JP6296542B2 - Electrolyte for zinc secondary battery and zinc secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、亜鉛二次電池用電解質及び亜鉛二次電池に関する。更に詳細には、本発明は、充放電サイクル特性を向上し得る亜鉛二次電池用電解質及びこれを用いた亜鉛二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte for a zinc secondary battery and a zinc secondary battery. More specifically, the present invention relates to a zinc secondary battery electrolyte capable of improving charge / discharge cycle characteristics and a zinc secondary battery using the same.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)などの導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵となるモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。モータ駆動用二次電池としては、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。また、電気自動車やプラグインハイブリッド電気自動車、ハイブリッド電気自動車の更なる普及には二次電池の低コスト化も急務である。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired. In the automobile industry, there are high expectations for the reduction of carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), hybrid electric vehicles (HEV), etc., and these are the keys to commercialization of these. The development of secondary batteries for motor driving is actively performed. As a secondary battery for driving a motor, a lithium ion secondary battery having a high energy density has attracted attention, and is currently being developed rapidly. In addition, for further popularization of electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and hybrid electric vehicles, it is urgent to reduce the cost of secondary batteries.
しかしながら、電気自動車では、ガソリン自動車並みの性能と共に、1充電当たりの航続距離がガソリン自動車に匹敵することが求められており、従来のリチウムイオン二次電池の技術的改善では、目標到達が非常に難しいことが指摘されている。 However, electric vehicles are required to have a cruising distance per charge comparable to that of gasoline vehicles, as well as performance equivalent to that of gasoline vehicles. The technological improvement of conventional lithium-ion secondary batteries has greatly reached the target. It has been pointed out that it is difficult.
そこで、リチウムイオン二次電池を凌駕するより高いエネルギー密度化を実現し得る電池として、金属空気電池が注目を浴びている。
特に、車載用の二次電池には体積当たりのエネルギー密度が高いことが要求され、金属空気電池の中でも亜鉛空気二次電池が有望であると考えられる。
また、現在、一部のハイブリッド電気自動車に用いられているニッケル水素二次電池は、負極として用いている水素吸蔵合金のコストが高く、負極の低コスト化が求められている。
そして、負極の低コスト化の観点からは、ニッケル亜鉛二次電池の実用化に対する要求が高い。
このように、亜鉛や亜鉛酸化物を負極に適用する二次電池の実用化に対する要求は高い。
Therefore, metal-air batteries are attracting attention as batteries that can achieve higher energy density than lithium ion secondary batteries.
In particular, in-vehicle secondary batteries are required to have a high energy density per volume, and zinc-air secondary batteries are considered promising among metal-air batteries.
Further, nickel-metal hydride secondary batteries currently used in some hybrid electric vehicles have a high cost for the hydrogen storage alloy used as the negative electrode, and the cost of the negative electrode is required to be reduced.
And from a viewpoint of cost reduction of a negative electrode, the request | requirement with respect to practical use of a nickel zinc secondary battery is high.
Thus, there is a high demand for practical use of a secondary battery in which zinc or zinc oxide is applied to the negative electrode.
従来、亜鉛や亜鉛酸化物を負極に適用する二次電池としては、水酸化カリウムを含む電解液を用いた二次電池が知られている(特許文献1参照。)。 Conventionally, as a secondary battery in which zinc or zinc oxide is applied to the negative electrode, a secondary battery using an electrolytic solution containing potassium hydroxide is known (see Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1に記載の亜鉛や亜鉛酸化物を負極に適用した二次電池は、溶解した亜鉛のデンドライト析出の対策が十分でなく、充放電サイクルの寿命が非常に短いという問題点があった。
However, the secondary battery in which zinc or zinc oxide described in
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、亜鉛のデンドライト析出を抑制ないし防止し、充放電サイクル特性を向上し得る亜鉛二次電池用電解質及びこれを用いた亜鉛二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. And an object of this invention is to provide the electrolyte for zinc secondary batteries which can suppress thru | or prevent the dendrite precipitation of zinc, and can improve charging / discharging cycling characteristics, and a zinc secondary battery using the same.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、一般式(1)で表される構造を有する有機物と水とからなる溶媒と、水酸化物と、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩と、を含み、一般式(1)で表される構造を有する有機物の含有量が、30質量%以上である構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object. As a result, seen containing a solvent consisting of an organic substance and water having a structure represented by the general formula (1), a hydroxide, a salt comprising an alkali metal cation and an anion, and the general formula (1) It has been found that the above object can be achieved when the content of the organic substance having the structure represented is 30% by mass or more, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の亜鉛二次電池用電解質は、一般式(1)で表される構造を有する有機物と水とからなる溶媒と、水酸化物と、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩と、を含み、一般式(1)で表される構造を有する有機物の含有量が、30質量%以上であるものである。 That is, the electrolyte for a zinc secondary battery of the present invention comprises a solvent comprising an organic substance having a structure represented by the general formula (1) and water, a hydroxide, a salt comprising an alkali metal cation and an anion, only containing the content of the organic substance having the structure represented by the general formula (1) is what is at least 30 mass%.
また、本発明の亜鉛二次電池は、上記本発明の亜鉛二次電池用電解質を備えたものである。 Moreover, the zinc secondary battery of this invention is equipped with the electrolyte for zinc secondary batteries of the said this invention.
本発明によれば、一般式(1)で表される構造を有する有機物と水とからなる溶媒と、水酸化物と、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩と、を含み、一般式(1)で表される構造を有する有機物の含有量が、30質量%以上である構成とした。 According to the present invention, seen containing a solvent consisting of an organic substance and water having a structure represented by the general formula (1), a hydroxide, a salt comprising an alkali metal cation and an anion, the general formula ( It was set as the structure whose content of the organic substance which has a structure represented by 1) is 30 mass% or more .
そのため、亜鉛のデンドライト析出を抑制ないし防止し、充放電サイクル特性を向上し得る亜鉛二次電池用電解質及びこれを用いた亜鉛二次電池を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a zinc secondary battery electrolyte capable of suppressing or preventing zinc dendrite precipitation and improving charge / discharge cycle characteristics, and a zinc secondary battery using the same.
以下、本発明の一実施形態に係る亜鉛二次電池用電解質及びこれを用いた亜鉛二次電池について説明する。 Hereinafter, an electrolyte for a zinc secondary battery and a zinc secondary battery using the same according to an embodiment of the present invention will be described.
まず、本発明の一実施形態に係る亜鉛二次電池用電解質について詳細に説明する。本実施形態の亜鉛二次電池用電解質は、一般式(1)で表される構造を有する有機物と水とからなる溶媒と、水酸化物と、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩と、を含むものである。 First, an electrolyte for a zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail. The electrolyte for a zinc secondary battery of the present embodiment comprises a solvent comprising an organic substance having a structure represented by the general formula (1) and water, a hydroxide, and a salt comprising an alkali metal cation and an anion. Is included.
このような構成にすると、亜鉛放電生成物の溶解が制御され、亜鉛二次電池に適用したとき、亜鉛のデンドライト析出が抑制ないし防止され、充放電サイクル特性が向上する。また、このような構成にすると、亜鉛二次電池に適用したとき、充放電効率が優れたものとなる。 With such a configuration, dissolution of the zinc discharge product is controlled, and when applied to a zinc secondary battery, the dendrite precipitation of zinc is suppressed or prevented, and the charge / discharge cycle characteristics are improved. Moreover, when it is set as such a structure, when it applies to a zinc secondary battery, it will become what was excellent in charging / discharging efficiency.
なお、水酸化物と、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩とを含み、OH−伝導性を有する電解質を得ることができるため、亜鉛や亜鉛酸化物を適用した負極における充放電の反応が可能となる。
なお、本発明における亜鉛又は亜鉛酸化物の充放電反応は下記の式(2)〜(4)の反応によるものと考えている。
ここで、亜鉛は0価の亜鉛であり、亜鉛の酸化物は2価の亜鉛と推察しているが、充放電過程で2価以外の亜鉛酸化物が生成している可能性もあり、これらの酸化物の場合が本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
In addition, since an electrolyte having hydroxide and an alkali metal cation and anion and having OH - conductivity can be obtained, a charge / discharge reaction in a negative electrode to which zinc or zinc oxide is applied is possible. It becomes.
In addition, it is thought that the charging / discharging reaction of zinc or zinc oxide in this invention is based on reaction of following formula (2)-(4).
Here, zinc is zero-valent zinc, and the oxide of zinc is presumed to be divalent zinc. However, zinc oxide other than divalent may be generated in the charge / discharge process. It goes without saying that the case of the oxide is included in the scope of the present invention.
また、アルカリ金属カチオンとしては、例えば、リチウムカチオン(Li+)、ナトリウムカチオン(Na+)、カリウムカチオン(K+)、ルビジウムカチオン(Rb+)、セシウムカチオン(Cs+)などを挙げることができる。また、アルカリ金属カチオンに代えてアルカリ土類金属カチオンを適用してもよく、アルカリ土類金属カチオンとしては、例えば、ベリリウムカチオン(Be2+)、マグネシウムカチオン(Mg2+)、カルシウムカチオン(Ca2+)、ストロンチウムカチオン(Sr2+)、バリウムカチオン(Ba2+)などを挙げることができる。 Examples of the alkali metal cation include lithium cation (Li + ), sodium cation (Na + ), potassium cation (K + ), rubidium cation (Rb + ), and cesium cation (Cs + ). . Further, an alkaline earth metal cation may be applied instead of the alkali metal cation. Examples of the alkaline earth metal cation include beryllium cation (Be 2+ ), magnesium cation (Mg 2+ ), and calcium cation (Ca 2+ ). Strontium cation (Sr 2+ ), barium cation (Ba 2+ ) and the like.
更に、溶媒は、一般式(1)で表される構造を有する有機物と水とからなり、有機物としては、代表的には、ポリエチレングリコール(PEG)を挙げることができる。また、ポリエチレングリコール(PEG)は、通常、末端が水酸基である。なお、有機物の末端は水酸基であることが好ましい。このような構成とすると、アルカリ金属カチオン又はアルカリ土類金属カチオンとアニオンとからなる塩との相溶性が向上し、電解質中の有機物、塩の含有量を任意に変更することが可能となり、デンドライトの析出を効果的に抑制ないし防止することができる。これにより、充放電サイクル特性を向上させることができる。 Furthermore, the solvent is composed of an organic substance having a structure represented by the general formula (1) and water, and a typical example of the organic substance is polyethylene glycol (PEG). Polyethylene glycol (PEG) usually has a hydroxyl group at the end. In addition, it is preferable that the terminal of organic substance is a hydroxyl group. With such a configuration, the compatibility of the salt composed of an alkali metal cation or alkaline earth metal cation and an anion is improved, and it becomes possible to arbitrarily change the content of organic matter and salt in the electrolyte. Can be effectively suppressed or prevented. Thereby, charge / discharge cycle characteristics can be improved.
現時点においては、以下のようなメカニズムにより、その効果が得られていると考えている。 At present, we believe that the effect is obtained by the following mechanism.
従来は、水を溶媒として、塩として水酸化物を加えることにより、亜鉛や亜鉛酸化物を適用した負極を備えた二次電池に適用される電解質とすることが一般的である。しかしながら、このような電解質を用いた場合は、亜鉛放電生成物の溶解が制御されることがない。従って、この状態で亜鉛の充放電反応を繰り返すと、充放電に伴う亜鉛の形状変化やデンドライト析出が抑制されることがなく、サイクル寿命が短い。更に、一般式(1)で表される構造を有する有機物の一例であるポリエチレングリコール(PEG)と水とからなる溶媒に、塩として水酸化物の一例である水酸化カリウム(KOH)のみを添加した電解質では、PEGの濃度が増加するに従って、亜鉛放電生成物の溶解度が増加する。この状態では、従来と同様に亜鉛の充放電反応を繰り返すと、充放電に伴う亜鉛の形状変化やデンドライト析出が抑制されることがなく、サイクル寿命の改善は得られない。これは、一般式(1)中のエーテル酸素に、水酸化カリウム(KOH)のカリウムカチオン(K+)が配位して、PEG−K+/OH−が形成される(キレート効果)が、解離したOH−が亜鉛放電生成物と反応し、Zn(OH)4 2−がPEG−K+と電気的中性を保つように再配位するため、亜鉛放電生成物の溶解度が大きくなるものと推察している。
そこで、例えば、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩として、炭酸カリウム(K2CO3)などの無関係塩を共存させることにより、水酸化カリウム(KOH)が本来配位するエーテル酸素に炭酸カリウム(K2CO3)が先に配位することにより、水酸化カリウム(KOH)はPEGの拘束から逃れているものと推測している。なお、炭酸カリウム(K2CO3)が先に配位する根拠はHSAB則である。PEGを高濃度に添加することにより、水の活量を低減させつつ、水酸化カリウム(KOH)とエーテル酸素の錯化を炭酸カリウム(K2CO3)などのアルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩により防止するというPEGと塩の混合による複合効果により、亜鉛放電生成物の溶解度を制御することが可能となり、亜鉛のデンドライト析出が抑制ないし防止され、充放電サイクル特性が向上するものと推察している。
Conventionally, an electrolyte applied to a secondary battery having a negative electrode to which zinc or zinc oxide is applied is generally obtained by adding water as a solvent and a hydroxide as a salt. However, when such an electrolyte is used, dissolution of the zinc discharge product is not controlled. Therefore, when the charge / discharge reaction of zinc is repeated in this state, the shape change of zinc and the dendrite precipitation accompanying charge / discharge are not suppressed, and the cycle life is short. Furthermore, only potassium hydroxide (KOH), which is an example of a hydroxide, is added as a salt to a solvent composed of polyethylene glycol (PEG), which is an example of an organic substance having a structure represented by the general formula (1), and water. In the electrolyte, the solubility of the zinc discharge product increases as the concentration of PEG increases. In this state, when the charge / discharge reaction of zinc is repeated as in the conventional case, the shape change of zinc and the dendrite precipitation accompanying charge / discharge are not suppressed, and the cycle life cannot be improved. This is because the potassium cation (K + ) of potassium hydroxide (KOH) is coordinated to the ether oxygen in the general formula (1) to form PEG-K + / OH − (chelating effect). The dissociated OH − reacts with the zinc discharge product, and Zn (OH) 4 2− re-coordinates with PEG-K + so as to maintain electrical neutrality, so that the solubility of the zinc discharge product is increased. I guess.
Therefore, for example, as a salt composed of an alkali metal cation and an anion, an irrelevant salt such as potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is allowed to coexist, whereby potassium carbonate (KOH) is originally coordinated with ether carbonate (KOH). It is presumed that potassium hydroxide (KOH) has escaped from PEG restraint by K 2 CO 3 ) coordinating first. The basis for potassium carbonate (K 2 CO 3 ) to be coordinated first is the HSAB rule. By adding PEG to a high concentration, the water activity is reduced, and complexation of potassium hydroxide (KOH) and ether oxygen consists of an alkali metal cation such as potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and an anion. The combined effect of the mixture of PEG and salt, which is prevented by salt, makes it possible to control the solubility of zinc discharge products, suppress or prevent zinc dendrite precipitation, and improve charge / discharge cycle characteristics. ing.
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。 However, the above mechanism is based on estimation. Therefore, it goes without saying that even if the above-described effect is obtained by a mechanism other than the above-described mechanism, it is included in the scope of the present invention.
また、本実施形態においては、有機物の分子量が、50000g/mol以下であることが好ましく、2000g/mol以下であることがより好ましく、1000g/mol以下であることが更に好ましい。有機物の分子量が、50000g/mol以下であると、アルカリ金属のカチオンを含む塩を混合した際に、液体状態となるため、高いイオン伝導性を有するものとなる。また、有機物の分子量が、2000g/mol以下であると、アルカリ水溶液との親和性が増して、高濃度の有機物をアルカリ水溶液と混合することが可能となる。これにより、水系アルカリ電解液中の水の活量を低減させることができ、亜鉛放電生成物の溶解度を効果的に制御することが可能となり、充放電サイクル特性を効果的に向上させることができる。特に、有機物の分子量が、1000g/mol以下であると、その効果が顕著である。しかしながら、このような数値範囲に限定されるものではない。 Moreover, in this embodiment, it is preferable that the molecular weight of organic substance is 50000 g / mol or less, It is more preferable that it is 2000 g / mol or less, It is still more preferable that it is 1000 g / mol or less. When the molecular weight of the organic substance is 50000 g / mol or less, it becomes a liquid state when a salt containing an alkali metal cation is mixed, and thus has high ionic conductivity. Further, when the molecular weight of the organic substance is 2000 g / mol or less, the affinity with the alkaline aqueous solution increases, and it becomes possible to mix a high concentration organic substance with the alkaline aqueous solution. Thereby, the activity of water in the aqueous alkaline electrolyte can be reduced, the solubility of the zinc discharge product can be effectively controlled, and the charge / discharge cycle characteristics can be effectively improved. . In particular, the effect is significant when the molecular weight of the organic substance is 1000 g / mol or less. However, it is not limited to such a numerical range.
ここで、「分子量」は、例えば光散乱法などで求めることができる重量平均分子量を意味する。 Here, “molecular weight” means a weight average molecular weight that can be determined by, for example, a light scattering method.
更に、本実施形態においては、有機物の含有量が、30質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましい。有機物の含有量を30質量%以上とすると、水系電解液中の水の活量を低減することができ、さらにカリウムカチオンが有機物のエーテル酸素に配位することで、亜鉛放電生成物の電解質への溶解度を制御することができる。特に、有機物の含有量を60質量%以上とすると、その効果が顕著である。しかしながら、このような数値範囲に限定されるものではない。 Furthermore, in this embodiment, it is preferable that content of organic substance is 30 mass% or more, and it is more preferable that it is 60 mass% or more. When the content of the organic substance is 30% by mass or more, the activity of water in the aqueous electrolyte solution can be reduced, and further, the potassium cation is coordinated to the ether oxygen of the organic substance, so that the electrolyte of the zinc discharge product can be obtained. Can be controlled. In particular, when the content of the organic substance is 60% by mass or more, the effect is remarkable. However, it is not limited to such a numerical range.
また、本実施形態においては、アルカリ金属カチオンが、カリウムカチオン(K+)であることが好ましい。このような構成とすると、カリウムカチオン(K+)を含む塩を水系の電解質へ高濃度で溶解させることができ、塩のカチオンが有機物と配位結合することが阻害され、効果的に亜鉛放電生成物の溶解性を制御することが可能となる。その結果、高いイオン伝導性を有する電解質となる。 In the present embodiment, the alkali metal cation is preferably a potassium cation (K + ). With such a configuration, a salt containing potassium cations (K + ) can be dissolved in an aqueous electrolyte at a high concentration, and the salt cations are inhibited from coordinating with organic substances, thereby effectively discharging zinc. It becomes possible to control the solubility of the product. As a result, the electrolyte has high ionic conductivity.
更に、本実施形態においては、アルカリ金属カチオンの対になるアニオンが、水酸化物イオンよりも柔らかい塩基であることが好ましい。具体的には、CH3COO−、Cl−、ClO4 −、NO3 −、SO4 2−、CO3 2−、PO4 3−などを挙げることができる。このような構成とすると、有機物にカチオンが配位した状態に水酸化物イオンよりも高い配位能を有することとなる。その結果、電解質中でのフリーな水酸化物イオンを低減することができ、亜鉛放電生成物の溶解度を効果的に制御することが可能となり、充放電サイクル特性を効果的に向上させることができる。 Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the anion which becomes a pair of alkali metal cations is a softer base than the hydroxide ions. Specifically, CH 3 COO − , Cl − , ClO 4 − , NO 3 − , SO 4 2− , CO 3 2− , PO 4 3− and the like can be mentioned. With such a configuration, the organic substance has higher coordination ability than hydroxide ions in a state where cations are coordinated. As a result, free hydroxide ions in the electrolyte can be reduced, the solubility of the zinc discharge product can be effectively controlled, and the charge / discharge cycle characteristics can be effectively improved. .
また、本実施形態においては、アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩が、炭酸カリウム(K2CO3)であることが好ましい。炭酸カリウム(K2CO3)は、アルカリ水溶液への高い相溶性を示すため、有機物と任意の割合で混合することが可能であり、亜鉛放電生成物の溶解度を効果的に制御することができる。その結果、充放電サイクル特性を効果的に向上させることができる。
また、後述する実施例に記載の通り、一般的に0.5Mから1M程度のアルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩を添加することが好ましいが、粘度、イオン導電率などの電解液の基本的性能を勘案して当該電池に要求されるレート特性、容量などに最適な濃度の電解液を用いる。
In the present embodiment, salt comprising an alkali metal cation and an anion is preferably potassium carbonate (
In addition, as described in the examples described later, it is generally preferable to add a salt composed of an alkali metal cation of about 0.5M to 1M and an anion, but the basic electrolyte solution such as viscosity and ionic conductivity is preferred. In consideration of performance, an electrolytic solution having an optimum concentration for the rate characteristics and capacity required for the battery is used.
次に、本発明の一実施形態に係る亜鉛二次電池について詳細に説明する。
本実施形態の亜鉛二次電池は、例えば、亜鉛又は亜鉛酸化物を適用した負極と、空気極を適用した正極と、上述した亜鉛二次電池用電解質とを備えるものである。このような亜鉛空気二次電池の構成にすると、高エネルギー密度の二次電池となり、かつ、亜鉛のデンドライト析出を抑制ないし防止し、充放電サイクル特性が向上する。
また、本実施形態の亜鉛二次電池は、例えば、亜鉛又は亜鉛酸化物を適用した負極と、ニッケル極(Ni(OH)2、NiOOH)を適用した正極と、上述した亜鉛二次電池用電解質とを備えるものである。このようなニッケル亜鉛二次電池の構成にすると、ハイブリッド電気自動車用の二次電池として用いられているニッケル水素二次電池に比べ、安価な二次電池となり、かつ、亜鉛のデンドライト析出を抑制ないし防止し、充放電サイクル特性が向上する。
Next, a zinc secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
The zinc secondary battery of this embodiment includes, for example, a negative electrode to which zinc or zinc oxide is applied, a positive electrode to which an air electrode is applied, and the above-described electrolyte for a zinc secondary battery. When such a zinc-air secondary battery is configured, it becomes a secondary battery having a high energy density, suppresses or prevents zinc dendrite precipitation, and improves charge / discharge cycle characteristics.
The zinc secondary battery of the present embodiment includes, for example, a negative electrode to which zinc or zinc oxide is applied, a positive electrode to which a nickel electrode (Ni (OH) 2 , NiOOH) is applied, and the above-described electrolyte for a zinc secondary battery. Are provided. Such a nickel-zinc secondary battery has a secondary battery that is less expensive than a nickel-hydrogen secondary battery used as a secondary battery for a hybrid electric vehicle and suppresses zinc dendrite deposition. And charge / discharge cycle characteristics are improved.
以下、上述した電解質以外の各構成要素について詳細に説明する。 Hereinafter, each component other than the electrolyte described above will be described in detail.
空気極(正極)としては、例えば、酸素還元触媒、必要に応じて含まれる結着剤及び集電体で構成された空気極を好適に用いることができる。また、酸素還元触媒としては、触媒活性の観点から、二酸化マンガン、ペロブスカイト型酸化物、貴金属、ニッケル金属などを適用することが好ましい。また、集電体としては、例えば、炭素系集電体、金属系集電体を挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、亜鉛空気電池の空気極(正極)に用いられる従来公知の材料を適宜用いることができる。
また、ニッケル極(正極)としては、例えば、正極活物質にNi(OH)2やNi(OOH)、必要に応じて含まれる電子伝導性助剤、結着剤及び集電体で構成されたニッケル極を好適に用いることができる。正極活物質としては、耐久性などの観点から、オキシ水酸化ニッケル(Ni(OOH))を主たる成分とする金属水酸化物を適用することが好ましい。また、集電体としては、例えば、発泡ニッケルを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、ニッケル亜鉛二次電池のニッケル極(正極)に用いられる従来公知の材料を適宜用いることができる。
As the air electrode (positive electrode), for example, an air electrode composed of an oxygen reduction catalyst, a binder contained as necessary, and a current collector can be suitably used. As the oxygen reduction catalyst, it is preferable to apply manganese dioxide, perovskite oxide, noble metal, nickel metal, etc. from the viewpoint of catalytic activity. Examples of the current collector include a carbon-based current collector and a metal-based current collector. However, it is not limited to these, The conventionally well-known material used for the air electrode (positive electrode) of a zinc air battery can be used suitably.
Further, the nickel electrode (positive electrode) is composed of, for example, Ni (OH) 2 or Ni (OOH) in the positive electrode active material, an electron conductive auxiliary agent, a binder, and a current collector that are included as necessary. A nickel electrode can be suitably used. As the positive electrode active material, it is preferable to apply a metal hydroxide containing nickel oxyhydroxide (Ni (OOH)) as a main component from the viewpoint of durability and the like. Examples of the current collector include nickel foam. However, it is not limited to these, The conventionally well-known material used for the nickel electrode (positive electrode) of a nickel zinc secondary battery can be used suitably.
負極としては、エネルギー密度や充放電効率、サイクル寿命を考慮すると、亜鉛及び亜鉛酸化物(例えば酸化亜鉛、水酸化亜鉛など。)のいずれか一方又は双方を負極活物質として含むものであることが好ましい。しかしながら、これらに限定されるものではなく、亜鉛空気電池やニッケル亜鉛二次電池の亜鉛負極に用いられる従来公知の材料を適宜用いることができる。 In consideration of energy density, charge / discharge efficiency, and cycle life, the negative electrode preferably contains one or both of zinc and zinc oxide (for example, zinc oxide, zinc hydroxide) as the negative electrode active material. However, it is not limited to these, The conventionally well-known material used for the zinc negative electrode of a zinc air battery or a nickel zinc secondary battery can be used suitably.
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.
(実施例1)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)と、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
Example 1
<Production of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) was prepared so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH), 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), and 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ). ) Aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
まず、作用電極を作製した。亜鉛板(厚さ:1mm)を所定の大きさに切り出し、表面をエタノールで洗浄して、本例で用いる作用電極とした。次いで、対電極を作製した。発泡ニッケルを集電体とし、これにオキシ水酸化ニッケルペーストを定着させ、成型して、本例で用いる対電極とした。なお、Hg/HgO電極を参照電極とした。しかる後、これらを用いて、図1に示すような本例の試験セルを作製した。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) +0.5 M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
First, a working electrode was produced. A zinc plate (thickness: 1 mm) was cut into a predetermined size, and the surface was washed with ethanol to obtain a working electrode used in this example. Next, a counter electrode was produced. Nickel foam was used as a current collector, and a nickel oxyhydroxide paste was fixed to the current collector and molded into a counter electrode used in this example. The Hg / HgO electrode was used as a reference electrode. Thereafter, using these, a test cell of this example as shown in FIG. 1 was produced.
図1は試験セルを模試的に示した断面図である。1は作用電極であり、2は対電極であり、3は電解質であり、4は参照電極である。試験セルは、円筒形の躯体5の底部に作用電極1を配置し、底部ホルダー6を締め付けて装着した。次いで、作用電極1を装着した円筒形の躯体5の内部に電解質3を満たし、対電極2と参照電極4を装着した蓋7を円筒形の躯体5に回転させ、装着し、組み立てた。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a test cell. 1 is a working electrode, 2 is a counter electrode, 3 is an electrolyte, and 4 is a reference electrode. In the test cell, the working
[アノード分極試験(亜鉛放電生成物の溶解性評価)]
亜鉛のアノード反応(放電反応)は、反応時にZn(OH)4 2−が中間可溶成分として生成し(下式[1])、反応の進行に伴い電極表面のZn(OH)4 2−の濃度が上昇、飽和することによって、ZnOとして電極表面に析出する(下式[2])溶解析出反応である。そこで、亜鉛の放電生成物の溶解性の評価は、定電流アノード分極試験を行うことによって、下式[1]の反応時間を測定し、その時間を亜鉛放電生成物の溶解性として評価した。
[Anode polarization test (evaluation of solubility of zinc discharge products)]
In the anodic reaction (discharge reaction) of zinc, Zn (OH) 4 2− is generated as an intermediate soluble component during the reaction (the following formula [1]), and Zn (OH) 4 2− on the electrode surface as the reaction proceeds. This is a dissolution precipitation reaction that precipitates on the electrode surface as ZnO (the following formula [2]). Accordingly, the solubility of the zinc discharge product was evaluated by measuring the reaction time of the following formula [1] by conducting a constant current anodic polarization test, and evaluating the time as the solubility of the zinc discharge product.
Zn+4OH−=Zn(OH)4 2−+2e−(E0=−1.25V)・・・[1]
Zn(OH)4 2−=ZnO+H2O+2OH−・・・[2]
Zn + 4OH − = Zn (OH) 4 2 + 2e − (E 0 = −1.25 V) [1]
Zn (OH) 4 2− = ZnO + H 2 O + 2OH − [2]
具体的なアノード分極試験は、試験セルの開回路電圧が安定するのを待って、電気化学測定システムを用い、±0.5mAの定電流でアノード分極を行い、作用電極の電位が−1.18V(対Hg/HgO)となった時点で試験を終了し、その時点までの時間を測定した。比較例1の電解質でのアノード分極試験から算出した亜鉛放電生成物の溶解性を1とした場合の、本例における亜鉛放電生成物の溶解性の評価結果を図2に示す。 A specific anodic polarization test waits for the open circuit voltage of the test cell to stabilize, then performs anodic polarization with a constant current of ± 0.5 mA using an electrochemical measurement system, and the potential of the working electrode is -1. The test was terminated when the voltage reached 18 V (vs. Hg / HgO), and the time until that time was measured. FIG. 2 shows the evaluation results of the solubility of the zinc discharge product in this example when the solubility of the zinc discharge product calculated from the anodic polarization test with the electrolyte of Comparative Example 1 is 1.
[充放電サイクル試験]
充放電サイクル試験は、亜鉛負極の容量を規定した条件下で実施した。具体的には、銅板を集電体として用い、その表面に一定量の亜鉛を電析させ容量既知の亜鉛負極を作製した。この亜鉛負極を用いて、図1に示すような試験セルを用いて充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験は、亜鉛負極の全容量に対して25%の亜鉛容量を使用する条件下(充放電深度25%)で実施した。充放電サイクル試験は、定電流で実施し、電流値はCレートで1.25とした。また、充放電時のカットオフ電位は充電時が−2.0V vs.Hg/HgO、放電時が−1.1V vs.Hg/HgOとした。充放電サイクル試験の結果を図3に示す。
[Charge / discharge cycle test]
The charge / discharge cycle test was carried out under conditions that defined the capacity of the zinc negative electrode. Specifically, a copper plate was used as a current collector, and a certain amount of zinc was electrodeposited on the surface to produce a zinc negative electrode with a known capacity. Using this zinc negative electrode, a charge / discharge cycle test was conducted using a test cell as shown in FIG. The charge / discharge cycle test was carried out under conditions using a zinc capacity of 25% with respect to the total capacity of the zinc negative electrode (charge / discharge depth 25%). The charge / discharge cycle test was performed at a constant current, and the current value was 1.25 at the C rate. The cut-off potential during charging / discharging is -2.0 V vs. charging. Hg / HgO, during discharge -1.1 V vs. Hg / HgO. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
[走査型電子顕微鏡観察]
上記と同様の条件で充放電サイクル試験を行い、100サイクルの充放電サイクル試験の後に、電池を解体し、亜鉛負極を取り出してイオン交換水で洗浄した。洗浄後に減圧下で亜鉛負極を乾燥し、走査型電子顕微鏡にて亜鉛負極表面の形状を観察した。走査型電子顕微鏡写真を図4に示す。
[Scanning electron microscope observation]
A charge / discharge cycle test was performed under the same conditions as described above, and after 100 charge / discharge cycle tests, the battery was disassembled, and the zinc negative electrode was taken out and washed with ion-exchanged water. After washing, the zinc negative electrode was dried under reduced pressure, and the shape of the zinc negative electrode surface was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron micrograph is shown in FIG.
(実施例2)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+1Mフッ化カリウム(KF)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)と、1Mフッ化カリウム(KF)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)、フッ化カリウム(KF)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 2)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 1M potassium fluoride (KF) aqueous solution)>
1M potassium hydroxide (KOH), 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) and 1M potassium fluoride (KF) so as to be a mixed aqueous solution, 8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene Glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), potassium fluoride (KF) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+1Mフッ化カリウム(KF)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 1M potassium fluoride (KF) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[アノード分極試験(亜鉛放電生成物の溶解性評価)]
実施例1と同様の方法でアノード分極試験を実施した。比較例1の電解質でのアノード分極試験から算出した亜鉛放電生成物の溶解性を1とした場合の、本例における亜鉛放電生成物の溶解性の評価結果を図2に示す。
[Anode polarization test (evaluation of solubility of zinc discharge products)]
An anodic polarization test was carried out in the same manner as in Example 1. FIG. 2 shows the evaluation results of the solubility of the zinc discharge product in this example when the solubility of the zinc discharge product calculated from the anodic polarization test with the electrolyte of Comparative Example 1 is 1.
[走査型電子顕微鏡観察]
実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行い、100サイクルの充放電サイクル試験の後に、電池を解体し、亜鉛負極を取り出してイオン交換水で洗浄した。洗浄後に減圧下で亜鉛負極を乾燥し、走査型電子顕微鏡にて亜鉛負極表面の形状を観察した。走査型電子顕微鏡写真を図5に示す。
[Scanning electron microscope observation]
A charge / discharge cycle test was performed under the same conditions as in Example 1. After 100 cycles of the charge / discharge cycle test, the battery was disassembled, and the zinc negative electrode was taken out and washed with ion-exchanged water. After washing, the zinc negative electrode was dried under reduced pressure, and the shape of the zinc negative electrode surface was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron micrograph is shown in FIG.
(実施例3)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+1M塩化カリウム(KCl)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)と、1M塩化カリウム(KCl)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)、塩化カリウム(KCl)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 3)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 1M potassium chloride (KCl) aqueous solution)>
1M potassium hydroxide (KOH), 60% by weight polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) and 1M potassium chloride (KCl) so as to be a mixed aqueous solution, 8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), potassium chloride (KCl) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+1M塩化カリウム(KCl)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1 M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) +1 M potassium chloride (KCl) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[アノード分極試験(亜鉛放電生成物の溶解性評価)]
実施例1と同様の方法でアノード分極試験を実施した。比較例1の電解質でのアノード分極試験から算出した亜鉛放電生成物の溶解性を1とした場合の、本例における亜鉛放電生成物の溶解性の評価結果を図2に示す。
[Anode polarization test (evaluation of solubility of zinc discharge products)]
An anodic polarization test was carried out in the same manner as in Example 1. FIG. 2 shows the evaluation results of the solubility of the zinc discharge product in this example when the solubility of the zinc discharge product calculated from the anodic polarization test with the electrolyte of Comparative Example 1 is 1.
[走査型電子顕微鏡観察]
実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行い、100サイクルの充放電サイクル試験の後に、電池を解体し、亜鉛負極を取り出してイオン交換水で洗浄した。洗浄後に減圧下で亜鉛負極を乾燥し、走査型電子顕微鏡にて亜鉛負極表面の形状を観察した。走査型電子顕微鏡写真を図6に示す。
[Scanning electron microscope observation]
A charge / discharge cycle test was performed under the same conditions as in Example 1. After 100 cycles of the charge / discharge cycle test, the battery was disassembled, and the zinc negative electrode was taken out and washed with ion-exchanged water. After washing, the zinc negative electrode was dried under reduced pressure, and the shape of the zinc negative electrode surface was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron micrograph is shown in FIG.
(実施例4)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)と、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
Example 4
<Production of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) was prepared so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH), 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol), and 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ). ) Aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)> <Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) +0.5 M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図8に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(実施例5)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+1Mフッ化カリウム(KF)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)と、1Mフッ化カリウム(KF)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)、フッ化カリウム(KF)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 5)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) + 1M potassium fluoride (KF) aqueous solution)>
1M potassium hydroxide (KOH), 60% by weight polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) and 1M potassium fluoride (KF) so as to be a mixed aqueous solution, 8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene Glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol), potassium fluoride (KF) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+1Mフッ化カリウム(KF)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) + 1M potassium fluoride (KF) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図8に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(実施例6)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+1M塩化カリウム(KCl)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)と、1M塩化カリウム(KCl)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)、塩化カリウム(KCl)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 6)
<Production of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) + 1M potassium chloride (KCl) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene glycol so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH), 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) and 1M potassium chloride (KCl) (PEG, molecular weight: 600 g / mol), potassium chloride (KCl) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)+1M塩化カリウム(KCl)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) + 1M potassium chloride (KCl) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図8に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(実施例7)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:200g/mol)+1M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:200g/mol)と、1M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:200g/mol)、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 7)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 200 g / mol) + 1M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH), 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 200 g / mol) and 1M potassium carbonate (K 2 CO 3 ). , Polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 200 g / mol), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:200g/mol)+1M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 200 g / mol) + 1M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図9に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(実施例8)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+30質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、30質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)と、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Example 8)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 30% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
1M potassium hydroxide (KOH), 30% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), and 8M potassium hydroxide (KOH) so as to be a mixed aqueous solution of 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ). ) Aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+30質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1 M potassium hydroxide (KOH) +30 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) +0.5 M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図10に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(参考例9)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+10質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、10質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)と、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
( Reference Example 9 )
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +10 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) was prepared so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH), 10% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), and 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ). ) Aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+10質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +10 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図10に示す
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The result of the charge / discharge cycle test is shown in FIG.
(比較例1)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Comparative Example 1)
<Production of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution)>
An 8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution and ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask so as to be 1M potassium hydroxide (KOH) to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[アノード分極試験(亜鉛放電生成物の溶解性評価)]
実施例1と同様の方法でアノード分極試験を実施した。比較例1の電解質でのアノード分極試験から算出した亜鉛放電生成物の溶解性を1とした場合の、本例の亜鉛放電生成物の溶解性の評価結果を図2に示す。
[Anode polarization test (evaluation of solubility of zinc discharge products)]
An anodic polarization test was carried out in the same manner as in Example 1. FIG. 2 shows the evaluation results of the solubility of the zinc discharge product of this example when the solubility of the zinc discharge product calculated from the anodic polarization test with the electrolyte of Comparative Example 1 is 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図3に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(比較例2)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:1000g/mol)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Comparative Example 2)
<Production of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol) so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH) and 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 1000 g / mol). ) And ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[アノード分極試験(亜鉛放電生成物の溶解性評価)]
実施例1と同様の方法でアノード分極試験を実施した。比較例1の電解質でのアノード分極試験から算出した亜鉛放電生成物の溶解性を1とした場合の、本例の亜鉛放電生成物の溶解性の評価結果を図2に示す。
[Anode polarization test (evaluation of solubility of zinc discharge products)]
An anodic polarization test was carried out in the same manner as in Example 1. FIG. 2 shows the evaluation results of the solubility of the zinc discharge product of this example when the solubility of the zinc discharge product calculated from the anodic polarization test with the electrolyte of Comparative Example 1 is 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図3に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
[走査型電子顕微鏡観察]
実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行い、100サイクルの充放電サイクル試験の後に、電池を解体し、亜鉛負極を取り出してイオン交換水で洗浄した。洗浄後に減圧下で亜鉛負極を乾燥し、走査型電子顕微鏡にて亜鉛負極表面の形状を観察した。走査型電子顕微鏡写真を図7に示す。
[Scanning electron microscope observation]
A charge / discharge cycle test was performed under the same conditions as in Example 1. After 100 cycles of the charge / discharge cycle test, the battery was disassembled, and the zinc negative electrode was taken out and washed with ion-exchanged water. After washing, the zinc negative electrode was dried under reduced pressure, and the shape of the zinc negative electrode surface was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron micrograph is shown in FIG.
(比較例3)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、炭酸カリウム(K2CO3)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Comparative Example 3)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
To obtain a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH) and 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ), 8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and ion-exchanged water were added. And weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+0.5M炭酸カリウム(K2CO3)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) + 0.5M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図3に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
(比較例4)
<電解質の作製(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)水溶液)>
1M水酸化カリウム(KOH)と、60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)の混合水溶液となるように、8M水酸化カリウム(KOH)水溶液、ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)及びイオン交換水を、メスフラスコ中で計量、混合し、本例の電解質を得た。
(Comparative Example 4)
<Preparation of electrolyte (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) aqueous solution)>
8M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) so as to be a mixed aqueous solution of 1M potassium hydroxide (KOH) and 60% by mass polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol). ) And ion-exchanged water were weighed and mixed in a volumetric flask to obtain the electrolyte of this example.
<電気化学測定セルの組み付け(1M水酸化カリウム(KOH)+60質量%ポリエチレングリコール(PEG、分子量:600g/mol)水溶液)>
実施例1の電解質に代えて、本例の電解質を使用した以外は、実施例1と同様のセル構成とした。
<Assembly of electrochemical measurement cell (1M potassium hydroxide (KOH) +60 mass% polyethylene glycol (PEG, molecular weight: 600 g / mol) aqueous solution)>
A cell configuration similar to that of Example 1 was used except that the electrolyte of this example was used instead of the electrolyte of Example 1.
[充放電サイクル試験]
実施例1と同様の方法で充放電サイクル試験を実施した。充放電サイクル試験の結果を図8に示す。
[Charge / discharge cycle test]
A charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge cycle test are shown in FIG.
そして、図2より、本発明の範囲に属する実施例1〜実施例3は、本発明外の比較例1及び比較例2と比較して、亜鉛放電生成物の溶解性を効果的に制御していることが分かる。このため、本発明の亜鉛二次電池用電解質は、本発明外の亜鉛二次電池用電解質と比較して、充放電サイクル特性を向上し得ることが分かる。その中でも、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)を適用した実施例1及び1M塩化カリウム(KCl)を適用した実施例2が亜鉛放電生成物の溶解性をより効果的に制御していることが分かる。このため、実施例1及び実施例2の亜鉛二次電池用電解質は、実施例3の亜鉛二次電池用電解質と比較して、充放電サイクル特性を向上し得ることが分かる。 As shown in FIG. 2, Examples 1 to 3 belonging to the scope of the present invention effectively control the solubility of zinc discharge products as compared with Comparative Examples 1 and 2 outside the present invention. I understand that For this reason, it turns out that the electrolyte for zinc secondary batteries of this invention can improve charging / discharging cycling characteristics compared with the electrolyte for zinc secondary batteries outside this invention. Among them, Example 1 to which 0.5 M potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is applied and Example 2 to which 1 M potassium chloride (KCl) is applied more effectively control the solubility of zinc discharge products. I understand that. For this reason, it turns out that the electrolyte for zinc secondary batteries of Example 1 and Example 2 can improve a charge / discharge cycle characteristic compared with the electrolyte for zinc secondary batteries of Example 3.
また、図3より、本発明の範囲に属する実施例1は、本発明外の比較例1〜比較例3と比較して、優れた充放電サイクル特性を有することが分かる。 Further, FIG. 3 shows that Example 1 belonging to the scope of the present invention has excellent charge / discharge cycle characteristics as compared with Comparative Examples 1 to 3 outside the present invention.
更に、図4〜図7より、本発明の範囲に属する実施例1〜実施例3には、デンドライト析出が確認されないが、本発明外の比較例1には、包囲線aで囲んだ部分にデンドライト析出が確認される。
なお、(充放電サイクル試験後の亜鉛負極体積)/(充放電サイクル試験前の亜鉛負極体積)×100から算出される維持率は、実施例1が98%であり、実施例2が62%であり、実施例3が80%であり、比較例1が58%である。この維持率は、充放電効率の指標であり、維持率が高いほど充放電効率が高いことを示す。
Furthermore, from FIG. 4 to FIG. 7, no dendrite precipitation is confirmed in Examples 1 to 3 belonging to the scope of the present invention, but in Comparative Example 1 outside the present invention, the portion surrounded by the encircling line a is shown. Dendritic precipitation is confirmed.
In addition, the maintenance factor calculated from (Zinc negative electrode volume after charge / discharge cycle test) / (Zinc negative electrode volume before charge / discharge cycle test) × 100 is 98% in Example 1 and 62% in Example 2. Example 3 is 80% and Comparative Example 1 is 58%. This maintenance rate is an index of charge / discharge efficiency, and the higher the maintenance rate, the higher the charge / discharge efficiency.
また、図8より、本発明の範囲に属する実施例4〜実施例6は、本発明外の比較例4と比較して、優れた充放電サイクル特性を有することが分かる。その中でも、0.5M炭酸カリウム(K2CO3)を適用した実施例4が、より優れた充放電サイクル特性を有することが分かる。
Further, FIG. 8 shows that Examples 4 to 6 belonging to the scope of the present invention have excellent charge / discharge cycle characteristics as compared with Comparative Example 4 outside the present invention. Among them, examples of applying the 0.5M potassium carbonate (
更に、図9より、本発明の範囲に属する実施例7も、優れた充放電サイクル特性を有することが分かる。 Furthermore, FIG. 9 shows that Example 7 belonging to the scope of the present invention also has excellent charge / discharge cycle characteristics.
更にまた、図10より、30質量%以上のPEG(1000)を適用した実施例8及び60質量%以上のPEG(1000)を適用した実施例1が、より優れた充放電サイクル特性を有することが分かる。 Furthermore, from FIG. 10, Example 8 to which 30% by mass or more of PEG (1000) is applied and Example 1 to which 60% by mass or more of PEG (1000) is applied have more excellent charge / discharge cycle characteristics. I understand.
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated with some embodiment and an Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
例えば、上述した各実施形態や実施例に記載した構成は、各実施形態や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたり、空気極(正極)、ニッケル極(正極)亜鉛又は亜鉛酸化物を適用した負極、亜鉛二次電池用電解質などの細部を変更したりすることができる。 For example, the configuration described in each embodiment or example described above is not limited to each embodiment or example, for example, the configuration of each embodiment may be a combination other than each embodiment described above, Details such as an air electrode (positive electrode), a nickel electrode (positive electrode), a negative electrode to which zinc or zinc oxide is applied, and an electrolyte for a zinc secondary battery can be changed.
1 作用電極(又は負極)
2 対電極(又は正極)
3 電解質
4 参照電極
5 躯体
6 底部ホルダー
7 蓋
1 Working electrode (or negative electrode)
2 Counter electrode (or positive electrode)
3
Claims (7)
水酸化物と、
アルカリ金属カチオンとアニオンとからなる塩と、を含み、
上記有機物の含有量が、30質量%以上である
ことを特徴とする亜鉛二次電池用電解質。
Hydroxide,
And salt consisting of alkali metal cations and anions, only contains,
The electrolyte for a zinc secondary battery, wherein the content of the organic substance is 30% by mass or more .
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