JP6583138B2 - Metal air battery - Google Patents
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Description
本発明は、金属空気電池に関する。 The present invention relates to a metal-air battery.
金属空気電池は、負極活物質として、例えば金属Li(リチウム)、正極活物質として大気中の酸素を使用するものである。金属空気電池は、エネルギー密度が高く、とりわけリチウム空気電池は、本格的な電気自動車(EV)の普及に必要とされる700Wh/kgのエネルギー密度を得られる電池として期待されている。このエネルギー密度は、現在車載が始まっているリチウムイオン電池を7倍上回るものである。 The metal-air battery uses, for example, metal Li (lithium) as a negative electrode active material and oxygen in the atmosphere as a positive electrode active material. Metal-air batteries have a high energy density. In particular, lithium-air batteries are expected as batteries capable of obtaining an energy density of 700 Wh / kg, which is necessary for the spread of full-scale electric vehicles (EVs). This energy density is seven times higher than lithium-ion batteries that are currently being installed in vehicles.
リチウム空気電池は、負極活物質に金属リチウム又は金属リチウムを主成分とする合金若しくは化合物を使用している。リチウム空気電池は、エネルギー密度を高くできるため盛んに研究されている。 Lithium-air batteries use metal lithium or an alloy or compound containing metal lithium as a main component for the negative electrode active material. Lithium-air batteries are being actively researched because of their high energy density.
ここで、リチウム空気電池は、電解液の種類により、水溶液系と非水溶液系(非水系)の2つに大別される。一般的に、水溶液系のリチウム空気電池は、触媒が担持された集電体からなる正極、水溶液系電解液、隔離層(固体電解質)、負極からなる構造を備える。 Here, lithium-air batteries are roughly classified into two types, an aqueous solution type and a non-aqueous solution type (non-aqueous type), depending on the type of the electrolyte. In general, an aqueous lithium battery has a structure including a positive electrode made of a current collector carrying a catalyst, an aqueous electrolyte, an isolation layer (solid electrolyte), and a negative electrode.
ここで、水溶液系リチウム空気電池では、水溶液系電解液の水分が揮発し、減少すると、水溶液系電解液としての機能が阻害され、安定した放電及び充電を行うことが困難となるおそれがある。 Here, in the aqueous lithium battery, if the water content of the aqueous electrolyte is volatilized and reduced, the function as the aqueous electrolyte may be hindered and it may be difficult to perform stable discharge and charge.
その対策として、従来、特許文献1に開示されるように、水溶液系電解液の揮発防止方法として、空気亜鉛電池のアルカリ金属水酸化物水溶液(電解液)に、ポリメタクリル酸2−ヒドロキシエチル、ポリメタクリル酸−エチレングリコール共重合体、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド及びポリエチレンオキサイド誘導体−3官能性アクリレートから選ばれたビニル化合物の1種又は2種以上と必要により架橋剤とを混合して重合し、重合の前又は後に亜鉛粉を加えることにより製造したゲル体を使用することで電解液の揮発を長期にわたって防止し、放電特性を維持することができるという技術がある。
As a countermeasure, conventionally, as disclosed in
しかしながら、この技術をリチウム空気電池に応用した場合、長期間の放電に伴うゲル体内の電解液の塩基性が強くなることによりゲル体が劣化し、揮発を防止できなくなるという問題があった。 However, when this technology is applied to a lithium-air battery, there is a problem that the gel body deteriorates due to the basicity of the electrolyte in the gel body accompanying a long-term discharge, and volatilization cannot be prevented.
また、特許文献2に開示されるように、水溶液系電解液の揮発防止方法として、揮発する水溶液系電解液に水分を補給する水タンクや、揮発を抑制するための加湿器を設けることで水溶液系電解液の水分の揮発に効率よく対処できる金属空気電池システムとする技術がある。
Further, as disclosed in
しかしながら、この技術を用いると水溶液系電解液の揮発は防止できるものの、水タンクや加湿器の導入による重量が増加するため高いエネルギー密度を確保することが困難であるという課題があった。 However, when this technique is used, the volatilization of the aqueous electrolyte solution can be prevented, but there is a problem that it is difficult to ensure a high energy density because the weight increases due to the introduction of a water tank or a humidifier.
さらに、特許文献3に記載されるように、水溶液系電解液の揮発防止方法として、一般的なアルカリ性や弱酸性の水溶液系電解液よりも沸点が高い強酸性の水溶液系電解液を使用し、水溶液系電解液の揮発を抑制する技術がある。
Furthermore, as described in
しかしながら、この技術を用いれば水溶液系電解液が酸性となるため放電は有利になるものの、充電が不利になり、二次電池として使用する上で問題があった。
また、水溶液系リチウム空気電池では、負極の金属リチウムを隔離層である固体電解質で保護する必要がある。特許文献3の技術では、固体電解質は強酸で劣化するという問題があった。
However, if this technique is used, the aqueous electrolyte solution becomes acidic and discharge is advantageous, but charging is disadvantageous and there is a problem in using it as a secondary battery.
In the aqueous lithium-air battery, it is necessary to protect the metallic lithium of the negative electrode with a solid electrolyte that is an isolation layer. The technique of
前記事情に対して、本発明は、電解液の揮発を抑制し、安定した放電及び充電を行うことができるようにした金属空気電池を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a metal-air battery capable of suppressing the volatilization of an electrolytic solution and performing stable discharge and charge.
前記目的を達成するために、本発明に係る金属空気電池は、正極、電解液、固体電解質及び負極を備えた金属空気電池であって、前記電解液が水溶液系電解液に有機溶媒を配合して成る難揮発性水溶液系電解液であり、該難揮発性水溶液系電解液が60質量%〜80質量%で前記有機溶媒を含む。 In order to achieve the above object, a metal-air battery according to the present invention is a metal-air battery including a positive electrode, an electrolytic solution, a solid electrolyte, and a negative electrode, wherein the electrolytic solution contains an organic solvent in an aqueous electrolyte solution. The hardly volatile aqueous electrolyte solution comprises 60% by mass to 80% by mass of the organic solvent.
本発明に係る金属空気電池は、その実施の形態で、前記有機溶媒が、25℃で、水の蒸気圧より低い3000Pa未満の蒸気圧を持つものが良く、好ましくは、500Pa未満のものが望ましい。 In the metal-air battery according to the present invention, the organic solvent preferably has a vapor pressure of less than 3000 Pa, preferably less than 500 Pa, at 25 ° C. and lower than the vapor pressure of water. .
本発明に係る金属空気電池は、前記有機溶媒が、吸湿性であることが好適である。 In the metal-air battery according to the present invention, it is preferable that the organic solvent is hygroscopic.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、前記有機溶媒が、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)及びそれらの二種以上の混合溶媒から成る群から選ばれたものである。 In another embodiment of the metal-air battery according to the present invention, the organic solvent is NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (N, N-dimethylformamide), and their It is selected from the group consisting of two or more mixed solvents.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、前記負極に用いられる負極活物質として金属リチウム又は金属リチウムを主成分とする合金若しくは化合物を使用したものである。 In another embodiment, the metal-air battery according to the present invention uses metal lithium or an alloy or compound containing metal lithium as a main component as a negative electrode active material used for the negative electrode.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、負極集電体と、負極活物質で構成する負極層と、緩衝層と、固体電解質との積層体(ラミネート材)を上側外装体及び下側外装体により挟持して成る負極複合体を備え、前記上側外装体を構成する層のうち、前記難揮発性水溶液系電解液と接触する層をポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂で構成している。 In another embodiment, the metal-air battery according to the present invention comprises a negative electrode current collector, a negative electrode layer composed of a negative electrode active material, a buffer layer, and a laminate (laminate) of a solid electrolyte. And a negative electrode composite sandwiched between the lower exterior body, and among the layers constituting the upper exterior body, the layer that comes into contact with the hardly volatile aqueous electrolyte solution is composed of a polyolefin resin such as a polypropylene resin. ing.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、前記上側外装体を構成する層のうち、前記固体電解質と接合する層をポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂で構成している。 In another embodiment of the metal-air battery according to the present invention, among the layers constituting the upper exterior body, the layer to be joined to the solid electrolyte is composed of a polyolefin resin such as polypropylene resin.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、前記上側外装体を構成する積層体の芯層を金属箔で構成している。 In another embodiment, the metal-air battery according to the present invention has a core layer of a laminated body constituting the upper exterior body made of a metal foil.
本発明に係る金属空気電池は、他の実施の形態で、前記上側外装体及び前記下側外装体の相対する層をポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂で構成している。 In another embodiment of the metal-air battery according to the present invention, opposing layers of the upper exterior body and the lower exterior body are made of a polyolefin-based resin such as a polypropylene resin.
本発明によれば、電解液の揮発を抑制し、安定した放電及び充電を行うことができるようにした金属空気電池が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the volatilization of electrolyte solution is suppressed and the metal air battery which enabled it to perform the stable discharge and charge is provided.
以下に、本発明に係る金属空気電池の実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。 Embodiments of a metal-air battery according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明が適用される金属空気電池を模式的に示す。ここでは、水溶液系リチウム空気電池1を模式的に示している。
図示のように、水溶液系リチウム空気電池1は、触媒が担持された集電体からなる正極(空気極)2、水溶液系電解液3、固体電解質(隔離層)4、負極5を備える。緩衝層(保護層)6は、セパレータとも称され、固体電解質4と、負極とが直接接触しないようにするための層である。なお、負荷7を模式的に示している。
FIG. 1 schematically shows a metal-air battery to which the present invention is applied. Here, an aqueous lithium-
As shown in the drawing, the aqueous lithium-
この水溶液系リチウム空気電池1は、負極5と、正極2で各々以下の反応が起こるように構成している。
負極: Li→Li++e−
正極: O2+4e−+2H2O→4OH−
4Li+O2+6H2O⇔4LiOH・H2O
This aqueous lithium-
Negative electrode: Li → Li + + e −
Positive electrode: O 2 + 4e − + 2H 2 O → 4OH −
4Li + O 2 + 6H 2 O⇔4LiOH · H 2 O
水溶液系リチウム空気電池1の電解液は水に塩化リチウム等の塩を溶解させた水溶液が用いられており、常温でも少しずつ揮発する。すなわち、ここで、図2(a)に示すように、水溶液系電解液は、対策を講じないと、負極複合体5と、正極2との間の水溶液系電解液3が、正極2を通り抜けて揮発8して行ってしまうこととなる。このため、水溶液系リチウム空気電池1を長期間使用すると徐々に放電電圧が低下し、充電電圧が上昇する等、放電及び充電性能が低下してしまうことがあった。
An aqueous solution in which a salt such as lithium chloride is dissolved in water is used as the electrolytic solution of the aqueous lithium-
これに対して、本発明では、図2(b)に示すように、対策を講じることにより、電解液3aが、正極2を通り抜けて揮発することが抑制9される。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 2 (b), by taking a countermeasure, the
具体的には、水溶液系電解液に、水溶性で吸湿性があり蒸気圧の低い有機溶媒を混合した難揮発性水溶液系電解液3aを電解液として使用することとしている。
Specifically, the non-volatile
このような難揮発性水溶液系電解液3aを調製するために、水溶液系リチウム空気電池で使用される水溶液系電解液としては、塩化リチウム水溶液が最も一般的である。もっとも、水溶液系電解液として、電気伝導性を有していればよく、要するに水にリチウム塩を溶解させた水溶液系電解質が好ましい。水に溶解させるリチウム塩としては、LiCl(塩化リチウム)の他、LiOH(水酸化リチウム)、LiNO3(硝酸リチウム)、CH3COOLi(酢酸リチウム)を挙げることができる。これらの塩の水溶液を二種以上を混合した水溶液でもよく、特に限定されない。
In order to prepare such a hardly volatile
また、電解液を使用する空気電池であればリチウム空気電池に限らず本発明を適用できると理解されるべきであり、亜鉛空気電池やマグネシウム空気電池等について、適合する金属空気電池用の水溶液系電解液を適宜使用して、難揮発性水溶液系電解液3aの調製のために採用することができる。
In addition, it should be understood that the present invention can be applied not only to lithium-air batteries as long as it is an air battery that uses an electrolytic solution. The electrolyte solution can be used as appropriate for the preparation of the hardly volatile
本発明では、水溶液性電解液に配合する有機溶媒については、水溶性で吸湿性があり、蒸気圧が低い有機溶媒であればいずれを用いてもよく、特定の有機溶媒を用いたものに限定されない。有機溶媒の蒸気圧としては、25℃で、水の蒸気圧より低い3000Pa程度より小さく、より好ましくは、500Paより小さいものが望ましい。例えば、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)等を挙げることができる。これらの二種以上を用いることもできる。 In the present invention, the organic solvent blended in the aqueous electrolyte may be any organic solvent that is water-soluble, hygroscopic, and has a low vapor pressure, and is limited to those using a specific organic solvent. Not. The vapor pressure of the organic solvent is preferably less than about 3000 Pa, more preferably less than 500 Pa, which is lower than the vapor pressure of water at 25 ° C. For example, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (N, N-dimethylformamide) and the like can be mentioned. Two or more of these can also be used.
有機溶媒の配合割合としては、調製される難揮発性水溶液系電解液の全量のうち60〜80質量%の範囲が好適である。この範囲であれば、水分の揮発を抑制でき、電解液としての機能を全うすることができる。 The blending ratio of the organic solvent is preferably in the range of 60 to 80% by mass in the total amount of the hardly volatile aqueous electrolyte solution to be prepared. If it is this range, the volatilization of a water | moisture content can be suppressed and the function as electrolyte solution can be fulfilled.
本発明に係る金属空気電池は、負極複合体と、導電性材料を含有する正極層を備えた空気極とを対向させ、負極複合体と正極層との間に難揮発性水溶液系電解液を充填し、負極複合体の固体電解質(隔離層)及び前記空気極の空気極層が、難揮発性水溶液系電解液に接するようにした構造として構成することができる。 In the metal-air battery according to the present invention, a negative electrode composite and an air electrode including a positive electrode layer containing a conductive material are opposed to each other, and a hardly volatile aqueous electrolyte solution is placed between the negative electrode composite and the positive electrode layer. The solid electrolyte (separation layer) of the negative electrode composite and the air electrode layer of the air electrode can be configured to be in contact with the hardly volatile aqueous electrolyte solution.
以下、本発明に係る金属空気電池について採用することができる負極複合体の実施の形態について、図3、図4を参照しながら水溶液系リチウム空気電池を例に取って説明する。 Hereinafter, an embodiment of a negative electrode composite that can be employed for a metal-air battery according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4 by taking an aqueous lithium battery as an example.
図3に、本発明で採用することのできる金属空気電池の負極複合体の一実施の形態を示す。図3に示す実施の形態は、作製される負極複合体の一方の面のみに固体電解質を備える形態である。以下において、「金属空気電池の負極複合体」を単に「負極複合体」とも指称する。図3は、本実施の形態に係る負極複合体31を断面で示したものである。一般的な形態として、負極複合体31は、従来公知のものと同様、紙面に垂直な方向に平板状に延長するように構成する。
FIG. 3 shows an embodiment of a negative electrode composite for a metal-air battery that can be employed in the present invention. The embodiment shown in FIG. 3 is a form in which a solid electrolyte is provided only on one surface of a negative electrode composite to be produced. Hereinafter, the “negative electrode composite of a metal-air battery” is also simply referred to as “negative electrode composite”. FIG. 3 is a cross-sectional view of the
なお、以下の説明において、図中上方向に位置する要素を「上側」等のように表現している。しかし、これはあくまで説明上の便宜的なものであり、金属空気電池の配置される状態によって、上側として説明したものが下側となることもある。また、上下関係ではなく、左右関係に位置することもある。 In the following description, elements located in the upward direction in the drawing are expressed as “upper side” or the like. However, this is merely for convenience of explanation, and what has been described as the upper side may be the lower side depending on the state in which the metal-air battery is arranged. Moreover, it may be located not in a vertical relationship but in a horizontal relationship.
本実施の形態で、負極複合体31は、負極集電体32と、負極活物質で構成する負極層(金属リチウム負極)33と、緩衝層34と、固体電解質(隔離層)35とを積層して備えるものである。負極複合体31は、固体電解質35の上面に後述する上側外装体36の開口部が位置する構成となっている。
In the present embodiment, the
負極集電体32は、線状又は板状を有している。負極集電体32の材料は、金属(リチウム)空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよく、例えば、銅、ニッケル等を挙げることができる。
The negative electrode
負極層33の負極活物質は、金属イオンを吸蔵放出可能な材料であれば特に限定されない。本実施の形態では、リチウムイオンを放出可能な金属リチウムである。
リチウムの他、負極活物質としては、例えば、ナトリウムや、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、リチウム等の金属を用いることができる。この中でも開放電圧が高く、実用的な観点からリチウムが好ましい。
The negative electrode active material of the
In addition to lithium, as the negative electrode active material, for example, metals such as sodium, calcium, magnesium, aluminum, zinc, and lithium can be used. Among these, an open circuit voltage is high and lithium is preferable from a practical viewpoint.
さらに、負極活物質は、金属リチウムに限定されず、リチウムを主成分とする合金又は化合物であってもよい。リチウムを主成分とする合金は、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、金、亜鉛等を含むことができる。 Furthermore, the negative electrode active material is not limited to metallic lithium, and may be an alloy or compound containing lithium as a main component. The lithium-based alloy can include magnesium, calcium, aluminum, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, silver, gold, zinc, and the like.
固体電解質35は、負極複合体31が難揮発性水溶液系電解液と接する面に位置しており、負極層33を水分から保護するためのものである。
固体電解質35の材料は、耐水性及び金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ガラスセラミックスのような不燃性の固体電解質を用いることができる。
The
Although the material of the
負極活物質として金属リチウムを用いる場合、固体電解質35のリチウムイオン伝導率は、10−5S/cm以上であることが望ましい。このような固体電解質35の材料としては、例えば、リチウムイオン伝導性に優れ不燃性であるガラスセラミック等を用いることができる。また特に、電解液に水溶液系の電解液を用いた場合には、耐水性の高いLTAP系ガラスセラミック電解質を用いることができる。LTAPとはNASICON型の結晶構造をもつLi、Ti、Al、P、Si、O等からなる酸化物である。
When metallic lithium is used as the negative electrode active material, the lithium ion conductivity of the
緩衝層34は、負極層33と固体電解質35との接触を防ぐためのものである。負極層33と固体電解質35とが接触すると、負極層33のリチウム等の負極活物質と固体電解質35のガラスセラミックスとが反応して、固体電解質35が劣化する場合がある。このことから、緩衝層34は、負極層33と固体電解質35との接触を防ぐためのものである。
The
緩衝層34は、金属イオン伝導性のポリマー電解質又は有機電解質である。例えば、有機電解液をセパレータ(多孔質のポリエチレンやポリプロピレン、セルロース等のシート)に浸み込ませたものを使用してもよい。負極活物質として金属リチウムを用いる場合、緩衝層34のリチウムイオン伝導率(リチウムイオン導電率とも表記する。)は、10−5S/cm以上であることが望ましい。使用される有機電解液は、例えば、炭酸エステル系有機電解液である炭酸エチレンに、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルを混合し、さらにリチウム塩を添加したものがある。前記以外の有機電解液では、エチレングリコールジメチルエーテルやテトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル系電解液を使用してもよい。
The
その他、緩衝層34は、リチウム塩をポリマーに分散させた固体電解質であってもよいし、リチウム塩を溶解した有機電解液をポリマーに膨潤させたゲル電解質であってもよい。リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiTFSI(LiN(SO2CF3)2)、LiFSI(LiN(SO2F))2、LiBOB(ビスオキサラトホウ酸リチウム)等を挙げることができる。
In addition, the
ポリマーとしては、PEO(ポリエチレンオキシド)、PPO(ポリプロピレンオキシド)等を挙げることができる。ゲル電解質のホストとなるポリマーは、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAN(ポリアクリロニトリル)、PVP(ポリビニルピロリドン)、PEO−PMA(ポリエチレンオキシド修飾ポリメタクリレートの架橋体)、PVdF(ポリフッ化ビリニデン)、PVA(ポリビニルアルコール)、PAA(ポリアクリル酸)、PVdF−HFP(ポリフッ化ビリニデンとヘキサフロオロプロピレンとの共重合体)等を挙げることができる。 Examples of the polymer include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). The polymer serving as the host for the gel electrolyte is PEO (polyethylene oxide), PVA (polyvinyl alcohol), PAN (polyacrylonitrile), PVP (polyvinylpyrrolidone), PEO-PMA (crosslinked product of polyethylene oxide-modified polymethacrylate), PVdF (polyfluoride). And vinylidene fluoride), PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylic acid), PVdF-HFP (copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene), and the like.
図3に示すように、本実施の形態に係る負極複合体31は、負極層33と、緩衝層34と、固体電解質35との積層体を上側外装体36及び下側外装体37で挟持した形態となっている。
上側外装体36は、ガスバリア性のある金属層36aと、上側樹脂層36bと、下側樹脂層36cから構成されるラミネートフィルム(ラミネート材)を用いて構成されている。
As shown in FIG. 3, in the
The upper
ラミネートフィルムの金属層36aは、例えば、ステンレス、アルミニウム等で構成した金属箔である。
The
ラミネートフィルムの樹脂層36b、36cとしては、熱耐久性及び強度が高い樹脂が好ましく、特に難揮発性水溶液系電解液に含まれる有機溶媒に対して耐久性を備えるものが好適である。特に好適には、ポリオレフィン系樹脂である。ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン(PE樹脂)、ポリプロピレン(PP樹脂)等を挙げることができる。
図3の実施の形態では、樹脂層36b、36cとして、PP樹脂を用いている。
As the resin layers 36b and 36c of the laminate film, resins having high heat durability and strength are preferable, and those having durability against the organic solvent contained in the hardly volatile aqueous electrolyte solution are particularly preferable. Particularly preferred are polyolefin resins. Examples of the polyolefin resin include polyethylene (PE resin) and polypropylene (PP resin).
In the embodiment of FIG. 3, PP resin is used as the resin layers 36b and 36c.
上側外装体36は、その端部で図3に示すように接合部38で固体電解質35に接合される。接合部38は、接着剤、熱溶着フィルム等当業者に公知の手段によって構成することができる。
なお、上側外装体36は、樹脂層36cもポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂を使用することで、融点が低く、熱加工が容易でヒートシール(熱溶着)に適している。
The upper
The upper
図3の実施の形態では、下側外装体37も金属層37a、樹脂層37b、7cのラミネートフィルムを用いて構成している。
上側外装体36も、下側外装体37もこのように芯材に金属箔を採用しており、ガスバリア性を有する。
In the embodiment of FIG. 3, the lower
Both the upper
負極複合体31は、固体電解質35と負極層(金属Li)33が対向するように、上側外装材36、緩衝層(リチウムイオン電池用セパレ−タ)34、負極集電体(銅箔)32に負極層(金属リチウム)33が接合されたものと、下側外装材37とを、この順で重ね、端部をヒートシーラーにより熱溶着接合することによって作製することができる。
The
図3の実施の形態に係る負極複合体31であれば、固体電解質35を接合している上側外装材(金属箔ラミネート材)36は、上下両面ともPP樹脂のラミネート材となる。したがって、従来の片面のみPP樹脂フィルムの金属箔ラミネート材(PP樹脂/Al箔/PET樹脂の3層ラミネート材等)と異なっている。従来の金属箔ラミネート材は、片面がPET樹脂等であり、有機溶媒を混ぜた難揮発性水溶液系電解液に耐性がなかった。本実施の形態に係る負極複合体31は、このようなことに起因する金属箔ラミネート材の破損のおそれがない。
In the case of the
また、上側外装材36は、両面がPP樹脂のラミネート材であり、下側外装材37も同様のラミネート材であるため、負極複合体31の作製にあたって、ヒートシール性を有するPP樹脂同士を接合すればよく、工程上の負担が少ない。すなわち、上側外装材36と、下側外装材37との相対する層をPP樹脂で構成しているので、熱溶着により容易に接合できる。
Further, since the
なお、上側外装材(金属箔ラミネート材)36は、上下両面ともPP樹脂のラミネート材を用いている。しかし、上下両面のPP樹脂は、3層ではなく、それぞれAl箔に向けた内層に、別の一以上の樹脂層を積層して、3層以上とすることもできる。このことは、下側外装材37でも同様である。
The upper exterior material (metal foil laminate material) 36 uses a PP resin laminate material on both the upper and lower surfaces. However, the PP resin on both the upper and lower surfaces is not limited to three layers, and one or more resin layers may be laminated on the inner layer directed to the Al foil to form three or more layers. The same applies to the
図3について説明した実施の形態は、負極複合体31の一方の面にのみ固体電解質35を設けている。図4は、負極複合体31の両面に固体電解質35、35を設けた形態を示している。
図4の実施の形態では、負極集電体32と、負極活物質で構成する負極層(金属リチウム負極)33と、緩衝層34と、固体電解質(隔離層)35とを積層して備え、固体電解質35の上面に後述する上側外装体36の開口部が位置する構成となっている特徴において、図3の実施の形態と異なるものではない。また、採用する部材も同様のものである。しかし、図3の実施の形態で採用した下側外装体37に代替し、負極集電体32を挟んで、負極活物質で構成する負極層(金属リチウム負極)33と、緩衝層34と、固体電解質(隔離層)35とを積層して略線対称に同様の構成を設けている。
In the embodiment described with reference to FIG. 3, the
In the embodiment of FIG. 4, a negative electrode
図4の実施の形態では、上側外装材36、36を、共に両面PP樹脂の金属箔ラミネート材としている。これによって、図3の実施の形態と同様に、金属箔ラミネート材の破損のおそれがない。
加えて、図4の構造にした場合、1つの空気極の一面を1つの負極複合体31の一面に正対させて容器に封入する構造よりも体積を小さくすることができる。
In the embodiment shown in FIG. 4, the upper
In addition, in the case of the structure of FIG. 4, the volume can be made smaller than the structure in which one surface of one air electrode is directly opposed to one surface of one
前記図3、図4について説明した実施の形態を含めて、本発明に係る金属空気電池は、負極複合体の難揮発性電解液と接触する側をPP樹脂で構成しているので、PET樹脂を用いた従来例と異なり、難揮発性水溶液性電解液を用いても損傷するおそれがない。なお、PP樹脂は、同等以上の特性を備える他のポリオレフィン系樹脂とすることもできる。 Since the metal-air battery according to the present invention including the embodiment described with reference to FIGS. 3 and 4 is composed of the PP resin on the side of the negative electrode composite that contacts the non-volatile electrolyte, the PET resin Unlike the conventional example using, there is no possibility of damage even if a hardly volatile aqueous electrolyte solution is used. In addition, PP resin can also be used as other polyolefin resin provided with the characteristic more than equivalent.
図5に、本発明に係る金属空気電池の一実施の形態を示す。本実施の形態も水溶液系リチウム空気電池として説明する。
本実施の形態に係る水溶液系リチウム空気電池は、負極複合体71と、導電性材料を含有する正極層72を備えた正極構造体(正極部)73とを対向させ、負極複合体71と正極層72との間に難揮発性水溶液系電解液74を充填し、負極複合体71の固体電解質(隔離層)75及び正極構造体73の正極層72が、難揮発性水溶液系電解液74に接するようにした構造として構成している。
FIG. 5 shows an embodiment of a metal-air battery according to the present invention. This embodiment will also be described as an aqueous lithium battery.
The aqueous lithium battery according to the present embodiment has a
負極複合体71の層構成は、図3について説明した負極複合体31の層構成と同様である。しかし、図5に示すように、負極複合体71は、断面凹状に構成している。
負極層76、緩衝層77、固体電解質75、負極集電体78及び上側外装体79の素材及びそれらの機能は、各々対応する負極層33、緩衝層34、固体電解質35、負極集電体32及び上側外装体36と同様であり、図3についての説明がそのまま適合する。
ただし、下側外装体80は、金属層80aと、上側樹脂層80bとは、下側外装体37と同様とし、下側樹脂層80cをPET樹脂で構成している。このようなPP樹脂/Al箔/PET樹脂の積層体がむしろ一般的だからである。なお、PET樹脂は、PET樹脂以外の樹脂、例えばナイロン樹脂等他の同等の性能を有する樹脂に置き換えることができると共に、PET樹脂、ナイロン樹脂等を用いた3層構造以上のラミネート材を用いることとしてもよい。なお、PP樹脂の層(上側樹脂層80b)も、先に下側外装体37について述べたと同様、3層以上を積層した樹脂層として構成することができる。
The layer configuration of the
The materials and functions of the
However, in the lower
負極複合体71は、正極部と合体することによって、金属空気電池を構成することができる。
正極部は、正極構造体73として構成している。このような正極構造体73は、導電性とガス拡散性を有する材料に、白金、金等の貴金属の微粒子を導電性のあるカーボンブラックに担持させた材料又はMnO2等の触媒活性を示す材料とカーボンブラックを混合して構成される正極層72と、正極層72に電気的に接続される正極集電体81と、正極外装体82とを少なくとも備えるように構成することができる。
The
The positive electrode part is configured as a
正極層72は薄板形状を有する。正極層72は、正極外装体82を備える。正極層72の一方の面は、負極複合体71の一方の面(すなわち、固体電解質75の面)に対向する。正極層72の他方の面は、正極外装体82に対向している。
正極外装体82は、内側からPP樹脂82c、アルミニウム箔82a、PET樹脂82bの順に積層した層構造となっている。図5に示すように、正極外装体82は、正極層72を挟み、負極複合体71の上側外装体79に溶着されている。なお、上側外装体79は、両面の最外層をPP樹脂としているので正極外装体82のPP樹脂82cと熱溶着により接合することができる。
The
The positive electrode
なおまた、正極外装体82も、前述した下側外装体80と同様に、PP樹脂82c及びPET樹脂82bのそれぞれを機能を損ねない限り3層以上の樹脂層を積層した構造とすることができる。
負極複合体71と、正極構造体73とによって形成される電解液室83は、難揮発性水溶液系電解液74によって充填される。なお、図5で難揮発性水溶液系電解液74は、長円で示している。しかし、難揮発性水溶液系電解液74が、液体である場合、当業者が理解するように、電解液室83の内部形態に適合してこれを充填する。
In addition, as with the lower
The
さらに、正極外装体82には、空気孔84が設けられている。空気孔84は、透湿防水シート(PTFE樹脂又はPP樹脂系)で閉塞されている。これによって、電解液室83の水密状態を保ちつつ、放電に必要な空気を取り込めるようになっており、安定した放電を行うことができる
Further, the positive electrode
正極集電体81は、金属空気電池の動作範囲で安定して存在でき、所望する導電性を有していればよい。正極集電体の材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、金、及び白金等の金属材料、カーボンクロス及びカーボン不織布等の炭素繊維材料を用いることができる。
The positive electrode
[実施例1]
本発明に係る金属空気電池に採用する難揮発性水溶液系電解液の揮発試験を行った。その内容を以下に示す。
[Example 1]
The volatility test of the hardly volatile aqueous electrolyte solution used in the metal-air battery according to the present invention was performed. The contents are shown below.
1.難揮発性水溶液系電解液の調製
2M(mol/L)の塩化リチウム水溶液を調製した。この2Mの塩化リチウム水溶液1mLにN−メチルピロリドン(NMP)を9mL加えて電解液1とした。また、同様に2Mの塩化リチウム水溶液2mLにN−メチルピロリドン(NMP)を8mL加えて電解液2、2Mの塩化リチウム水溶液3mLにN−メチルピロリドン(NMP)を7mL加えて電解液3、2Mの塩化リチウム水溶液4mLにN−メチルピロリドン(NMP)を6mL加えて電解液4、2Mの塩化リチウム水溶液5mLにN−メチルピロリドン(NMP)を5mL加えて電解液5とした。さらに2Mの塩化リチウム水溶液1mLにジメチルスルホキシド(DMSO)を9mL加えて電解液6、2Mの塩化リチウム水溶液2mLにジメチルスルホキシド(DMSO)を8mL加えて電解液7、2Mの塩化リチウム水溶液3mLにジメチルスルホキシド(DMSO)を7mL加えて電解液8、2Mの塩化リチウム水溶液4mLにジメチルスルホキシド(DMSO)を6mL加えて電解液9、2Mの塩化リチウム水溶液5mLにジメチルスルホキシド(DMSO)を5mL加えて電解液10とした。実施例1の実験条件を表1に示す。
1. Preparation of hardly volatile aqueous electrolyte solution A 2M (mol / L) lithium chloride aqueous solution was prepared. 9 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) was added to 1 mL of this 2M lithium chloride aqueous solution to obtain an
2.難揮発性水溶液系電解液の揮発試験
「1.難揮発性水溶液系電解液の調製」で調整した電解液1〜10をすべてサンプル瓶に入れ、秤量した。ふたをせずに常温、常圧下に放置し、1日経過する毎に再度秤量した。これを10日間実施し、10日間の重量変化から揮発量を評価した結果を図6(電解液1〜10)及び表1に示す。
2. Volatilization test of hardly volatile aqueous electrolyte solution All the
[比較例1]
比較例として従来の水溶液系電解液で行った揮発試験について記述する。
1.電解液の調製
2M(mol/L)の塩化リチウム水溶液を10mL調製し、電解液とした。
2.電解液の揮発試験
「1.電解液の調製」で調整した電解液をすべてサンプル瓶に入れ、秤量した。ふたをせずに常温、常圧下に放置し、1日経過する毎に再度秤量した。これを10日間実施し、10日間の重量変化から揮発量を評価した結果を図6(比較例1)及び表1に示した。その結果、比較例1では10日後に20%以上の重量減少が起こったのに対し、実施例1の電解液はすべて、比較例1よりも重量減少が抑制されたことを確認した。特に電解液2では重量変化がほとんどなく電解液の揮発抑制に優れていた。
表1[実施例1・比較例1の電解液の揮発試験結果]
[Comparative Example 1]
As a comparative example, a volatilization test performed with a conventional aqueous electrolyte is described.
1. Preparation of
2. Volatilization test of electrolyte solution All the electrolyte solutions prepared in “1. Preparation of electrolyte solution” were placed in a sample bottle and weighed. The sample was allowed to stand at room temperature and normal pressure without a lid, and weighed again every day. This was carried out for 10 days, and the results of evaluating the volatilization amount from the change in weight over 10 days are shown in FIG. 6 (Comparative Example 1) and Table 1. As a result, in Comparative Example 1, a weight loss of 20% or more occurred after 10 days, whereas it was confirmed that all the electrolytic solutions of Example 1 suppressed the weight loss more than Comparative Example 1. In particular, the
Table 1 [Results of volatilization test of electrolytes of Example 1 and Comparative Example 1]
[実施例2]
1.正極の作製
正極を、以下の手順で作製した。
(1)正極触媒としてMnO20.8gと、導電助剤としてケッチェンブラック(比表面積800m2/g)0.1gと、バインダー(結着剤)としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)0.1gを計り取り、乳鉢に移し、エタノールを5ml加えて混練した。
(2)(1)の混練物を2×6cmサイズのカーボンクロス二枚で挟み、ロールプレス機(宝泉株式会社製超小型卓上熱ロールプレス機)で厚さ1mmに圧延、圧着した。2×6cmサイズのカーボンクロス端部の2×2cm部分に圧着された部分以外は除去した。その後、空気中で24時間自然乾燥させて、正極を作製した。
[Example 2]
1. Production of positive electrode A positive electrode was produced by the following procedure.
(1) Weighed 20.8 g of MnO as a positive electrode catalyst, 0.1 g of ketjen black (specific surface area 800
(2) The kneaded product of (1) was sandwiched between two 2 × 6 cm size carbon cloths, and rolled and pressure-bonded to a thickness of 1 mm with a roll press machine (an ultra-small tabletop heat roll press machine manufactured by Hosen Co., Ltd.). Except for the portion crimped to the 2 × 2 cm portion of the 2 × 6 cm size carbon cloth end, it was removed. Thereafter, it was naturally dried in air for 24 hours to produce a positive electrode.
2.負極複合体の作製
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、PP樹脂/Al箔/PP樹脂の両面PP樹脂のラミネートフィルムの中心部分を2×2cm角に打ち抜いた外装材、酸変性ポリプロピレンフィルム打ち抜き品(外周部3×3cm、内周2×2cm)、2.5×2.5cm角の固体電解質(LTAP)、酸変性ポリプロピレンフィルム打ち抜き品(外周部3×3cm、内周2×2cm)の順に重ねて、ヒートシーラーで熱溶着接合し、負極複合体の上側外装材とした。
2. Production of negative electrode composite In a glove box under an argon atmosphere, an exterior material obtained by punching the center part of a laminate film of PP resin / Al foil / PP resin double-sided PP resin into 2 × 2 cm square, an acid-modified polypropylene film punched product ( 3 × 3 cm for the outer periphery, 2 × 2 cm for the inner periphery, 2.5 × 2.5 cm square solid electrolyte (LTAP), and an acid-modified polypropylene film punched product (the
固体電解質と金属Liが対向するように、上側外装材、リチウムイオン電池用セパレ−タ、銅箔(集電体)に金属Li(サイズ1.45×1.4cm、厚さ200μm)が接合されたものと下側外装材の金属箔ラミネートフィルムの順で重ね、端部3辺をヒートシーラーにより熱溶着接合した。接合していない端部より、非水系電解液(1MLiPF6/EC:EMC=1:1)を負極複合体内に1ml注入した。最後に残りの1辺の端部をヒートシーラーで接合させて密閉し、形態として図3について説明したと同様の負極複合体を作製した。
なお、固体電解質にはLTAP(株式会社オハラ製LICGC)を用いた。
Metal Li (size 1.45 × 1.4 cm, thickness 200 μm) is joined to the upper exterior material, the separator for lithium ion batteries, and the copper foil (current collector) so that the solid electrolyte and metal Li face each other. And the metal foil laminate film of the lower exterior material were stacked in this order, and the three edges were heat welded and joined with a heat sealer. From the unjoined end, 1 ml of a non-aqueous electrolyte (1MLiPF6 / EC: EMC = 1: 1) was injected into the negative electrode composite. Finally, the end of the remaining one side was joined and sealed with a heat sealer, and a negative electrode composite similar to that described with reference to FIG. 3 was produced.
In addition, LTAP (LICC manufactured by OHARA INC.) Was used as the solid electrolyte.
3.空気電池セルの作製
図5の正極外装体82について説明したと同様に、PP樹脂(内面)/Al箔/PET樹脂の金属箔ラミネート材(正極外装体)の空気孔用の直径約1mmの穴を設け、PP樹脂系の透湿防水シートをラミネート材のPP樹脂(内面)側に熱溶着接合して、空気孔を設けた。前記で作製した図3と同様の負極複合体上に正極を配置して、正極外装体を被せて、3辺を熱溶着接合した。
2M(mol/L)の塩化リチウム水溶液3mLとN−メチルピロリドン(NMP)7mLを混合してNMP70%の電解液を調整し、接合していない1辺から、電解液を2mL注入し、残りの1辺を接合して空気電池セルとした。
3. Production of Air Battery Cell In the same manner as described for the positive electrode
4.放電及び充電試験
実施例の理論容量84mAh相当セルにおいて、理論容量に対して0.05C相当の電流密度4mA/cm2で7時間の放電及び充電を行った際の電圧の推移を25℃の温度にて北斗電工社製HJ1001SD8で測定した結果を図7(実施例2:本発明の構造)に示した。
4). Discharge and charge test In the cell corresponding to the theoretical capacity of 84 mAh in the example, the change in voltage when discharging and charging for 7 hours at a current density of 4 mA /
[比較例2]
比較例として従来の水溶液系電解液で行った放電試験について記述する。
1. 正極の作製
実施例2と同一方法で作製した。
2.負極複合体の作製
実施例2と同一方法で作製したが、負極複合体の上側外装材の材質は、PET樹脂/Al箔/PP樹脂を使用した。
[Comparative Example 2]
As a comparative example, a discharge test conducted with a conventional aqueous electrolyte is described.
1. Fabrication of positive electrode
The same method as in Example 2 was used.
2. Production of negative electrode composite The negative electrode composite was produced in the same manner as in Example 2, but the material of the upper exterior material of the negative electrode composite was PET resin / Al foil / PP resin.
3.空気電池の作製
図5示すように、PP樹脂(内面)/Al箔/PET樹脂の金属箔ラミネート材の空気孔用の直径約1mmの穴を設け、PP樹脂系の透湿防水シートをラミネート材のPP樹脂(内面)側に熱溶着接合して、空気孔を設けて空気電池外装材とした。前記で作製した図3について説明したと同様の負極複合体上に正極層を配置して、正極外装体を載せて、3辺を熱溶着接合した。2M(mol/L)の塩化リチウム水溶液2mLを注入し、残りの1辺を接合して空気電池セルとした。
3. Production of Air Battery As shown in FIG. 5, a hole of about 1 mm in diameter for the air hole of a metal foil laminate material of PP resin (inner surface) / Al foil / PET resin is provided, and a PP resin moisture permeable waterproof sheet is laminated. The PP resin (inner surface) side was thermally welded and joined to provide air holes to form an air battery exterior material. A positive electrode layer was arranged on the same negative electrode composite as described above with reference to FIG. 3, a positive electrode outer package was placed, and three sides were heat-welded and joined. 2 mL of 2M (mol / L) lithium chloride aqueous solution was injected, and the remaining one side was joined to form an air battery cell.
4.放電及び充電試験
実施例2と同一方法で実施し、結果を図7(比較例2:従来の構造)に示した。その結果、放電において、比較例2では放電時間に伴い放電電圧が減少しているのに対し、実施例2では放電時間の増加に伴う放電電圧の減少は少なく、比較的に安定していた。また、充電においても同様に、比較例2は充電時間に伴い充電電圧が増加しているのに対し、実施例2では充電時間の増加に伴う充電電圧の増加は少なく、充電電圧は安定していた。
4). Discharge and charge test It implemented by the same method as Example 2, and the result was shown in FIG. 7 (comparative example 2: conventional structure). As a result, in discharge, the discharge voltage decreased with the discharge time in Comparative Example 2, whereas in Example 2, the decrease in the discharge voltage with the increase in the discharge time was small and relatively stable. Similarly, in the charging, the charging voltage in Comparative Example 2 increases with the charging time, whereas in Example 2, the charging voltage increases with the increase in the charging time, and the charging voltage is stable. It was.
1 水溶液系リチウム空気電池
2 正極
3 水溶液系電解液
4 固体電解質
5 負極
6 緩衝層(保護層)
7 負荷
31、71 負極複合体
32、78 負極集電体
33、76 負極層
34、77 緩衝層
35、75 固体電解質
36、79 上側外装体
37、80 下側外装体
38 接合部
36a、37a、80a 金属層
36b、36c、37b、37c、80b、80c 樹脂層
72 正極層
73 正極構造体
74 難揮発性水溶液系電解液
81 正極集電体
82 正極外装体
83 電解液室
84 空気孔
DESCRIPTION OF
7
Claims (9)
項6又は7に記載の金属空気電池。 The metal-air battery according to claim 6 or 7, wherein the core layer of the laminate constituting the upper exterior body is made of a metal foil.
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