のセルと比較して放電電圧の低下が抑制されていた。さらに、実施例1のセルでは、サイクル数が5であってもデンドライトがほぼ生成されておらず、比較例1のセルと比べてデンドライトの成長が抑制されていた。また、実施例1のセルでは、放充電を繰り返しても、比較例1のセルよりもさらに負極層の厚さが均一に近かった。
[Discharge test]
In the cells of Example 1 and Comparative Example 1, the discharge voltage when discharged at 4 mA / cm 2 (discharge rate of about 0.1 C) was measured using ALS608A manufactured by BAS. Here, 1C refers to a current value at which discharge of a cell having a nominal capacity is constant current and the discharge is completed in exactly one hour. The measurement results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the cells of Example 1 and Comparative Example 1 all had high initial discharge voltages, but the cells of Example 1 had 10 charge / discharge cycles. As compared with the cell of Comparative Example 1, the decrease in the discharge voltage was suppressed. Further, in the cell of Example 1, dendrite was hardly generated even when the number of cycles was 5, and the growth of dendrite was suppressed as compared with the cell of Comparative Example 1. Further, in the cell of Example 1, the negative electrode layer was even more uniform in thickness than the cell of Comparative Example 1 even after repeated discharge.

Figure 0006288511
Figure 0006288511

1 負極層
2 隔離層
3 緩衝層
4 負極集電体
7 ガスケット
8 ガスケット重ね合わせ面
9 外周封止部材
10 負極複合体
12 ケース
16 空気極集電体
17 電解質
19、19A 空気極
21 空気電池セル
23、23A 空気極層
23a 折り目
23b 平面部

100、100A リチウム空気電池
101 発泡銅
102 固体電解質
103 セルロースセパレータ
104 負極集電体
107 ガスケット
108 ガスケット重ね合わせ面
109 エポキシ系接着剤
110 負極複合体
113 正極
114 水酸化リチウム水溶液
115 容器

200 リチウム空気電池
201 金属リチウム板
202 固体電解質
203 緩衝層
217 電解質
219 空気極
210 負極複合体
212 ケース

301 金属リチウム
302 固体電解質
303 セルロースセパレータ
304 負極集電体
307 ガスケット
309 エポキシ系接着剤
310 負極複合体

f 金属リチウム
p 孔隙
P 内部圧力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode layer 2 Separation layer 3 Buffer layer 4 Negative electrode collector 7 Gasket 8 Gasket overlapping surface 9 Outer peripheral sealing member 10 Negative electrode composite body 12 Case 16 Air electrode current collector 17 Electrolyte 19, 19A Air electrode 21 Air battery cell 23 , 23A Air electrode layer 23a Crease 23b Plane portion

100, 100A Lithium-air battery 101 Foamed copper 102 Solid electrolyte 103 Cellulose separator 104 Negative electrode current collector 107 Gasket 108 Gasket overlap surface 109 Epoxy adhesive 110 Negative electrode composite 113 Positive electrode 114 Lithium hydroxide aqueous solution 115 Container

200 Lithium-air battery 201 Metal lithium plate 202 Solid electrolyte 203 Buffer layer 217 Electrolyte 219 Air electrode 210 Negative electrode composite 212 Case

301 Metal Lithium 302 Solid Electrolyte 303 Cellulose Separator 304 Negative Electrode Current Collector 307 Gasket 309 Epoxy Adhesive 310 Negative Electrode Composite

f Metal lithium p Pore P Internal pressure

Claims (7)

板状または線状の負極集電体と、
前記負極集電体に連結された多数の孔隙を有する多孔質金属からなり、前記孔隙が、金属リチウム、リチウム合金、およびリチウム化合物から選択される少なくとも1種で充填されている負極層と、
前記負極層の全部を挟み込む、リチウムイオン伝導性を有する板形状の2つの隔離層と
前記負極層を取り囲むように前記2つの隔離層間に配置され、前記2つの隔離層の間の空間を密閉するガスケットと
を備えるリチウム空気電池の負極複合体。
A plate-like or linear negative electrode current collector;
A negative electrode layer comprising a porous metal having a plurality of pores connected to the negative electrode current collector, wherein the pores are filled with at least one selected from metallic lithium, a lithium alloy, and a lithium compound;
Two plate-shaped isolation layers having lithium ion conductivity sandwiching the whole negative electrode layer ;
A negative electrode composite of a lithium air battery , comprising: a gasket disposed between the two isolation layers so as to surround the negative electrode layer and sealing a space between the two isolation layers .
前記負極層と前記隔離層との間に、緩衝層をさらに備える請求項に記載の負極複合体。 The negative electrode composite according to claim 1 , further comprising a buffer layer between the negative electrode layer and the isolation layer. 前記2つの隔離層間を密閉封止する外周封止部材を、前記2つの隔離層の外周部にさらに備える請求項1または2に記載のリチウム空気電池の負極複合体。 Wherein the outer peripheral sealing member of two isolated layers for hermetic seal, the anode composite of lithium-air battery according to claim 1 or 2 further comprising an outer peripheral portion of the two isolation layers. 請求項のいずれかに記載の負極複合体と、
導電性材料を含有して前記負極複合体の少なくとも一面に対向する空気極層と、前記空気極層に電気的に接続される板状または線状の空気極集電体とを備える空気極と
を備えるリチウム空気電池。
The negative electrode composite according to any one of claims 1 to 3 ,
An air electrode comprising a conductive material and an air electrode layer facing at least one surface of the negative electrode composite; and a plate-like or linear air electrode current collector electrically connected to the air electrode layer; A lithium-air battery comprising:
前記負極複合体の一面と、前記負極複合体の一面に対向する前記空気極層の一面とが空気電池セルを構成し、複数の前記空気電池セルが並列に接続されている、請求項に記載のリチウム空気電池。 And one surface of the negative electrode composite, the one surface of the air electrode layer opposite to the one surface of the negative electrode composite and constitute the air battery cell, a plurality of the air battery cells are connected in parallel, in claim 4 The lithium air battery as described. 前記空気極層が、葛折りに折れ曲がり、
複数の前記負極複合体が、前記空気極層の折り目と折り目との間にある平面部に挟み込まれる請求項に記載のリチウム空気電池。
The air electrode layer is bent in a twisted manner,
5. The lithium-air battery according to claim 4 , wherein the plurality of negative electrode composites are sandwiched between flat portions between the folds of the air electrode layer.
前記負極複合体と前記空気極とを収容するケースと、
前記ケース内に蓄えられて少なくとも前記空気極に接して前記空気極と前記負極複合体との間でリチウムイオンの伝導を担う電解質とをさらに備える請求項のいずれかに記載のリチウム空気電池。
A case for housing the negative electrode composite and the air electrode;
The lithium air according to any one of claims 4 to 6 , further comprising an electrolyte stored in the case and in contact with at least the air electrode to conduct lithium ions between the air electrode and the negative electrode composite. battery.
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