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).
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
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-
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-
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.
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
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
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−xMxN(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
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
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
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
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LiM2(PO4)3(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+xM2−xM’x(PO4)3(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LiM2(PO4)3(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−xM2−xM”x(PO4)3(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−xAlxP3−ySiyO12(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
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
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、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiTFSI(Li(CF3SO2)2N)、Li(C2F4SO2)2N、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等である。
The
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104〜105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、BaTiO3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
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LiPF6(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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。
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
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
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
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
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
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、MnO2、CeO2、Co3O4、NiO、V2O5、Fe2O3、ZnO、CuO、La1.6Sr0.4NiO4、La2NiO4、La0.6Sr0.4FeO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、La0.8Sr0.2MnO3、Mn1.5Co1.5O4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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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-
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-
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LiPF6)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
(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
(2) The
(3) The
(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
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/cm2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
(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/cm2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
[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LiPF6)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
(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
(2) On one
(3) The upper
(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
(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
[放電試験]
実施例1および比較例1のセルにおいて、4mA/cm2(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.
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
100, 100A Lithium-
200 Lithium-
f Metal lithium p Pore P Internal pressure
Claims (7)
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 .
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:
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4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4〜6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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