JP6352884B2 - Anode material for metal-air secondary battery, metal-air secondary battery comprising the same, and method for producing anode material for metal-air secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、金属−空気二次電池用負極材料、これを備える金属−空気二次電池、及び金属−空気二次電池用負極材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a metal-air secondary battery, a metal-air secondary battery including the same, and a method for producing a negative electrode material for a metal-air secondary battery.

実用化されている二次電池の中で、現在最もエネルギー密度(電池質量に対する放電可能な電力量)が高いものはリチウムイオン電池とされている。このリチウムイオン電池のエネルギー密度を超える二次電池の一つとして、金属−空気二次電池が注目されている。金属−空気二次電池においては、正極の反応物質が空気中の酸素であり、負極の反応物質が金属である。この金属−空気二次電池の最大の特徴は、正極で大気中の酸素を活用しているため、正極の反応物質の質量を理論上ゼロにできる点にある。電池の質量は、正負電極での反応物質の質量と、反応を仲介する電解質の質量とが大部分を占める。このため、片方の電極の反応物質の質量をゼロにできる金属−空気二次電池は、エネルギー密度を飛躍的に向上できる可能性がある。   Among secondary batteries in practical use, the one having the highest energy density (the amount of electric power that can be discharged with respect to the mass of the battery) is regarded as a lithium ion battery. As a secondary battery exceeding the energy density of this lithium ion battery, a metal-air secondary battery has attracted attention. In the metal-air secondary battery, the reactant of the positive electrode is oxygen in the air, and the reactant of the negative electrode is a metal. The greatest feature of this metal-air secondary battery is that, since oxygen in the atmosphere is utilized at the positive electrode, the mass of the reactant in the positive electrode can theoretically be zero. The mass of the battery occupies most of the mass of the reactant at the positive and negative electrodes and the mass of the electrolyte that mediates the reaction. For this reason, the metal-air secondary battery capable of reducing the mass of the reactant on one electrode to zero may greatly improve the energy density.

金属−空気二次電池としては、炭素粉末等の導電材と酸素還元触媒とを組み合わせたものを正極(空気極)とし、亜鉛、アルミニウム、鉄、水素等を負極(金属極)として構成されるものが一般的である。負極材料の中でも、鉄はコスト面などで優れ、例えばKOH−ZrO系固体電解質表面に、負極活物質である酸化鉄ナノ粒子が担持されてなる負極を有する金属−空気全固体二次電池が開発されている(特開2012−74371号公報参照)。このような負極を用いることで、鉄粉のみからなる負極を用いた場合と比べて、金属−空気全固体二次電池の特性が向上するとされる。しかし、上記負極を有する二次電池の最大放電容量も十分なものでは無く、より性能に優れる金属−空気二次電池用負極材料の開発が強く望まれている。 As a metal-air secondary battery, a combination of a conductive material such as carbon powder and an oxygen reduction catalyst is used as a positive electrode (air electrode), and zinc, aluminum, iron, hydrogen, or the like is configured as a negative electrode (metal electrode). Things are common. Among the negative electrode materials, iron is excellent in terms of cost and the like. For example, a metal-air all solid secondary battery having a negative electrode in which iron oxide nanoparticles as a negative electrode active material are supported on the surface of a KOH-ZrO 2 based solid electrolyte. It has been developed (see JP 2012-74371 A). By using such a negative electrode, the characteristics of the metal-air all-solid secondary battery are improved as compared with the case of using a negative electrode made only of iron powder. However, the maximum discharge capacity of the secondary battery having the negative electrode is not sufficient, and the development of a negative electrode material for metal-air secondary batteries having higher performance is strongly desired.

特開2012−74371号公報JP 2012-74371 A

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、金属−空気二次電池が良好な充放電性能を発揮することができる金属−空気二次電池用負極材料、これを金属極として備える金属−空気二次電池、及び金属−空気二次電池用負極材料の製造方法を提供することである。   The present invention has been made based on the above circumstances, and the object thereof is a negative electrode material for a metal-air secondary battery, which can exhibit good charge / discharge performance of the metal-air secondary battery, It is providing the manufacturing method of the metal-air secondary battery provided with this as a metal electrode, and the negative electrode material for metal-air secondary batteries.

上記課題を解決するためになされた発明は、金属−空気二次電池に用いられる負極材料であって、集電体と、この集電体に坦持される鉄又は酸化鉄とを備えることを特徴とする金属−空気二次電池用負極材料である。   The invention made in order to solve the above problems is a negative electrode material used for a metal-air secondary battery, comprising a current collector and iron or iron oxide supported by the current collector. A negative electrode material for a metal-air secondary battery.

上記課題を解決するためになされた別の発明は、当該金属−空気二次電池用負極材料を金属極として備える金属−空気二次電池である。   Another invention made to solve the above problems is a metal-air secondary battery comprising the metal-air secondary battery negative electrode material as a metal electrode.

上記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、集電体に鉄又は酸化鉄を担持させる工程を備え、上記鉄又は酸化鉄の坦持が静電吸着複合法による金属−空気二次電池用負極材料の製造方法である。   Still another invention made in order to solve the above-described problem includes a step of supporting iron or iron oxide on a current collector, and the support of the iron or iron oxide is a metal-air secondary by an electrostatic adsorption composite method. It is a manufacturing method of the negative electrode material for batteries.

本発明によれば、金属−空気二次電池が良好な充放電性能を発揮することができる。   According to the present invention, a metal-air secondary battery can exhibit good charge / discharge performance.

実施例1の負極材料のSEM画像である。2 is a SEM image of the negative electrode material of Example 1. 実施例1の金属−空気二次電池の充放電曲線を示すグラフである。3 is a graph showing a charge / discharge curve of the metal-air secondary battery of Example 1. FIG. 実施例2の金属−空気二次電池(金属−空気全固体二次電池)の作製手順を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a production procedure of a metal-air secondary battery (metal-air all solid secondary battery) of Example 2. 実施例2の金属−空気二次電池(金属−空気全固体二次電池)の充放電曲線及び放電容量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the charging / discharging curve of the metal-air secondary battery (metal-air all-solid-state secondary battery) of Example 2, and discharge capacity. 実施例3の金属−空気二次電池の放電容量の変化を示すグラフである。6 is a graph showing changes in discharge capacity of the metal-air secondary battery of Example 3. 実施例4の負極材料の作成手順を示すフロー図である。6 is a flowchart showing a procedure for producing a negative electrode material of Example 4. FIG. 実施例4の負極材料のX線回折スペクトルである。4 is an X-ray diffraction spectrum of a negative electrode material of Example 4. 実施例4の負極材料のSEM画像である。4 is a SEM image of a negative electrode material of Example 4. 実施例4の金属−空気二次電池(液体電解質)の充放電曲線及び放電容量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the charging / discharging curve and discharge capacity of the metal-air secondary battery (liquid electrolyte) of Example 4. 実施例4の金属−空気全固体二次電池の充放電曲線及び放電容量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the charging / discharging curve and discharge capacity of the metal-air all-solid-state secondary battery of Example 4. 実施例4の金属−空気全固体二次電池の部分断面SEM画像である。6 is a partial cross-sectional SEM image of the metal-air all solid state secondary battery of Example 4. FIG. 実施例5の負極材料の部分断面SEM画像である。6 is a partial cross-sectional SEM image of the negative electrode material of Example 5. 実施例5の金属−空気二次電池の充放電曲線を示すグラフである。6 is a graph showing a charge / discharge curve of a metal-air secondary battery of Example 5. 実施例6の負極材料の部分断面SEM画像である。7 is a partial cross-sectional SEM image of the negative electrode material of Example 6. 実施例6の金属−空気二次電池の充放電曲線を示すグラフである。7 is a graph showing a charge / discharge curve of a metal-air secondary battery of Example 6. 実施例6の金属−空気全固体二次電池の充放電曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the charging / discharging curve of the metal-air all-solid-state secondary battery of Example 6. 実施例7の負極材料の部分断面SEM画像である。7 is a partial cross-sectional SEM image of the negative electrode material of Example 7. 実施例7の負極材料を用いた二次電池の充放電曲線を示すグラフである。7 is a graph showing a charge / discharge curve of a secondary battery using the negative electrode material of Example 7.

[金属−空気二次電池用負極材料]
本発明の一実施形態に係る金属−空気二次電池用負極材料は、集電体と、この集電体に担持される鉄又は酸化鉄とを備える。
[Anode material for metal-air secondary batteries]
A negative electrode material for a metal-air secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a current collector and iron or iron oxide supported on the current collector.

(集電体)
集電体は、特に限定されず、導電性を有する公知の集電体を用いることができる。集電体を形成する材料としては、酸化還元反応に寄与しない金属材料及び炭素材料から形成されていることが好ましく、炭素材料から形成されていることがより好ましい。
(Current collector)
The current collector is not particularly limited, and a known current collector having conductivity can be used. The material forming the current collector is preferably formed from a metal material and a carbon material that do not contribute to the oxidation-reduction reaction, and more preferably from a carbon material.

集電体の形状としても、特に限定されないが、シート状が好ましい。シート状とすることで、正極、電解質及び負極が層状に構成される金属−空気二次電池を容易に形成することができる。シート状の集電体の平均厚さとしては特に制限されないが、下限は例えば0.01mmであり、0.1mmが好ましい。一方、この上限は例えば10mmであり、3mmが好ましく、1mmがより好ましい。このような厚さとすることにより、負極としてより十分な機能を発揮させることができる。   The shape of the current collector is not particularly limited, but a sheet shape is preferable. By setting it as a sheet, a metal-air secondary battery in which the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode are formed in layers can be easily formed. The average thickness of the sheet-like current collector is not particularly limited, but the lower limit is, for example, 0.01 mm, and preferably 0.1 mm. On the other hand, the upper limit is, for example, 10 mm, preferably 3 mm, and more preferably 1 mm. By setting it as such thickness, a more sufficient function as a negative electrode can be exhibited.

集電体は、電子伝導性と多孔性とを有していることが好ましい。この多孔性とは、液体電解質又は固体電解質が、担持されている鉄又は酸化鉄に接触することが可能な程度の多孔性をいう。集電体がこのような性質を有する場合、金属−空気二次電池において、負極材料(金属極)と電解質との接触面積が広がるため反応効率が高まり、また酸化還元反応により生じた電子を速やかに運ぶことができる。従って、これにより電気化学特性が高まり、効率的な充電及び放電が可能となる。   The current collector preferably has electron conductivity and porosity. The porosity refers to a degree of porosity that allows the liquid electrolyte or solid electrolyte to contact the supported iron or iron oxide. When the current collector has such a property, in a metal-air secondary battery, the contact area between the negative electrode material (metal electrode) and the electrolyte is widened, so that the reaction efficiency is increased, and electrons generated by the oxidation-reduction reaction are quickly removed. Can be carried to. Therefore, this enhances the electrochemical characteristics and enables efficient charging and discharging.

また、鉄又は酸化鉄を金属−空気二次電池の負極材料に用いた場合、この鉄や酸化鉄は、亜鉛やマグネシウム等と異なり溶出しない。このため、鉄や酸化鉄が酸化還元反応に効率的に寄与する領域は、鉄又は酸化鉄の表面近傍(例えば表面から100nm程度)に限定される。従って、反応効率を高めるためには、鉄又は酸化鉄を小粒径又は薄膜状にして表面積を拡大させる必要があり、多孔性の集電体を用いる利点が大きい。   Further, when iron or iron oxide is used as a negative electrode material of a metal-air secondary battery, this iron or iron oxide does not elute unlike zinc or magnesium. For this reason, the area | region where iron or iron oxide contributes to an oxidation-reduction reaction efficiently is limited to the surface vicinity (for example, about 100 nm from the surface) of iron or iron oxide. Therefore, in order to increase the reaction efficiency, it is necessary to enlarge the surface area by making iron or iron oxide into a small particle size or a thin film, and the advantage of using a porous current collector is great.

多孔性の集電体の具体的な構造としては、(a)電子伝導性を有する繊維が規則的に配列するメッシュ構造、(b)上記繊維がランダムに配列する不織布構造、(c)独立孔若しくは連続孔を有する三次元網目構造、及び(d)これらの構造が組み合わされた構造が好ましい。このような構造の場合、繊維同士の接触点が多いこと、又は三次元網目構造として全体が連結していることにより、集電体での電子の十分な移動が可能となる。一方、例えば導電性粉末(カーボンブラック、鉄粉等)を圧縮してなる集電体の場合、電子の移動が妨げられ、上記構造のものと比べて十分な充放電特性が得られない。   Specific structures of the porous current collector include (a) a mesh structure in which fibers having electron conductivity are regularly arranged, (b) a nonwoven structure in which the fibers are randomly arranged, and (c) independent pores. Or the three-dimensional network structure which has a continuous hole, and (d) the structure where these structures were combined are preferable. In such a structure, there are many contact points between fibers, or the whole is connected as a three-dimensional network structure, so that electrons can sufficiently move in the current collector. On the other hand, for example, in the case of a current collector formed by compressing conductive powder (carbon black, iron powder, etc.), movement of electrons is hindered, and sufficient charge / discharge characteristics cannot be obtained as compared with the above structure.

電子伝導性を有する繊維としては、金属繊維や炭素繊維が挙げられ、炭素繊維が好ましい。電子伝導性を有する繊維の平均径の下限としては、例えば0.5μmであり、2μmが好ましい。一方、この上限としては、例えば100μmであり、50μmが好ましい。金属繊維を用いる場合には、耐腐食性を有するチタン、ニッケル、ステンレス等を用いるとよい。また、金属繊維に鉄を用いることで、担持させる鉄の量を低減できる。   Examples of the fiber having electron conductivity include metal fiber and carbon fiber, and carbon fiber is preferable. The lower limit of the average diameter of the fibers having electron conductivity is, for example, 0.5 μm, and preferably 2 μm. On the other hand, the upper limit is, for example, 100 μm, and preferably 50 μm. When metal fibers are used, titanium, nickel, stainless steel, etc. having corrosion resistance may be used. Moreover, the quantity of iron to carry | support can be reduced by using iron for a metal fiber.

多孔性の集電体の中でも、カーボンペーパーが特に好ましい。カーボンペーパーは、炭素繊維がランダムに配列してなる不織布構造を有する。カーボンペーパーを用いることで、上述した鉄又は酸化鉄の酸化還元反応性や電子の移動性がより良好になる。さらには、カーボンペーパー等の多孔質体内部(孔内)に、電子伝導性を有する粉体が埋め込まれている(充填されている)ことが好ましい。上記粉体としては、表面積の大きいカーボンブラック(例えばケッチェンブラック等)等を挙げることができる。このように、カーボンペーパー等とカーボンブラック等とを複合することにより、集電体の表面積をさらに増大させることができる。   Among the porous current collectors, carbon paper is particularly preferable. Carbon paper has a nonwoven fabric structure in which carbon fibers are randomly arranged. By using the carbon paper, the above-described redox reactivity of iron or iron oxide and electron mobility become better. Furthermore, it is preferable that a powder having electron conductivity is embedded (filled) inside a porous body such as carbon paper (inside the pores). Examples of the powder include carbon black having a large surface area (for example, ketjen black). Thus, the surface area of the current collector can be further increased by combining carbon paper or the like with carbon black or the like.

多孔性の集電体としては、電子伝導性を有する繊維から形成されたもの以外のものとして、例えば活性炭や、焼結法、相分離法、溶媒抽出法等により得られる独立孔又は連続孔を有する三次元網目構造を有するものを用いることができる。   As the porous current collector, other than those formed from electronically conductive fibers, for example, activated carbon, independent pores or continuous pores obtained by a sintering method, a phase separation method, a solvent extraction method, etc. Those having a three-dimensional network structure can be used.

多孔性の集電体の空隙率としては、例えば10体積%以上80体積%以下である。空隙率とは、集電体の見かけの体積に対する空孔の総体積の割合を意味する。多孔性の集電体における平均孔径としては、例えば0.1μm以上100μm以下である。平均孔径(平均細孔直径)は、JIS−K1150(1994)に記載の水銀圧入法による測定値とする。   The porosity of the porous current collector is, for example, 10% by volume or more and 80% by volume or less. The porosity means the ratio of the total volume of pores to the apparent volume of the current collector. The average pore diameter of the porous current collector is, for example, from 0.1 μm to 100 μm. The average pore diameter (average pore diameter) is a value measured by the mercury intrusion method described in JIS-K1150 (1994).

(鉄又は酸化鉄)
集電体に担持される鉄又は酸化鉄は、充電−放電状態により、その一部又は全部が、金属(Fe)又は金属酸化物(例えばFe、Fe)として存在する。鉄は自然界で豊富に存在する金属であり、電池の電圧向上作用が期待できる。また、コストも他の金属と比べて圧倒的に安く、金属−空気二次電池の普及の助けとなる。
(Iron or iron oxide)
Part or all of iron or iron oxide supported on the current collector exists as a metal (Fe) or a metal oxide (for example, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) depending on a charge-discharge state. Iron is a metal that is abundant in nature and can be expected to improve battery voltage. In addition, the cost is overwhelmingly lower than other metals, which helps the spread of metal-air secondary batteries.

ここで、鉄とは、鉄そのもののみならず、鉄合金や鉄含有物質も含む広い意味である。鉄は、酸化還元電位の絶対値は比較的小さいが、そのイオン化物(鉄イオン)が移動しないため、繰返し充放電しても金属極が安定するという利点を有する。また、鉄は安価で埋蔵量も多く、二次電池として使用してもデンドライトの形成が起きないため、安全な二次電池の提供が期待できる。   Here, iron has a broad meaning including not only iron itself but also iron alloys and iron-containing substances. Although the absolute value of the oxidation-reduction potential is relatively small, iron has an advantage that the metal electrode is stabilized even when repeatedly charged and discharged because the ionized product (iron ion) does not move. In addition, iron is inexpensive and has a large reserve, and dendrite formation does not occur even when used as a secondary battery, so that a safe secondary battery can be provided.

担持される鉄又は酸化鉄は、下記(1)及び(2)の態様であることが好ましい。
(1)鉄又は酸化鉄が、直接かつ部分的(不連続)に、集電体表面に形成(コーティング)された態様
(2)鉄又は酸化鉄が、直接かつ連続的に、集電体表面に形成(コーティング)された態様
なお、上述の集電体「表面」とは、外面に限定する意味では無く、集電体内部の各繊維(例えばカーボンファイバー)の表面等も含む意味である。
The iron or iron oxide to be supported is preferably in the following aspects (1) and (2).
(1) A mode in which iron or iron oxide is formed (coated) directly and partially (discontinuously) on the surface of the current collector (2) Iron or iron oxide is directly and continuously formed on the surface of the current collector The above-mentioned current collector “surface” is not limited to the outer surface, but also includes the surface of each fiber (for example, carbon fiber) inside the current collector.

いずれの場合にも、金属−空気二次電池としての利用は可能であるが、(1)の場合には、充放電中の体積変化等に伴うひずみを吸収することができ、充放電の繰り返しに有利である。一方、(2)の場合は担持される鉄又は酸化鉄の絶対量が増えることから容量を必要とする応用に適している。いずれの場合を選択するかは必要とする特性に応じて選択すればよい。   In any case, it can be used as a metal-air secondary battery. However, in the case of (1), it is possible to absorb strain caused by volume change during charging / discharging, and repeat charging / discharging. Is advantageous. On the other hand, in the case of (2), the absolute amount of iron or iron oxide to be carried increases, so that it is suitable for applications that require capacity. Which case should be selected may be selected according to the required characteristics.

担持されている鉄又は酸化鉄のサイズとしては、例えば以下のとおりである。鉄又は酸化鉄が粒子状である場合、平均粒径の下限としては、20nmが好ましく、30nmがより好ましい。一方、この上限としては、2μmが好ましく、600nmがより好ましく、200nmがさらに好ましい。鉄又は酸化鉄が膜状である場合、平均膜厚の下限としては1nmが好ましく、10nmがより好ましい。一方、この上限としては、1μmが好ましく、100nmがより好ましく、50nmがさらに好ましい。担持する鉄又は酸化鉄の平均粒径又は平均膜厚を上記範囲のように小さくすることで、充放電性能がより向上する。なお、「平均粒径」とは、レーザー回折法等より測定された体積基準の累積粒度分布曲線の50%値(50%粒径、D50)をいう。   Examples of supported iron or iron oxide sizes are as follows. When iron or iron oxide is particulate, the lower limit of the average particle size is preferably 20 nm, more preferably 30 nm. On the other hand, the upper limit is preferably 2 μm, more preferably 600 nm, and even more preferably 200 nm. When iron or iron oxide is in the form of a film, the lower limit of the average film thickness is preferably 1 nm, and more preferably 10 nm. On the other hand, the upper limit is preferably 1 μm, more preferably 100 nm, and even more preferably 50 nm. Charge / discharge performance is further improved by reducing the average particle diameter or average film thickness of the iron or iron oxide to be supported within the above range. The “average particle size” means a 50% value (50% particle size, D50) of a volume-based cumulative particle size distribution curve measured by a laser diffraction method or the like.

当該金属−空気二次電池用負極材料は、集電体に鉄又は酸化鉄を担持させる工程を備える製造方法により得られる。鉄又は酸化鉄の集電体への担持は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。担持方法としては、例えばPVD法(真空蒸着、スパッタリング等)、CVD(プラズマCVD、熱CVD、大気開放CVD等)法、溶液法、塗布法、静電吸着複合法、電着法などが挙げられる。これらの中でも、大気圧下で行うCVD法及び静電吸着複合法が好ましく、静電吸着複合法がより好ましい。また、溶液法も好ましい。これらの方法を用いると、多孔質性の集電体の内部への担持も十分に行うことができる。   The negative electrode material for a metal-air secondary battery is obtained by a production method including a step of supporting iron or iron oxide on a current collector. The support of iron or iron oxide on the current collector is not particularly limited, and a known method can be used. Examples of the supporting method include a PVD method (vacuum deposition, sputtering, etc.), a CVD (plasma CVD, thermal CVD, atmospheric open CVD, etc.) method, a solution method, a coating method, an electrostatic adsorption composite method, and an electrodeposition method. . Among these, the CVD method and the electrostatic adsorption composite method performed under atmospheric pressure are preferable, and the electrostatic adsorption composite method is more preferable. A solution method is also preferable. When these methods are used, the porous current collector can be sufficiently supported inside.

静電吸着複合法とは、静電相互作用を用い、集電体に鉄又は酸化鉄の粒子を吸着させる方法である。静電吸着複合法による担持は、例えば以下の方法で行うことができる。まず、集電体表面にカチオン性高分子やアニオン性高分子等を吸着させることにより、集電体表面に正又は負の電荷を付与する。ここで、上述の集電体「表面」とは、外面に限定する意味では無く、集電体内部の各繊維(例えばカーボンファイバー)の表面等も含む意味である(以下同様)。一方、鉄又は酸化鉄粒子の表面には、同様にイオン性の高分子を用い、集電体表面とは逆の電荷を付与する。カチオン性高分子やアニオン性高分子は、それぞれを交互に吸着させ、表面の電荷を正又は負に調整することができる。次いで、酸化粒子を分散させた液中に集電体(カーボンペーパー等)を浸すことで、静電相互作用により集電体表面に鉄又は酸化鉄粒子が吸着される。カチオン性高分子やアニオン性高分子は、吸着後、加熱処理により除去することができる。   The electrostatic adsorption composite method is a method of adsorbing iron or iron oxide particles to a current collector using electrostatic interaction. Supporting by the electrostatic adsorption composite method can be performed, for example, by the following method. First, a positive or negative charge is imparted to the current collector surface by adsorbing a cationic polymer, an anionic polymer, or the like on the current collector surface. Here, the above-mentioned current collector “surface” is not limited to the outer surface, but also includes the surface of each fiber (for example, carbon fiber) inside the current collector (the same applies hereinafter). On the other hand, an ionic polymer is similarly used on the surface of the iron or iron oxide particle, and a charge opposite to that on the current collector surface is imparted. Cationic polymers and anionic polymers can be adsorbed alternately to adjust the surface charge to positive or negative. Next, by dipping a current collector (carbon paper or the like) in the liquid in which the oxide particles are dispersed, iron or iron oxide particles are adsorbed on the surface of the current collector by electrostatic interaction. Cationic polymers and anionic polymers can be removed by heat treatment after adsorption.

カチオン性高分子としては、例えばポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)等の4級アンモニウム基を有する高分子などを挙げることができる。アニオン性高分子としては、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS)等のスルホン酸基を有する高分子などを挙げることができる。   Examples of the cationic polymer include a polymer having a quaternary ammonium group such as polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA). Examples of the anionic polymer include a polymer having a sulfonic acid group such as sodium polystyrene sulfonate (PSS).

また、以下の方法で集電体に酸化鉄の粒子を担持させることも可能である。アルコール中で、酸化鉄(Fe)は正の表面電位、カーボンペーパーは負の表面電位をとる。このため、カーボンペーパーを酸化鉄の懸濁液に浸し、磁力を利用して磁性を持つ酸化鉄を攪拌し、静電力を利用することでカーボンペーパーに酸化鉄を吸着させることができる。この手法を用いることで、酸化鉄及びカーボン間に高分子を含むことなく集電体への担持が可能となる。 It is also possible to carry iron oxide particles on the current collector by the following method. In alcohol, iron oxide (Fe 3 O 4 ) has a positive surface potential, and carbon paper has a negative surface potential. For this reason, it is possible to adsorb the iron oxide on the carbon paper by immersing the carbon paper in the iron oxide suspension, stirring the magnetic iron oxide using magnetic force, and using the electrostatic force. By using this method, the current collector can be supported without containing a polymer between iron oxide and carbon.

さらに、電着により集電体への担持を行ってもよい。電着法では、例えば陰極にカーボンペーパー、陽極に白金棒、電解液にエタノールと塩化鉄との混合溶液を用いて、電圧を印加させることで鉄をカーボンペーパーに析出させることが可能である。   Furthermore, the current collector may be supported by electrodeposition. In the electrodeposition method, for example, iron can be deposited on carbon paper by applying a voltage using carbon paper as the cathode, a platinum rod as the anode, and a mixed solution of ethanol and iron chloride as the electrolyte.

鉄又は酸化鉄の担持量としては、特に限定されない。集電体がシート状である場合、単位面積当たりの担持量の下限としては、例えば0.01mg/cmであり、0.03mg/cmが好ましい。一方、この上限としては、例えば5mg/cmであり、1mg/cmが好ましい。このような担持量とすることで、負極としてより十分な機能を発揮させることができる。 The amount of iron or iron oxide supported is not particularly limited. When the current collector is in the form of a sheet, the lower limit of the supported amount per unit area is, for example, 0.01 mg / cm 2 , and preferably 0.03 mg / cm 2 . On the other hand, as this upper limit, it is 5 mg / cm < 2 >, for example, and 1 mg / cm < 2 > is preferable. By setting it as such a load, more sufficient function as a negative electrode can be exhibited.

なお、鉄又は酸化鉄が多孔質性の集電体の空隙に担持されるのではなく、シート状の集電体の一方の面側に担持(積層)される場合もある。繊維上には鉄又は酸化鉄の粒子が一層分付着し、鉄又は酸化鉄の粒径と多孔質体(集電体)の空孔径とを調整することにより、集電体の空隙が閉塞されない状態に形成することができる。   In some cases, iron or iron oxide is not carried in the voids of the porous current collector, but is carried (laminated) on one surface side of the sheet-like current collector. A single layer of iron or iron oxide particles adheres on the fiber, and by adjusting the particle size of the iron or iron oxide and the pore size of the porous body (current collector), the gaps in the current collector are not blocked. Can be formed into a state.

当該金属−空気二次電池用負極材料は、鉄又は酸化鉄に接触するように配設される固体電解質(第1の固体電解質)をさらに備えることができる。この固体電解質の配設は、鉄又は酸化鉄が担持されたシート状の集電体の両面への固体電解質溶液の塗布、固体電解質溶液中への鉄又は酸化鉄が担持されたシート状の集電体の浸漬等により行うことができる。塗布又は浸漬後に乾燥させることにより、固体電解質が集電体に含浸したシート体(負極材料)が得られる。固体電解質としては特に限定されず、後述する金属−空気二次電池に用いられるものとして例示するものと同様である。このように固体電解質が複合された負極材料によれば、正極(空気極)と組み合わせることで容易に金属−空気二次電池を製造することができる。   The negative electrode material for a metal-air secondary battery can further include a solid electrolyte (first solid electrolyte) disposed so as to be in contact with iron or iron oxide. This solid electrolyte is disposed by applying a solid electrolyte solution on both sides of a sheet-like current collector carrying iron or iron oxide, and a sheet-like current collector carrying iron or iron oxide in the solid electrolyte solution. It can be performed by dipping the electric body. By drying after application or immersion, a sheet body (negative electrode material) in which the current collector is impregnated with the current collector is obtained. It does not specifically limit as a solid electrolyte, It is the same as that of what is illustrated as what is used for the metal-air secondary battery mentioned later. Thus, according to the negative electrode material in which the solid electrolyte is combined, a metal-air secondary battery can be easily manufactured by combining with the positive electrode (air electrode).

当該金属−空気二次電池用負極材料によれば、好適には、集電体が、電子伝導性と、液体又は固体電解質が鉄又は酸化鉄に接触可能な多孔性とを有し、さらに好適には、集電体が上記(a)〜(d)の構造を有することなどにより、金属−空気二次電池の充放電性能を向上させることができる。これにより、放電曲線にプラトー領域(電位平坦部)を示す金属−空気二次電池を得ることもできる。   According to the negative electrode material for a metal-air secondary battery, preferably, the current collector has an electronic conductivity and a porosity in which a liquid or solid electrolyte can come into contact with iron or iron oxide. For example, the current collector has the structures (a) to (d) described above, whereby the charge / discharge performance of the metal-air secondary battery can be improved. Thereby, the metal-air secondary battery which shows a plateau area | region (potential flat part) on a discharge curve can also be obtained.

[金属−空気二次電池]
本発明の一実施形態に係る金属−空気二次電池は、当該金属−空気二次電池用負極材料を金属極として備える。当該金属−空気二次電池の他の構成は、一般的な金属−空気二次電池と同様とすることができる。つまり、当該金属−空気二次電池は、上記金属極に加え、空気極、及び金属極と空気極との間に介在する電解質を備える。また、金属極と空気極との間にセパレータが設けられていてもよい。
[Metal-air secondary battery]
The metal-air secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention is equipped with the said negative electrode material for metal-air secondary batteries as a metal electrode. Other configurations of the metal-air secondary battery can be the same as those of a general metal-air secondary battery. That is, the metal-air secondary battery includes an air electrode and an electrolyte interposed between the metal electrode and the air electrode in addition to the metal electrode. A separator may be provided between the metal electrode and the air electrode.

空気極は、金属−空気二次電池の正極として作用するものである。空気極は、下記式(1)の反応が生じ、通常の金属−空気二次電池に用いられるものを用いることができるが、炭素及び酸素還元触媒を含むことが好ましい。空気極は、シート状のものを用いることができ、触媒付きカーボン層を用いることが好ましい。
+2HO+4e→4OH ・・・(1)
The air electrode functions as a positive electrode of the metal-air secondary battery. As the air electrode, a reaction represented by the following formula (1) occurs, and those used in ordinary metal-air secondary batteries can be used, but it is preferable to include a carbon and oxygen reduction catalyst. A sheet-like thing can be used for an air electrode, and it is preferable to use a carbon layer with a catalyst.
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (1)

触媒(酸素還元触媒)としては、例えばPtやMnO等を挙げることができる。触媒付きカーボン層を構成するカーボン層(カーボンシート)の形態は、例えば炭素粉末の圧粉体やカーボンペーパーなどを用いることができる。 Examples of the catalyst (oxygen reduction catalyst) include Pt and MnO 2 . As the form of the carbon layer (carbon sheet) constituting the catalyst-attached carbon layer, for example, a green powder compact or carbon paper can be used.

空気極の平均厚さの下限としては、0.05mmが好ましく、0.1mmがより好ましい。空気極の平均厚さを上記下限以上とすることで、十分な反応を生じさせることなどができる。一方、この上限としては、例えば0.3mmであり、0.2mmが好ましい。空気極が厚くなりすぎると、電解質、触媒及び空気の三相の界面を効率良く形成することが困難となる傾向がある。   The lower limit of the average thickness of the air electrode is preferably 0.05 mm, and more preferably 0.1 mm. By setting the average thickness of the air electrode to the above lower limit or more, a sufficient reaction can be caused. On the other hand, the upper limit is, for example, 0.3 mm, and preferably 0.2 mm. If the air electrode becomes too thick, it tends to be difficult to efficiently form a three-phase interface of electrolyte, catalyst, and air.

電解質は、液体電解質や固体電解質(第2の固体電解質)など、金属−空気二次電池に通常用いられるものを用いることができる。複数種の電解質を用いてもよいし、複数の電解質を多層にして用いてもよい。   As the electrolyte, those usually used for metal-air secondary batteries, such as a liquid electrolyte and a solid electrolyte (second solid electrolyte), can be used. A plurality of types of electrolytes may be used, and a plurality of electrolytes may be used in multiple layers.

液体電解質としては、塩を溶液に溶解させた溶液状のものや、イオン液体が挙げられる。溶液状の液体電解質としては、水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液の他、LiPF、LiBF等のリチウム塩の有機溶媒溶液等であってもよい。有機溶媒としては、エチレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸メチル等のエステル系溶媒などを挙げることができる。また、電解質には硫化カリウム(KS)などの添加物が含まれていてもよい。 Examples of the liquid electrolyte include a solution in which a salt is dissolved in a solution and an ionic liquid. The liquid electrolyte in solution may be an alkaline aqueous solution such as a potassium hydroxide aqueous solution or a sodium hydroxide aqueous solution, or an organic solvent solution of a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 . Examples of the organic solvent include carbonate solvents such as ethylene carbonate, and ester solvents such as γ-butyrolactone and methyl acetate. The electrolyte may contain an additive such as potassium sulfide (K 2 S).

電解質として固体電解質を用いる場合、当該金属−空気二次電池は、通常、金属極の層、固体電解質の層及び空気極の層を有する層構造体の金属−空気全固体二次電池として構成される。   When a solid electrolyte is used as the electrolyte, the metal-air secondary battery is usually configured as a metal-air all-solid secondary battery having a layer structure including a metal electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer. The

固体電解質とは、流動性を有さない電解質をいい、ポリエチレンオキサイド系重合体等の重合体やLiS−SiS等の無機物から構成されるものの他、塩基性水酸化物等の塩をゲルに保持させたゲル体のものなどを挙げることができる。ゲル体の固体電解質における塩としては、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の塩基性水酸化物などを挙げることができ、ゲルとしては、ジルコニアゲル等を挙げることができる。固体電解質には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のバインダーが混合されていてもよい。 Solid electrolyte refers to an electrolyte that does not have fluidity, and is composed of a polymer such as a polyethylene oxide polymer or an inorganic substance such as Li 2 S—SiS 2 , or a salt such as a basic hydroxide. The thing of the gel body hold | maintained at the gel can be mentioned. Examples of the salt in the gel solid electrolyte include basic hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide, and examples of the gel include zirconia gel. A binder such as polyvinylidene fluoride (PVdF) may be mixed in the solid electrolyte.

固体電解質が層状である場合、水酸化物イオンを伝導するという作用を十分に発揮させ、かつ短絡を防ぐため、平均膜厚を0.1mm以上とすることが好ましい。但し、厚くなりすぎると実抵抗(電池内部抵抗)が大きくなるため、平均膜厚を例えば0.3mm以下とすることが好ましい。   When the solid electrolyte is layered, it is preferable that the average film thickness is 0.1 mm or more in order to sufficiently exhibit the action of conducting hydroxide ions and to prevent short circuit. However, since the actual resistance (battery internal resistance) increases when the thickness is too large, the average film thickness is preferably set to 0.3 mm or less, for example.

なお、金属−空気全固体二次電池の一態様として、負極を形成する多孔性の集電体の中に、固体電解質(第1の固体電解質)が含浸した形態とすることもできる。この場合、固体電解質は、集電体に担持された鉄又は酸化鉄と接するように、かつ空気極で発生した水酸化物イオンが連続的に供給されるように、集電体に含浸している。すなわち、この形態における負極材料(金属極)は、上述した鉄又は酸化鉄に接触するように配設される固体電解質(第1の固体電解質)をさらに備える負極材料である。このような負極材料と空気極とにより金属−空気全固体二次電池が構成される。この場合、負極材料(金属極)と空気極との間にさらに第2の固体電解質を配置しなくてもよいが、配置してもよい。   In addition, as one aspect | mode of a metal-air all-solid-state secondary battery, it can also be set as the form which impregnated the solid electrolyte (1st solid electrolyte) in the porous collector which forms a negative electrode. In this case, the solid electrolyte is impregnated into the current collector so as to be in contact with the iron or iron oxide supported on the current collector and continuously supplied with hydroxide ions generated at the air electrode. Yes. That is, the negative electrode material (metal electrode) in this embodiment is a negative electrode material further provided with the solid electrolyte (first solid electrolyte) disposed so as to be in contact with the iron or iron oxide described above. Such a negative electrode material and an air electrode constitute a metal-air all-solid secondary battery. In this case, the second solid electrolyte may not be further disposed between the negative electrode material (metal electrode) and the air electrode, but may be disposed.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例によって制限されず、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, and can be implemented with modifications within a range that can be adapted to the gist of the present invention, all of which are included in the technical scope of the present invention. .

[実施例1]
実施例1では、静電吸着複合法によりカーボンペーパーに鉄の担持を行った。具体的な手順は以下のとおりである。カーボンペーパー表面を界面活性剤であるデオキシコール酸ナトリウム(SDC)を用いて親水化処理し、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)及びポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS)をこの順で吸着させることで最終的な表面電荷を負に調整した。一方、酸化鉄粒子(Fe)は、PDDA、PSS及びPDDAをこの順で吸着させることで表面電荷を正に調整した。次いで、この酸化鉄粒子を分散させた液中に、上記カーボンペーパーを浸すことで、静電相互作用により両者を複合した。このようにして酸化鉄粒子を担持させたカーボンペーパーに350℃で熱処理を行い、界面活性剤及び高分子電解質(SDC、PDDA及びPSS)を気化させた。これにより、負極材料を完成させた。
[Example 1]
In Example 1, iron was supported on carbon paper by an electrostatic adsorption composite method. The specific procedure is as follows. The surface of the carbon paper is hydrophilized using sodium deoxycholate (SDC), which is a surfactant, and finally polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) and sodium polystyrene sulfonate (PSS) are adsorbed in this order. Surface charge was adjusted to negative. On the other hand, the iron oxide particles (Fe 3 O 4 ) were positively adjusted in surface charge by adsorbing PDDA, PSS and PDDA in this order. Next, the carbon paper was immersed in a liquid in which the iron oxide particles were dispersed, so that both were combined by electrostatic interaction. Thus, the carbon paper carrying iron oxide particles was heat-treated at 350 ° C. to vaporize the surfactant and the polymer electrolyte (SDC, PDDA and PSS). Thereby, the negative electrode material was completed.

図1に、得られた負極材料のSEM(走査型電子顕微鏡)画像を示す。粒径約500nmの酸化鉄粒子が、カーボン繊維上に多量かつ均等に吸着していることが確認された。また、酸化鉄粒子の担持量は、0.227mg/cm(Fe換算)であった。担持量は空気中で950℃の熱処理を行った後の残留物質(Fe)の質量から算出した(以下同様)。この負極材料を用いて作製した金属−空気二次電池の8M水酸化カリウム水溶液中での酸化還元挙動をサイクリックボルタンメトリーより観測した。金属−空気二次電池(試験セル)は以下の材料で作製した。金属極(負極)は作成した負極材料、電解質は8M水酸化カリウム水溶液、空気極は酸化還元触媒である電解二酸化マンガン(MnO)を塗布し、触媒層を形成した撥水性カーボンペーパーである。この試験セルに対して、充電レート3mA/cm、放電レート0.2mA/cmで充放電試験を行った。 FIG. 1 shows an SEM (scanning electron microscope) image of the obtained negative electrode material. It was confirmed that iron oxide particles having a particle size of about 500 nm were adsorbed on the carbon fiber in a large amount and evenly. Moreover, the load of iron oxide particle was 0.227 mg / cm < 2 > (Fe conversion). The supported amount was calculated from the mass of the residual material (Fe 2 O 3 ) after heat treatment at 950 ° C. in air (the same applies hereinafter). The oxidation-reduction behavior in an 8M aqueous potassium hydroxide solution of a metal-air secondary battery produced using this negative electrode material was observed by cyclic voltammetry. A metal-air secondary battery (test cell) was made of the following materials. The metal electrode (negative electrode) is a prepared negative electrode material, the electrolyte is an 8M potassium hydroxide aqueous solution, and the air electrode is a water-repellent carbon paper coated with electrolytic manganese dioxide (MnO 2 ) as a redox catalyst to form a catalyst layer. The test cell was subjected to a charge / discharge test at a charge rate of 3 mA / cm 2 and a discharge rate of 0.2 mA / cm 2 .

図2に充放電試験の結果を示す。充電曲線では、鉄の3価から2価、及び2価から0価への還元のプラトーが観測された。このことから、鉄への還元が行われていると判断できる。放電曲線でも同様に、明確な2つのプラトーが観測された。サイクル経過に伴い放電容量は減少したが、初期サイクルで最大420mAh/g(Fe)の大きな放電容量が得られた。これは、理論容量960mAh/g(Fe)の約44%に相当する非常に大きな値である。多孔質であるカーボンペーパーに負極活物質を担持させることにより、酸化鉄が電解質等との良好な接触を実現できたことが示された。   FIG. 2 shows the results of the charge / discharge test. In the charge curve, a reduction plateau of iron from trivalent to divalent and divalent to zero was observed. From this, it can be judged that reduction to iron is performed. Similarly, two distinct plateaus were observed in the discharge curve. Although the discharge capacity decreased as the cycle progressed, a large discharge capacity of 420 mAh / g (Fe) at the maximum was obtained in the initial cycle. This is a very large value corresponding to about 44% of the theoretical capacity of 960 mAh / g (Fe). It was shown that iron oxide was able to achieve good contact with an electrolyte or the like by supporting a negative electrode active material on porous carbon paper.

[実施例2]
実施例1と同様に作製した負極材料と、固体電解質とを用い金属−空気全固体二次電池を作製した。手順を図3に示す。まず、実施例1と同様に作製した負極材料1の両面に、ジェットミルにより粉砕した電解質スラリー2を両面に塗布した。この電解質スラリー2中の固形分は、KOH−ZrO粉末90wt%とポリフッ化ビニリデン(PVdF)10wt%との混合物である。電解質スラリー2の塗布後、乾燥させ、電解質シート3を得た。次いで、空気極として触媒付きカーボンペーパー4、5を電解質シート3の両面に重ねて、全固体電池とした。用いた触媒付きカーボンペーパー4、5における触媒担持量は1mg/cmであり、触媒は電解二酸化マンガン(MnO)である。図4に充放電結果を示す。図4に示すように、全固体電池としての十分な機能が確認された。
[Example 2]
A metal-air all-solid secondary battery was produced using the negative electrode material produced in the same manner as in Example 1 and a solid electrolyte. The procedure is shown in FIG. First, the electrolyte slurry 2 pulverized by a jet mill was applied to both sides of the negative electrode material 1 produced in the same manner as in Example 1. The solid content in the electrolyte slurry 2 is a mixture of 90 wt% of KOH—ZrO 2 powder and 10 wt% of polyvinylidene fluoride (PVdF). After the application of the electrolyte slurry 2, it was dried to obtain an electrolyte sheet 3. Subsequently, the carbon papers 4 and 5 with a catalyst as an air electrode were piled up on both surfaces of the electrolyte sheet 3, and it was set as the all-solid-state battery. The amount of catalyst supported on the carbon papers 4 and 5 with catalyst used is 1 mg / cm 2 , and the catalyst is electrolytic manganese dioxide (MnO 2 ). FIG. 4 shows the charge / discharge results. As shown in FIG. 4, a sufficient function as an all solid state battery was confirmed.

[実施例3]
実施例3では、島津製作所社製のスパッタ装置「HSR−542S」を用いたスパッタ法によりカーボンペーパーに鉄の担持を行った。鉄の平均膜厚(担持量)は、それぞれ30nm(0.0354mg)、100nm(0.118mg)、300nm(0.354mg)及び600nm(0.709mg)とした。以下の成膜条件及びデポレート(deposition rate)とし、成膜時間を調整することで上記平均膜厚の負極材料をそれぞれ得た。
成膜条件:Ar=30sccm、200W−10mTorr_静止成膜
デポレート:0.69Å/s
[Example 3]
In Example 3, iron was supported on carbon paper by a sputtering method using a sputtering apparatus “HSR-542S” manufactured by Shimadzu Corporation. The average film thickness (supported amount) of iron was 30 nm (0.0354 mg), 100 nm (0.118 mg), 300 nm (0.354 mg), and 600 nm (0.709 mg), respectively. Negative electrode materials having the above average film thickness were obtained by adjusting the film formation time under the following film formation conditions and deposition rate.
Deposition conditions: Ar = 30 sccm, 200 W-10 mTorr_stationary deposition Deposition: 0.69 cm / s

得られた負極材料を用い、実施例1と同様に電池を作製し、特性評価を行った。結果を図5に示す。30nmの平均膜厚において最大500mAh/gの容量が得られた。また、繰り返し後も300mAh/g以上の容量が得られた。また、そのほかの平均膜厚においても良好な充放電が観察された。   Using the obtained negative electrode material, a battery was produced in the same manner as in Example 1, and the characteristics were evaluated. The results are shown in FIG. A capacity of up to 500 mAh / g was obtained at an average film thickness of 30 nm. Moreover, the capacity | capacitance of 300 mAh / g or more was obtained even after repeating. Good charge / discharge was also observed at other average film thicknesses.

[実施例4]
実施例4では、カーボンペーパーに溶液法により酸化鉄を担持させた。具体的な手順を図6に示す。まず、アセチルアセトン鉄錯体(Fe(acac))のエタノール溶液中に、SDCにて親水化処理したカーボンペーパーを漬け、30分の超音波処理をした。この後、100℃の浸漬状態で1時間静置した。この後、窒素ガス雰囲気下、400℃で1時間熱処理し、酸化鉄が担持された負極材料を得た。酸化鉄の担持量は、0.26mg/cm(Fe換算)であった。
[Example 4]
In Example 4, iron oxide was supported on carbon paper by a solution method. A specific procedure is shown in FIG. First, carbon paper hydrophilized with SDC was immersed in an ethanol solution of acetylacetone iron complex (Fe (acac) 3 ), and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. Then, it left still for 1 hour in the 100 degreeC immersion state. Thereafter, heat treatment was performed at 400 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere to obtain a negative electrode material carrying iron oxide. The amount of iron oxide supported was 0.26 mg / cm 2 (converted to Fe).

図7に得られた負極材料のX線回折結果を示す。析出物(担持物)は、Feであることが確認できた。 FIG. 7 shows an X-ray diffraction result of the obtained negative electrode material. It was confirmed that the precipitate (supported material) was Fe 3 O 4 .

図8に得られた負極材料のSEM画像を示す。粒径約100〜200nmの酸化鉄が担持されていることが確認できた。   FIG. 8 shows an SEM image of the obtained negative electrode material. It was confirmed that iron oxide having a particle size of about 100 to 200 nm was supported.

得られた負極材料を用い、実施例1と同様にして、金属−空気二次電池を作製し、特性評価を行った。評価結果を図9に示す。図9により、十分な充放電性能が確認できた。   Using the obtained negative electrode material, a metal-air secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in FIG. From FIG. 9, sufficient charge / discharge performance was confirmed.

得られた負極材料を用い、実施例2と同様にして、金属−空気全固体二次電池を作製し、特性評価を行った。評価結果を図10に示す。また、得られた金属−空気全固体二次電池の部分断面SEM画像を図11に示す。図10より、十分な充放電性能が確認できた。また、図11より、固体電解質がカーボンペーパー内部に十分に浸透していることが確認できた。   Using the obtained negative electrode material, a metal-air all solid secondary battery was produced in the same manner as in Example 2, and the characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in FIG. Moreover, the partial cross section SEM image of the obtained metal-air all-solid-state secondary battery is shown in FIG. From FIG. 10, sufficient charge / discharge performance was confirmed. Further, from FIG. 11, it was confirmed that the solid electrolyte sufficiently penetrated into the carbon paper.

[実施例5]
実施例5では、静電吸着法により酸化鉄を担持させ、負極材料を作成した。具体的には、まずエタノール60mlに対して酸化鉄2gを投入し懸濁液を作製した。次に、カーボンペーパーを酸化鉄の懸濁液に浸し、攪拌器に乗せ、500rpmの条件で攪拌を行った。この際、酸化鉄は磁力を持つため、粒子自身が懸濁液の中で回転して攪拌された。10分間の攪拌により酸化鉄をカーボンペーパーに担持させ、負極材料を得た。得られた負極材料の部分断面SEM画像を図12に示す。図12より、500nm程度の酸化鉄の粒子をカーボンペーパーに担持できたことが確認できた。
[Example 5]
In Example 5, iron oxide was supported by an electrostatic adsorption method to produce a negative electrode material. Specifically, first, 2 g of iron oxide was added to 60 ml of ethanol to prepare a suspension. Next, the carbon paper was immersed in a suspension of iron oxide, placed on a stirrer, and stirred at 500 rpm. At this time, since iron oxide has a magnetic force, the particles themselves were rotated and stirred in the suspension. Iron oxide was supported on carbon paper by stirring for 10 minutes to obtain a negative electrode material. FIG. 12 shows a partial cross-sectional SEM image of the obtained negative electrode material. From FIG. 12, it was confirmed that iron oxide particles of about 500 nm could be supported on carbon paper.

また、上記負極材料と、実施例1と同様の空気電極と、電解質としての0.03Mの硫化カリウム(KS)を添加した8Mの水酸化カリウム水溶液とを用いて金属−空気二次電池を作製し、充電レート30mA/cm、放電レート3mA/cmで3電極法により充放電特性の評価を行った。評価結果を図13に示す。図13により、十分な充放電性能が確認され、最初のサイクルは200mAh/g(Fe)以上の大きな放電容量が得られた。 Further, a metal-air secondary battery using the negative electrode material, an air electrode similar to that in Example 1, and an 8M aqueous potassium hydroxide solution to which 0.03M potassium sulfide (K 2 S) is added as an electrolyte. to prepare a charge rate 30 mA / cm 2, the evaluation of the charge and discharge characteristics was performed by the discharge rate 3mA / cm 2 3-electrode method. The evaluation results are shown in FIG. From FIG. 13, sufficient charge / discharge performance was confirmed, and a large discharge capacity of 200 mAh / g (Fe) or more was obtained in the first cycle.

[実施例6]
実施例6では、電着法により負極材料を作製した。具体的には、まず電解液として塩化鉄0.8gをエタノール100mlに混ぜた液を用意した。次に、陰極をカーボンペーパー、陽極を白金棒として、パルス印加電圧20Vで30分の電解処理を行った。パルスは120秒印加し、20秒休止する条件で行った。これにより酸化鉄がカーボンペーパーに析出し、負極材料が得られた。得られた負極材料の部分断面SEM画像を図14に示す。
[Example 6]
In Example 6, a negative electrode material was produced by an electrodeposition method. Specifically, first, an electrolyte solution prepared by mixing 0.8 g of iron chloride with 100 ml of ethanol was prepared. Next, electrolytic treatment was performed for 30 minutes at a pulse applied voltage of 20 V using carbon paper as the cathode and a platinum rod as the anode. The pulse was applied for 120 seconds and rested for 20 seconds. As a result, iron oxide was precipitated on the carbon paper, and a negative electrode material was obtained. FIG. 14 shows a partial cross-sectional SEM image of the obtained negative electrode material.

得られた負極材料(電極面積1.5cm)を用い、実施例5と同様にして金属−空気二次電池を作製し、充電電流5mA、放電電流0.2mAで充放電サイクルを3サイクル行って3電極法により充放電特性の評価を行った。評価結果を図15に示す。図15により、十分な充放電性能が確認できた。 Using the obtained negative electrode material (electrode area 1.5 cm 2 ), a metal-air secondary battery was produced in the same manner as in Example 5, and the charge / discharge cycle was performed 3 cycles at a charge current of 5 mA and a discharge current of 0.2 mA. The charge / discharge characteristics were evaluated by the three-electrode method. The evaluation results are shown in FIG. From FIG. 15, sufficient charge / discharge performance was confirmed.

さらに、得られた負極材料を用い、実施例2と同様にして金属−空気全固体二次電池を作製し、充電電流5mA、放電電流0.2mAで充放電サイクルを3サイクル行って3電極法により充放電特性の評価を行った。評価結果を図16に示す。図16により、初期サイクル14mAh/g(Fe)の放電が確認され、十分な充放電性能が確認できた。   Further, using the obtained negative electrode material, a metal-air all solid state secondary battery was produced in the same manner as in Example 2, and the charge / discharge cycle was performed three times at a charge current of 5 mA and a discharge current of 0.2 mA, thereby performing the three-electrode method. Thus, the charge / discharge characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in FIG. From FIG. 16, it was confirmed that the initial cycle was 14 mAh / g (Fe), and sufficient charge / discharge performance was confirmed.

[実施例7]
実施例7では、金属の不燃布に電着法により鉄を析出させて負極材料を作製した。具体的には、金属不燃布としてステンレス製(平均厚さ5mm)の不燃布を用意した。この不織布を構成するステンレス線の直径は約10μmであった。実施例6と同様に、電解液として塩化鉄0.8gをエタノール100mlに混ぜた液を用意した。次に、陽極に白金棒を用いて、パルス印加電圧10Vで3時間の電解処理を行った。パルスは20秒印加し、20秒休止する条件で行った。これにより酸化鉄が金属不燃布に析出し、負極材料が得られた。得られた負極材料の部分断面SEM画像を図17に示す。図17中、左の画像は100倍の拡大画像であり、右の画像は左の画像の一部をさらに拡大した1000倍の拡大画像である。図17より、電着法により不織布のほぼ全面に鉄が付着していることが確認された。
[Example 7]
In Example 7, a negative electrode material was produced by depositing iron on a metal incombustible cloth by electrodeposition. Specifically, a non-combustible cloth made of stainless steel (average thickness 5 mm) was prepared as a metal incombustible cloth. The diameter of the stainless steel wire constituting this nonwoven fabric was about 10 μm. As in Example 6, a solution prepared by mixing 0.8 g of iron chloride with 100 ml of ethanol was prepared as an electrolytic solution. Next, an electrolytic treatment was performed for 3 hours at a pulse applied voltage of 10 V using a platinum rod as the anode. The pulse was applied for 20 seconds and rested for 20 seconds. As a result, iron oxide was deposited on the metal incombustible cloth, and a negative electrode material was obtained. FIG. 17 shows a partial cross-sectional SEM image of the obtained negative electrode material. In FIG. 17, the left image is a 100 × enlarged image, and the right image is a 1000 × enlarged image obtained by further enlarging a part of the left image. From FIG. 17, it was confirmed that iron adhered to almost the entire surface of the nonwoven fabric by the electrodeposition method.

得られた負極材料(電極面積1.5cm)を用い、電極の評価を行った。空気電池にこの負極材料を用いた場合の特性は上記実施例の結果から推測できるため、ここでは、鉄負極の特性だけを比較するため3電極法により充放電特性を評価した。具体的には、参照極にHg/HgO(1M−NaOH)電極を用い、対極にPt電極を用いた。電解液には8M水酸化カリウム水溶液を用いて、充電電流を5mA、放電電流を0.2mAとして評価を行った。この結果を図18に示す。図18により、十分な充放電性能が確認できた。特に、0価から2価への酸化に相当する−1V付近(標準電位に対して)でのプラトーは、3サイクルでほぼ同じであり、この電極が繰り返し特性に優れていることがわかった。 The obtained negative electrode material (electrode area 1.5 cm 2 ) was used to evaluate the electrode. Since the characteristics when this negative electrode material is used for an air battery can be estimated from the results of the above examples, the charge / discharge characteristics were evaluated by the three-electrode method in order to compare only the characteristics of the iron negative electrode. Specifically, an Hg / HgO (1M-NaOH) electrode was used for the reference electrode, and a Pt electrode was used for the counter electrode. An 8M potassium hydroxide aqueous solution was used as the electrolyte, and the evaluation was performed with a charging current of 5 mA and a discharging current of 0.2 mA. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 18, sufficient charge / discharge performance was confirmed. In particular, the plateau in the vicinity of -1 V (relative to the standard potential) corresponding to oxidation from zero valence to divalence was almost the same in three cycles, and it was found that this electrode was excellent in repetition characteristics.

本発明の金属−空気二次電池用負極材料は、金属−空気二次電池の金属極(負極)として好適に用いることができる。   The negative electrode material for a metal-air secondary battery of the present invention can be suitably used as a metal electrode (negative electrode) of a metal-air secondary battery.

1 負極材料
2 電解質スラリー
3 電解質シート
4、5 触媒付きカーボンペーパー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode material 2 Electrolyte slurry 3 Electrolyte sheet 4, 5 Carbon paper with a catalyst

Claims (9)

金属−空気二次電池に用いられる負極材料であって、
集電体と、
この集電体に坦持される鉄又は酸化鉄と
を備え
上記集電体が、電子伝導性と、液体又は固体電解質が上記鉄又は酸化鉄に接触可能な多孔性とを有し、
上記鉄又は酸化鉄が、さらに上記集電体の内部に担持されることを特徴とする金属−空気二次電池用負極材料。
A negative electrode material used for a metal-air secondary battery,
A current collector,
With iron or iron oxide carried on the current collector ,
The current collector has electronic conductivity, and a porous liquid or solid electrolyte can contact the iron or iron oxide;
A negative electrode material for a metal-air secondary battery , wherein the iron or iron oxide is further carried inside the current collector .
上記集電体が、炭素材料から形成されている請求項1に記載の金属−空気二次電池用負極材料。The negative electrode material for a metal-air secondary battery according to claim 1, wherein the current collector is formed of a carbon material. 上記集電体が、
(a)電子伝導性を有する繊維が規則的に配列するメッシュ構造、
(b)上記繊維がランダムに配列する不織布構造、
(c)独立孔若しくは連続孔を有する三次元網目構造、又は
(d)これらの構造が組み合わされた構造
を有している請求項1又は請求項2に記載の金属−空気二次電池用負極材料。
The current collector is
(A) a mesh structure in which fibers having electron conductivity are regularly arranged;
(B) a nonwoven fabric structure in which the fibers are arranged randomly;
The negative electrode for a metal-air secondary battery according to claim 1 or 2, wherein (c) has a three-dimensional network structure having independent holes or continuous holes, or (d) a structure in which these structures are combined. material.
上記集電体が、カーボンペーパーである請求項3に記載の金属−空気二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a metal-air secondary battery according to claim 3, wherein the current collector is carbon paper. 上記鉄又は酸化鉄に接触するように配設される第1の固体電解質をさらに備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の金属−空気二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a metal-air secondary battery according to any one of claims 1 to 4, further comprising a first solid electrolyte disposed so as to contact the iron or iron oxide. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属−空気二次電池用負極材料を金属極として備える金属−空気二次電池。   A metal-air secondary battery comprising the metal-air secondary battery negative electrode material according to any one of claims 1 to 5 as a metal electrode. 炭素及び酸素還元触媒を含む空気極と、
この空気極及び上記金属極間に介在する液体電解質と
をさらに備える請求項6に記載の金属−空気二次電池。
An air electrode containing carbon and oxygen reduction catalysts;
The metal-air secondary battery according to claim 6, further comprising: a liquid electrolyte interposed between the air electrode and the metal electrode.
炭素及び酸素還元触媒を含む空気極と、
この空気極及び上記金属極間に介在する第2の固体電解質と
をさらに備える請求項6に記載の金属−空気二次電池。
An air electrode containing carbon and oxygen reduction catalysts;
The metal-air secondary battery according to claim 6, further comprising: a second solid electrolyte interposed between the air electrode and the metal electrode.
集電体に鉄又は酸化鉄を担持させる工程を備え、
上記鉄又は酸化鉄の坦持が静電吸着複合法による金属−空気二次電池用負極材料の製造方法。
Comprising a step of supporting iron or iron oxide on a current collector;
A method for producing a negative electrode material for a metal-air secondary battery in which the iron or iron oxide is supported by an electrostatic adsorption composite method.
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