JP6715209B2 - Lithium air secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極活物質として酸素を用いるリチウム空気二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium-air secondary battery that uses oxygen as a positive electrode active material.
正極活物質として空気中の酸素を用いるリチウム空気電池は、電池外部から常に酸素が供給され、電池内に大量の負極活物質である金属リチウムを充填することができる。このため、電池の単位体積当たりの放電容量の値を大きくできることが知られている。 In a lithium-air battery that uses oxygen in the air as the positive electrode active material, oxygen is constantly supplied from the outside of the battery, and a large amount of metallic lithium that is the negative electrode active material can be filled in the battery. Therefore, it is known that the value of the discharge capacity per unit volume of the battery can be increased.
ところで、非特許文献1には、空気極の電極触媒としてλ−MnO2などの遷移金属酸化物を用いる例が報告されている。また、非特許文献2では、主に酸化鉄(Fe2O3)、コバルト酸化物(Co3O4)などの遷移金属酸化物を用いる例が報告されている。
Meanwhile, Non-Patent Document 1 reports an example in which a transition metal oxide such as λ-MnO 2 is used as an electrode catalyst for an air electrode. In addition, Non-Patent
非特許文献1に開示されている二次電池は、充放電の4サイクル後の放電容量が約1/4に低下し、二次電池としての性能が低い。また、充電電圧が約4.0Vであり、平均放電電圧の2.7Vと比較して高く、充放電エネルギー効率が低いものである。つまり、この二次電池は、充電電圧と放電電圧の差が大きく充放電サイクル性能も悪いという課題がある。 In the secondary battery disclosed in Non-Patent Document 1, the discharge capacity after four cycles of charging and discharging is reduced to about 1/4, and the performance as a secondary battery is low. The charging voltage is about 4.0V, which is higher than the average discharging voltage of 2.7V, and the charging/discharging energy efficiency is low. That is, this secondary battery has a problem that the difference between the charging voltage and the discharging voltage is large and the charging/discharging cycle performance is poor.
また、非特許文献2に開示されている二次電池は、空気極に含まれるカーボンの重量当たりで1000〜3000mAh/gの大きな放電容量が得られる。しかし、充放電の10サイクルで容量維持率が約65%に低下してしまう。このように非特許文献2に開示された二次電池も、非特許文献1の二次電池と同様に、二次電池としての性能が低いという課題がある。
Further, the secondary battery disclosed in Non-Patent
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、充電電圧と放電電圧の差が小さく、且つ充放電サイクル性能の良いリチウム空気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 this problem, and an object of the present invention is to provide a lithium-air secondary battery having a small difference between the charging voltage and the discharging voltage and excellent charge/discharge cycle performance.
本実施形態の一態様に係るリチウム空気二次電池は、正極活物質として空気中の酸素を用いる正極と、負極活物質として金属リチウムまたはリチウム含有材料を用いる負極と、リチウム塩を含む有機電解液とを有するリチウム空気二次電池において、前記正極は、カーボンを主体とする空気極であり、電極触媒として、金属、リン、及び酸素を含む材料を添加することを要旨とする。 A lithium-air secondary battery according to one aspect of the present embodiment is a positive electrode that uses oxygen in the air as a positive electrode active material, a negative electrode that uses metallic lithium or a lithium-containing material as a negative electrode active material, and an organic electrolyte solution that contains a lithium salt. In the lithium-air secondary battery including the above, the positive electrode is an air electrode mainly composed of carbon, and it is summarized that a material containing metal, phosphorus and oxygen is added as an electrode catalyst.
本発明によれば、充電電圧と放電電圧の差が小さく、且つ充放電サイクル性能の良いリチウム空気二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium-air secondary battery having a small difference between the charging voltage and the discharging voltage and good charge/discharge cycle performance.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔リチウム空気二次電池の概要〕
図1は、本実施形態のリチウム空気二次電池の基本的な概念図である。同図に示すように、リチウム空気二次電池100は、空気極101と、リチウムを含んで構成された負極102と、空気極101と負極102とに挟まれて配置された有機電解液103を備える。空気極101が正極として機能する。
[Outline of lithium-air secondary battery]
FIG. 1 is a basic conceptual diagram of the lithium-air secondary battery of this embodiment. As shown in the figure, a lithium-air
空気極101は、触媒及び導電性材料を構成要素に含むことができる。負極102は、金属リチウム又はリチウムイオンを放出及び吸収できるリチウム含有合金などの物質を構成要素とすることができる。
The
以下、本実施形態のリチウム空気二次電池100の各構成要素について説明する。なお、電解液とは、ここでは電解質が液体形態である場合をいう。
Hereinafter, each component of the lithium-air
(I)空気極
本実施形態の空気極101は、触媒及び導電性材料を少なくとも含み、必要に応じて結着剤等の添加剤を含む。
(I) Air Electrode The
(I−1)触媒
本実施形態のリチウム空気二次電池100では、空気極101に触媒として金属、リン、酸素を含む材料が含まれる。
(I-1) Catalyst In the lithium-air
リチウム二次電池100の空気極101では、電解液/電極触媒/ガス(酸素)の三相部分において、電極反応が進行する。即ち、空気極101中に有機電解液103が浸透し、同時に大気中の酸素ガスが供給され、電解液−電極触媒−ガス(酸素)が共存する三相部位が形成される。前記電極触媒が高活性であれば、酸素還元(放電)及び酸素発生(充電)がスムーズに進行し、電池性能は大きく向上することになる。
In the
空気極101での放電反応は次のように表すことができる。
The discharge reaction at the
2Li++O2+2e−→Li2O2 …(1)
式(1)中のリチウムイオン(Li+)は、負極102から電気化学的酸化により有機電解液103中に溶解し、この有機電解液103中を空気極101表面まで移動してきたものである。また、酸素(O2)は、大気(空気)中から空気極101内部に取り込まれたものである。なお、負極102から溶解する材料(Li+)、空気極101で析出する材料(Li2O2)、及び空気(O2)を図1の構成要素と共に示した。
2Li + +O 2 +2e − →Li 2 O 2 (1)
The lithium ion (Li + ) in the formula (1) is dissolved in the organic
金属、リン、酸素を含む触媒は、正極活物質である酸素との相互作用が強いので、多くの酸素種を材料表面上に吸着でき、空気極101の電極反応を活性化させることができる。
Since the catalyst containing metal, phosphorus, and oxygen has a strong interaction with oxygen that is the positive electrode active material, many oxygen species can be adsorbed on the surface of the material, and the electrode reaction of the
このように、酸化物表面上に吸着された、又は酸素空孔内に吸蔵された酸素種は、式(1)の酸素源(活性な中間反応体)として酸素還元反応に使用され、上記反応が容易に進むようになる。また、式(1)の逆反応である充電反応に対しても、上記の材料は活性を有している。従って、電池の充電、つまり、空気極101上での酸素発生反応も効率よく進行する。
Thus, the oxygen species adsorbed on the oxide surface or occluded in the oxygen vacancies are used in the oxygen reduction reaction as the oxygen source (active intermediate reactant) of the formula (1), Will be easier to proceed. Further, the above-mentioned materials have activity also in the charging reaction which is the reverse reaction of the formula (1). Therefore, the charging of the battery, that is, the oxygen generation reaction on the
本実施形態のリチウム空気二次電池100では、電池の効率を上げるために、電極反応を引き起こす反応部位(上記の電解液/電極触媒/空気(酸素)の三相部分)がより多く存在することが望ましい。このような観点から、本実施形態では、上述の三相部位が電極触媒表面に多量に存在することが重要であり、使用する触媒は比表面積が高い方が好ましい。
In the lithium-air
本実施形態で使用される金属、リン、酸素を含む触媒は、各種手法により合成することができる。例えば、合成法には、固相法や液相法などの公知のプロセスを用いることができる。しかし、高比表面積の粒子が得られる湿式法を用いることがより好ましい。 The catalyst containing metal, phosphorus and oxygen used in this embodiment can be synthesized by various methods. For example, a known process such as a solid phase method or a liquid phase method can be used for the synthesis method. However, it is more preferable to use a wet method in which particles having a high specific surface area are obtained.
また、金属、リン、酸素を含む材料は、結晶質またはアモルファスであっても、触媒活性を有し、電極反応を促進することができる。 Further, a material containing metal, phosphorus, and oxygen, even if crystalline or amorphous, has catalytic activity and can accelerate the electrode reaction.
一方、金属、リン、酸素を含む触媒とカーボンをボールミルで混合することや触媒と有機物を溶解した懸濁液中で蒸発乾固することなどで、触媒粒子表面がカーボンでコーティングされ触媒表面での電気伝導度が向上し、さらに触媒活性を向上させることができる。なお、前記カーボンとしては、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバーなどの各種カーボンを用いることができる。また、炭素源としては、クエン酸やリンゴ酸などの有機酸やグルコース、フルクトース、マルトース、スクロース、アスコルビン酸、エリソルビン酸等の糖類を用いることができる。 On the other hand, the surface of the catalyst particles is coated with carbon by mixing the catalyst containing the metal, phosphorus, oxygen and carbon with a ball mill or by evaporating to dryness in a suspension in which the catalyst and organic matter are dissolved. The electric conductivity is improved, and the catalytic activity can be further improved. As the carbon, various carbons such as carbon black, graphite and carbon fiber can be used. As the carbon source, organic acids such as citric acid and malic acid and sugars such as glucose, fructose, maltose, sucrose, ascorbic acid and erythorbic acid can be used.
正極101の材料には、P2O5,H3PO4,NH4H2PO4から選択される少なくとも1種のリン酸原料を用いる。さらに、本実施形態では、クロム源の原料、マンガン源の原料、鉄源の原料、コバルト源の原料、ニッケル源の原料及びルテニウム源の原料から少なくとも1種類の遷移金属化合物と前記のリン酸源を混ぜ合わせた原料混合物を熱処理することより、金属、リン、酸素を含む空気極101の材料を合成する。
As a material for the
具体的には、クロム源としては、例えば、酸化クロム(Cr2O3等)のクロム原料を用いてもよい。また、マンガン源としては、例えば、酸化マンガン(MnO2,MN3O4,及びMnOから選択される少なくとも1種)の原料を用いてもよい。また、鉄源としては、例えば、酸化鉄(FeO,Fe3O4,及びFe2O3から選択される少なくとも1種)、リン酸鉄(II)(Fe3(PO4)2・5H2O)、塩化第一鉄(FeCl2,FeCl2・4H2O)、硝酸鉄Fe(NO3)3などの原料を用いてもよい。
Specifically, as the chromium source, for example, a chromium raw material of chromium oxide (Cr 2 O 3 or the like) may be used. In addition, as the manganese source, for example, a raw material of manganese oxide (at least one selected from
また、コバルト源としては、例えば、酸化コバルト(Co3O4,CoO,及びCo2O3から選択される少なくとも1種)の原料を用いてもよい。また、ニッケル源としては、例えば、酸化ニッケル(NiO,Ni2O3から選択される少なくとも1種)の原料を用いてもよい。また、ルテニウム源としては、例えば、酸化ルテニウム(RuO2,Ru2O3から選択される少なくとも1種)や塩化ルテニウム(RuCl3,RuCl4から選択される少なくとも1種)の原料を用いてもよい。 As the cobalt source, for example, a raw material of cobalt oxide (at least one selected from Co 3 O 4 , CoO, and Co 2 O 3 ) may be used. As the nickel source, for example, a raw material of nickel oxide (at least one selected from NiO and Ni 2 O 3 ) may be used. Further, as the ruthenium source, for example, a raw material of ruthenium oxide (at least one selected from RuO 2 and Ru 2 O 3 ) and ruthenium chloride (at least one selected from RuCl 3 and RuCl 4 ) may be used. Good.
所望の組成比となるように、それぞれ構成元素に対応する原料を選択し混合し、金ボートを用いてアルゴン中で500℃程度の熱処理を行うことで、材料の合成を行う。 The raw materials corresponding to the respective constituent elements are selected and mixed so that the desired composition ratio is obtained, and the materials are synthesized by performing heat treatment at about 500° C. in argon using a gold boat.
熱処理後の試料の生成相の同定はXRD測定を行い、FePO4及びMnPO4を除き、回折ピークが観察されないアモルファス相であることを確認した。なお、原料として混合した金属酸化物のピークは観察されず、生成相は単一相で均一であることがわかった。さらにICP発光分析などを用いた化学組成の分析から、M:P:Oのモル比率が所望の組成比と一致していることも確認した。 The generation phase of the sample after the heat treatment was identified by XRD measurement, and it was confirmed to be an amorphous phase in which no diffraction peak was observed except for FePO 4 and MnPO 4 . No peak of the metal oxide mixed as the raw material was observed, and it was found that the generated phase was a single phase and uniform. Furthermore, it was also confirmed from the analysis of the chemical composition using ICP emission analysis that the molar ratio of M:P:O was in agreement with the desired composition ratio.
(I−3)結着剤(バインダー)
空気極101は結着剤(バインダー)を含むことができる。この結着剤は、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリブタジエンゴムなどを例として挙げることができる。これらの結着剤は、粉末として又は分散液として用いることができる。
(I-3) Binder
The
(II)負極
本実施形態のリチウム空気二次電池100は、負極102に負極活物質を含む。この負極活性物質は、リチウム二次電池の負極材料として用いることができる材料であれば特に制限されない。例えば、金属リチウムを挙げることができる。或いは、リチウム含有物質として、リチウムイオンを放出及び吸蔵することができる物質である、リチウムと、シリコン又はスズとの合金、或いはLi2.6Co0.4Nなどのリチウム窒化物を例として挙げることができる。
(II) Negative Electrode In the lithium-air
なお、上記のシリコン又はスズの合金を負極として用いる場合、負極を合成する時にリチウムを含まないシリコン又はスズなどを用いることもできる。しかし、この場合には、空気電池の作製に先立って、化学的手法又は電気化学的手法(例えば、電気化学セルを組んで、リチウムとシリコン又はスズとの合金化を行う方法)によって、シリコン又はスズが、リチウムを含む状態にあるように処理しておく必要がある。具体的には、作用極にシリコン又はスズを含み、対極にリチウムを用い、有機電解液中で還元電流を流すことによって合金化を行う等の処理をしておくことが好ましい。 When the above alloy of silicon or tin is used as the negative electrode, silicon or tin that does not contain lithium can be used when the negative electrode is synthesized. However, in this case, prior to the production of the air battery, the silicon or the silicon is formed by a chemical method or an electrochemical method (for example, a method of forming an electrochemical cell to alloy lithium with silicon or tin). The tin must be treated so that it contains lithium. Specifically, it is preferable that the working electrode contains silicon or tin, lithium is used as the counter electrode, and a treatment such as alloying is performed by flowing a reducing current in the organic electrolytic solution.
リチウム空気二次電池100の負極102は、例えば、リチウム金属を負極とする場合には、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形することで、負極102を作製すればよい。
For the
ここで、放電時の負極(金属リチウム)の反応は以下のように表すことができる。
(放電反応) Li→Li++e− (2)
なお、充電時の負極においては、式(2)の逆反応であるリチウムの析出反応が起こる。
Here, the reaction of the negative electrode (metal lithium) during discharging can be expressed as follows.
(Discharge reaction) Li→Li + +e − (2)
In the negative electrode during charging, a lithium precipitation reaction, which is a reverse reaction of the formula (2), occurs.
(III) 有機電解液
有機電解液103としては、正・負極間でリチウムイオンの移動が可能な物質であればよく、リチウムイオンを含む金属塩(りチウム塩)を溶解した非水溶媒を使用でき、溶質として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)やリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド[(CF3SO2)2NLi](LiTFSI)などを用いることができ、溶媒としては、例えば、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸メチルイソプロピル(MIPC)、炭酸メチルブチル(MBC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸エチルイソプロピル(EIPC)、炭酸エチルブチル(EBC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸ジイソプロピル(DIPC)、炭酸ジブチル(DBC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸1,2−ブチレン(1,2−BC)などの炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン(DME)などのエーテル系溶媒、γ−ブチロラクトン(GBL)などのラクトン系溶媒、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDMEなどのグライム系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシド系溶媒あるいはこれらの中から二種類以上を混合した溶媒を挙げることができる。混合溶媒を用いる場合の混合割合は、特に限定されない。
(III) Organic Electrolyte Solution As the
また、上記のような有機電解液だけでなく、リチウムイオン導電性を有する固体電解質、高分子電解質、リチウム金属塩を溶解させたイオン液体なども使用することができる。 Further, not only the above-mentioned organic electrolytic solution but also a solid electrolyte having lithium ion conductivity, a polymer electrolyte, an ionic liquid in which a lithium metal salt is dissolved can be used.
(IV)他の要素
本実施形態のリチウム空気二次電池100は、上記構成要素に加え、セパレータ、電池ケース、金属メッシュ(例えばチタンメッシュ)などの構造部材、その他のリチウム空気二次電池に要求される要素を含むことができる。これらは、従来公知のものを使用することができる。
(IV) Other Elements The lithium-air
〔リチウム空気二次電池の構成〕
次に、本実施形態のリチウム空気二次電池100の構成について説明する。
[Configuration of lithium-air secondary battery]
Next, the configuration of the lithium-air
図2は、本実施形態のリチウム空気二次電池100のより詳細な構成例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration example of the lithium-air
図2に示すリチウム空気二次電池100は、円柱形のリチウム空気電池であり、空気極101、負極102、有機電解液103、セパレータ105、空気極支持体115、空気極固定用リング104、負極固定用リング107、負極固定用座金108、負極支持体109、固定ねじ110、Oリング111、空気極端子121、及び負極端子122を備える。
The lithium-air
空気極101、負極102、有機電解液103、及びセパレータ105は、円筒形状の空気極支持体115に収容される。空気極支持体115は、金属で構成され、空気極101との間で電気的接触をとる。ただし、空気極支持体115が有機電解液103及びセパレータ105と接する部分はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に被覆されて絶縁分離されている。
The
空気極支持体115は、円筒内中央部に仕切り151を有する。仕切り151により、空気極支持体115の円筒内部は空気極101を配置する領域と負極102及びセパレータ105を配置する領域に区分される。仕切り151は中央部が開口し、両方の領域が連通している。
The
有機電解液103は、仕切り151の開口部に配置され、空気極101及び塩橋となるセパレータ105に挟まれる。有機電解液103は、セパレータ105に含浸され、セパレータ105の周囲にも存在する。
The organic
空気極101は、PTFEにより構成された円筒形状の空気極固定用リング104と仕切り151に挟まれて固定される。
The
セパレータ105は、PTFEにより構成された円筒形状の負極固定用リング107と仕切り151に挟まれて固定される。
The
負極1042、負極固定用座金108上に積層され、負極固定用リング107の円筒内部のセパレータ105に接触している。
The negative electrode 1042 and the negative
負極固定用座金108には、金属により構成された負極支持体109が被せられている。負極支持体109は、固定ねじ110により空気極支持体115に固定されている。空気極支持体115と負極支持体109との間には、Oリング111が配置されている。固定ねじ110はPTFEに被覆されて空気極支持体115と負極支持体109とが電気的に分離された状態としている。
The negative
負極支持体109は、固定ねじ110により空気極支持体115の側に押しつけられる。負極104は、負極固定用座金108を介して押圧されて、セパレータ105に圧接される。
The
空気極101は、空気極支持体115に導通して配置され、負極端子122は負極支持体109に導通して配置される。
The
〔リチウム空気二次電池の作製手順〕
続いて、図2のリチウム空気二次電池100の作製手順について説明する。
[Procedure for manufacturing lithium-air secondary battery]
Subsequently, a procedure for manufacturing the lithium-air
リチウム空気電池セルは、露点が-55℃以下の乾燥空気中で以下手順で作製する。 A lithium-air battery cell is manufactured by the following procedure in dry air with a dew point of -55°C or lower.
空気極101は、触媒であるM−P−O粉末、カーボン粉末、及びポリフッ化ビニデン(PVDF)のようなバインダー粉末を混合し、この混合物をチタンメッシュ等の支持体上に圧着することで成形する。また、上記の混合物を有機溶剤等の溶媒中に分散してスラリー状にし、金属メッシュ又はカーボンクロスやカーボンシート上に塗布して乾燥することによって、空気極101を形成してもよい。
The
リチウム空気二次電池100においては、空気極101中の触媒の含有量は、例えば10を越え、60重量%以下であることが望ましい。その成分の割合は、従来のリチウム空気二次電池と同じである。
In the lithium-air
具体例としては、例えば、M−P−O粉末、ケッチェンブラックEC600JD粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末を30:49:21の重量比でらいかい機を用いて十分に粉砕混合し、ロール成形して、シート状電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径23mmの円形に切り抜き、チタンメッシュ上にプレスすることにより、空気極101を成形する。
As a specific example, for example, M-P-O powder, Ketjenblack EC600JD powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder are sufficiently pulverized and mixed at a weight ratio of 30:49:21 by using a raider machine, Roll forming was carried out to produce a sheet-like electrode (thickness: 0.5 mm). The sheet electrode is cut out into a circle having a diameter of 23 mm and pressed on a titanium mesh to form the
なお、空気極101は、電極の強度を高め電解液の漏洩を防止する目的で、冷間プレスだけでなく、ホットプレスを適用することで、より安定性に優れた空気極101を作製することができる。空気極101は、その電極の片面は大気に曝され、もう一方の面は電解液と接する。
For the
上記のように成形した空気極101は、PTFEで被覆された空気極支持体115の凹部に配置し、空気極固定用リング104で固定する。なお、空気極101と空気極支持体115が接触する部分は、電気的接触をとるためPTFEによる被覆を施さないものとする。
The
負極104は、例えば、リチウム金属を用いる場合は、複数枚の金属リチウム箔を重ねて所定の形状に成形して作製する。負極104は、厚さ150μmの4枚の金属リチウム箔を、負極固定用座金108に圧着して固定する。
For example, when lithium metal is used, the
セパレータ105を、空気極支持体115の円筒内部に、空気極101とは反対側から仕切り151に接する状態で配置し、負極固定用リング107をセパレータ105と同じ側から空気極支持体115の円筒内部に配置し、さらに、負極102を圧着した負極固定用座金108を負極固定用リング107の円筒内部に配置する。
The
セルの内部(空気極101と負極102との間)に、有機電解液103を充填し、負極支持体109を被せ、固定ねじ110で空気極支持体115と負極支持体109を固定する。有機電解液103は、1mol/lのリチウムトリフルオロメタンスルホニルアミド/トリエチレングリコールジメチルエーテル(LiTFSI/TEGDME溶液)溶液を用いた。
The inside of the cell (between the
最後に、空気極端子121を空気極支持体115に接続して固定し、負極端子122を負極支持体109に接続して固定する。
Finally, the
〔電池のサイクル試験〕
次に、電池のサイクル試験について説明する。電池のサイクル試験は、充放電測定システム(VMP3,Bio Logic社製)を用いて、空気極101の面積当たりの電流密度で0.1mA/cm2を通電し、開回路電圧から電池電圧が、2.0Vに低下するまで放電電圧の測定を行った。電池の充電試験は、放電時と同じ電流密度で、電池電圧が、4.2Vに達するまで行った。電池の充放電試験は、通常の生活環境下で行った。充放電容量は空気極(カーボン+M−P−O+PTFE)重量当たりの値(mAh/g)で表した。
[Battery cycle test]
Next, the cycle test of the battery will be described. For the battery cycle test, a charge/discharge measurement system (VMP3, manufactured by Bio Logic) was used, and the current density per unit area of the
本実施形態に係るリチウム空気二次電池100の空気極101の触媒を変え、電池性能を評価した実験例について説明する。実験例1は、触媒としてCrPO4を含む空気極101である。実験例2はMnPO4、実験例3はFePO4、実験例4はCoPO4、実験例5はNIPO4、実験例6はRuPO4である。
An experimental example in which the catalyst of the
図3に、実験例6のリチウム空気二次電池100の初回の放電と充電曲線の一例を示す。図3より、RuPO4(実験例6)を空気極101の触媒に用いたときの平均放電電圧は2.83V、放電容量は2790mAh/gと大きな値であることが確認できた。
FIG. 3 shows an example of initial discharge and charge curves of the lithium-air
ここで、平均充放電電圧は、図中の全放電容量の中間値時の放電電圧及び充電電圧と定義する。また、初回の充電電圧は3.66V、充電容量は放電容量とほぼ同様の2818mAh/gであり、可逆性に優れていることが分かる。 Here, the average charge/discharge voltage is defined as the discharge voltage and the charge voltage at the intermediate value of the total discharge capacity in the figure. Also, the initial charging voltage is 3.66 V, and the charging capacity is 2818 mAh/g, which is almost the same as the discharging capacity, which shows that the reversibility is excellent.
他の実験例についても電池性能の測定を行った。初回、20回、50回の充放電サイクルを繰り返した場合の放電電圧と放電容量の変化を表1に示す。 The battery performance was also measured for other experimental examples. Table 1 shows the changes in discharge voltage and discharge capacity when the charge/discharge cycle was repeated the first time, 20 times, and 50 times.
表1より、RuPO4(実験例6)が、最も平均放電電圧が高く、放電容量が大きいことが分かる。また、50サイクル後の放電容量維持率も95%と高く、50サイクル後にどの組成の実験例より高い放電電圧と大きな放電容量を示すことが確認された。一方、NIPO4(実験例5)は、他の材料系と比較すると50回目において最も低い放電容量を示した。しかしながら、50サイクル後も1000mAh/g以上の大きな放電容量を示しており、従来の電極触媒として比較すると高い触媒活性と安定性を有していると考えられる。全体的な、電池性能の序列は、RuPO4(実験例6)>MnPO4(実験例2)>CoPO4(実験例4)>FePO4(実験例3)>CrPO4(実験例1)>NIPO4(実験例5)である。このように、電極触媒として、金属M(Mは、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Ruから選ばれる少なくとも1種の金属)とPO4基を含む材料は優れた活性を示すことが確認できた。 From Table 1, it can be seen that RuPO 4 (Experimental Example 6) has the highest average discharge voltage and the largest discharge capacity. It was also confirmed that the discharge capacity retention rate after 50 cycles was as high as 95%, and that after 50 cycles, the discharge voltage and the discharge capacity were higher than those of the experimental examples of any composition. On the other hand, NIPO 4 (Experimental Example 5) showed the lowest discharge capacity at the 50th time as compared with the other material systems. However, it shows a large discharge capacity of 1000 mAh/g or more even after 50 cycles, and is considered to have high catalytic activity and stability as compared with conventional electrode catalysts. The overall order of battery performance is RuPO 4 (Experimental Example 6)>MnPO 4 (Experimental Example 2)>CoPO 4 (Experimental Example 4)>FePO 4 (Experimental Example 3)>CrPO 4 (Experimental Example 1)> This is NIPO 4 (Experimental Example 5). Thus, it was confirmed that a material containing a metal M (M is at least one metal selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru) and a PO 4 group as an electrode catalyst exhibits excellent activity. did it.
次に、触媒としてP2O7基を含む空気極101の電池の性能を評価した実験例7〜12について説明する。実験例7はCrP2O7、実験例8はMnP2O7、実験例9はFeP2O7、実験例10はCoP2O7、実験例11はNiP2O7、実験例12はRuP2O7である。
Next, Experimental Examples 7 to 12 in which the performance of the battery of the
表2に、各実験例7〜12のそれぞれについて初回、20回、50回の充放電サイクルを繰り返した場合の放電電圧と放電容量の変換を示す。 Table 2 shows the conversion of the discharge voltage and the discharge capacity when the charge, discharge cycle was repeated 20 times and 50 times for each of Experimental Examples 7 to 12.
表2より、RuP2O7(実験例12)が、最も平均放電電圧が高く、放電容量が大きいことが分かる。また、50サイクル後の放電容量維持率も92%と高く、50サイクル後にどの組成の実験例より高い放電電圧と大きな放電容量を示すことが確認できた。 From Table 2, it can be seen that RuP 2 O 7 (Experimental Example 12) has the highest average discharge voltage and the largest discharge capacity. Also, the discharge capacity retention rate after 50 cycles was as high as 92%, and it was confirmed that after 50 cycles, the discharge voltage and the discharge capacity were higher than those of the experimental examples of any composition.
一方、CrP2O7(実験例7)は、50回目において他の材料系と比較すると最も低い放電容量を示す。しかしながら、50サイクル後も1000mAh/g以上の大きな放電容量を示しており、従来の電極触媒として比較すると高い触媒活性と安定性を有していると考えられる。全体的な、電池性能の序列は、RuP2O7(実験例12)>MnP2O7(実験例8)>CoP2O7(実験例10)>FeP2O7(実験例9)>NiP2O7(実験例11)>CrP2O7(実験例7)であった。全体的な傾向として、PO4系と比較して充電電圧の低下が確認され、充放電エネルギー効率の改善に効果があることが分かる。 On the other hand, CrP 2 O 7 (Experimental Example 7) shows the lowest discharge capacity at the 50th time as compared with other material systems. However, it shows a large discharge capacity of 1000 mAh/g or more even after 50 cycles, and is considered to have high catalytic activity and stability as compared with conventional electrode catalysts. The overall order of battery performance is RuP 2 O 7 (Experimental Example 12)>MnP 2 O 7 (Experimental Example 8)>CoP 2 O 7 (Experimental Example 10)>FeP 2 O 7 (Experimental Example 9)> NiP 2 O 7 (Experimental Example 11)>CrP 2 O 7 (Experimental Example 7). As a general tendency, a decrease in charging voltage was confirmed as compared with the PO 4 system, and it can be seen that it is effective in improving charge/discharge energy efficiency.
このように、電極触媒として、金属M(Mは、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Ruから選ばれる少なくとも1種の金属)とP2O7基を含む材料は、優れた活性を示すことが確認できた。 Thus, a material containing a metal M (M is at least one metal selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Ru) and a P 2 O 7 group as an electrode catalyst exhibits excellent activity. I was able to confirm that.
次に、触媒としてP3O9基を含む空気極101の電池の性能を評価した実験例13〜18について説明する。実験例13はCrP3O9、実験例14はMnP3O9、実験例15はFeP3O9、実験例16はCoP3O9、実験例17はNiP3O9、実験例18はRuP3O9である。
Next, Experimental Examples 13 to 18 in which the performance of the battery of the
表3に、各実験例13〜18のそれぞれについて初回、20回、50回の充放電サイクルを繰り返した場合の放電電圧と放電容量の変換を示す。 Table 3 shows the conversion of the discharge voltage and the discharge capacity when each of the Experimental Examples 13 to 18 was repeatedly charged and discharged for the first time, 20 times, and 50 times.
表3より、RuP3O9(実験例18)が、最も平均放電電圧が高く、放電容量が大きいことが分かった。また、50サイクル後の放電容量維持率も94%と高く、50サイクル後にどの組成の実験例より高い放電電圧と大きな放電容量を示すことが確認できた。 From Table 3, it was found that RuP 3 O 9 (Experimental Example 18) had the highest average discharge voltage and the largest discharge capacity. Further, the discharge capacity retention rate after 50 cycles was as high as 94%, and it was confirmed that after 50 cycles, the discharge voltage and the discharge capacity were higher than those of the experimental examples of any composition.
一方、CrP3O9(実験例13)は、50回目において他の材料系と比較すると最も低い放電容量を示した。しかしながら、50サイクル後も1000mAh/g以上の大きな放電容量を示しており、従来の電極触媒として比較すると高い触媒活性と安定性を有していると考えられる。 On the other hand, CrP 3 O 9 (Experimental Example 13) showed the lowest discharge capacity at the 50th time as compared with other material systems. However, it shows a large discharge capacity of 1000 mAh/g or more even after 50 cycles, and is considered to have high catalytic activity and stability as compared with conventional electrode catalysts.
全体的な、電池性能の序列は、RuP3O9(実験例18)>MnP3O9(実験例14)>FeP3O9(実験例15)>CoP3O9(実験例16)>NiP3O9(実験例17)>CrP3O9(実験例13)であった。実験例18において、本実施形態で最も大きな放電容量が確認され、RuとP3O9を組み合わせることで放電容量の増大に大きな効果があることが分かった。 The overall order of battery performance is RuP 3 O 9 (Experimental Example 18)>MnP 3 O 9 (Experimental Example 14)>FeP 3 O 9 (Experimental Example 15)>CoP 3 O 9 (Experimental Example 16)> NiP 3 O 9 (Experimental Example 17)>CrP 3 O 9 (Experimental Example 13). In Experimental Example 18, the largest discharge capacity was confirmed in the present embodiment, and it was found that the combination of Ru and P 3 O 9 had a great effect on increasing the discharge capacity.
このように、電極触媒として、金属M(Mは、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Ruから選ばれる少なくとも1種の金属)とP3O9基を含む材料は優れた活性を示すことが確認できた。 As described above, a material containing a metal M (M is at least one metal selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Ru) and a P 3 O 9 group as an electrode catalyst exhibits excellent activity. Was confirmed.
ここで本実施形態のリチウム空気二次電池100と従来のリチウム空気二次電池を比較した結果について説明する。
Here, the result of comparison between the lithium-air
比較例1は、空気極用の電極触媒として周知であるマンガン酸化物(MnO2)を用い、他の条件は上記の実験例と同様にした。なお、マンガン酸化物(MnO2)は、市販試薬(関東化学株式会社製)を用いた。 In Comparative Example 1, a well-known manganese oxide (MnO 2 ) was used as an electrode catalyst for the air electrode, and the other conditions were the same as those of the above-described experimental example. A commercially available reagent (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used as the manganese oxide (MnO 2 ).
表4に、比較例1と上記の実験例18を比較した結果を示す。 Table 4 shows the results of comparison between Comparative Example 1 and Experimental Example 18 described above.
表4に示されるように比較例1は、初回放電容量は約850mAh/gと中庸な値を示したが、50サイクル後の放電容量維持率はほぼ27%であり、サイクル安定性に乏しく、本実施形態のの実験例18と比較すると著しく低い電池性能である。 As shown in Table 4, Comparative Example 1 showed a moderate initial discharge capacity of about 850 mAh/g, but the discharge capacity retention rate after 50 cycles was almost 27%, and the cycle stability was poor. Compared with Experimental Example 18 of the present embodiment, the battery performance is remarkably low.
このように、金属、リン、酸素を含む材料M−P−Oを電極触媒として含む電極を空気極とする本実施形態のリチウム空気二次電池は、公知の材料を用いた場合よりも、容量及び電圧に関するサイクル特性が優れている。金属、リン、酸素を含む材料M−P−Oは、リチウム空気二次電池用の空気極の触媒として有効であることが確認できた。 As described above, the lithium-air secondary battery of the present embodiment in which the electrode including the material M-P-O containing metal, phosphorus, and oxygen as the electrode catalyst is the air electrode has a capacity higher than that in the case of using a known material. And excellent cycle characteristics with respect to voltage. It was confirmed that the material M-P-O containing metal, phosphorus, and oxygen is effective as a catalyst for an air electrode for a lithium-air secondary battery.
以上説明したように、金属、リン、酸素を含む材料M−P−Oを触媒とした空気極を備える本発明のリチウム空気二次電池は、充電電圧と放電電圧の差が小さく、且つ充放電サイクル性能の良い二次電池を提供することができる。なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。 As described above, the lithium-air secondary battery of the present invention including the air electrode that uses the material M-P-O containing metal, phosphorus, and oxygen as a catalyst has a small difference between the charging voltage and the discharging voltage, and is charged and discharged. A secondary battery with good cycle performance can be provided. It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified within the scope of the gist thereof.
リチウム空気二次電池の空気極用の電極触媒として金属、リン、酸素を含む材料M−P−Oを用いることにより、充放電サイクル性能に優れたリチウム空気二次電池を作製することができ、様々な電子機器の駆動源として有効利用することができる。 By using the material M-P-O containing metal, phosphorus, and oxygen as the electrode catalyst for the air electrode of the lithium-air secondary battery, a lithium-air secondary battery having excellent charge-discharge cycle performance can be produced. It can be effectively used as a drive source for various electronic devices.
100:リチウム空気二次電池
101:正極(空気極)
102:負極
103:有機電解液
104:空気極固定用リング
105:セパレータ
107:負極固定用リング
108:負極固定用座金
109:負極支持体
110:固定ねじ
111:Oリング
115:空気極支持体
121:空気極端子
122:負極端子
151:仕切り
100: Lithium-air secondary battery 101: Positive electrode (air electrode)
102: Negative electrode 103: Organic electrolyte 104: Air electrode fixing ring 105: Separator 107: Negative electrode fixing ring 108: Negative electrode fixing washer 109: Negative electrode support 110: Fixing screw 111: O ring 115: Air electrode support 121 : Air electrode terminal 122: Negative electrode terminal 151: Partition
Claims (2)
前記正極は、カーボンを主体とする空気極であり、電極触媒として、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Ruの中の少なくとも1種の金属と、P 2 O 7 基を含む材料を添加したことを特徴とするリチウム空気二次電池。 In a lithium-air secondary battery having a positive electrode using oxygen in the air as a positive electrode active material, a negative electrode using metallic lithium or a lithium-containing material as a negative electrode active material, and an organic electrolytic solution containing a lithium salt,
The positive electrode is an air electrode mainly composed of carbon, and at least one metal selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Ru and a material containing a P 2 O 7 group were added as an electrode catalyst . A lithium-air secondary battery characterized in that
前記正極は、カーボンを主体とする空気極であり、電極触媒として、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Ruの中の少なくとも1種の金属と、P 3 O 9 基を含む材料を添加したことを特徴とするリチウム空気二次電池。 In a lithium-air secondary battery having a positive electrode using oxygen in the air as a positive electrode active material, a negative electrode using metallic lithium or a lithium-containing material as a negative electrode active material, and an organic electrolytic solution containing a lithium salt,
The positive electrode is an air electrode mainly composed of carbon, as an electrode catalyst, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and at least one metal in the Ru, was added a material containing P 3 O 9 group It features and to Brighter lithium air secondary battery that.
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