JP7161692B2 - 金属空気電池 - Google Patents
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Description
本発明に係る金属空気電池の一実施形態としては、例えば、図1を参照して説明することができる。図1において、金属空気電池100Aは、第1の正極1、第1の電解質3及び第1の負極複合体2が順に積層される構造を有する。
本実施の形態に係る金属空気電池100A及び100Bにおける正極は、複数の凹部、複数の凸部、又は複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせを含む断面構造を有する。この複数の凹部、複数の凸部、又は複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせは、矩形、三角形及び曲線形から選択される一つの形状を有することが好ましい。矩形や三角形は、角を面取りしてもよい。三角形は、二等辺三角形や、直角三角形、正三角形などが好ましい。曲線形は、正弦曲線や、円弧、楕円弧、二次曲線などが好ましい。
本実施の形態における電解質3としては、金属空気電池で使用される電解質であれば、特に限定されない。例えば、水溶液系電解液又は非水溶液系電解液を用いることができる。
本実施の形態の金属空気電池における負極複合体としては、負極、保護層、及び隔離層を備える負極複合体であれば、特に限定されず、公知の負極複合体を用いることができる。本実施形態に係る負極複合体の一例としては、図5に示される片面型の負極複合体2aがある。このような片面型の負極複合体2aは、図1に示す負極構造体2や、図2に示す第1の負極複合体2Aと、第xの負極複合体2Xに用いることができる。片面型の負極複合体2aは、図5において上下に設けられた第1の金属箔ラミネートフィルム20a及び第2の金属箔ラミネートフィルム20bの間に、固体電解質から構成されている隔離層40と、保護層33と、負極30と、フィルム34とが挟まれた積層構造となっている。金属空気電池の正極(図示省略)側に位置する第1の金属箔ラミネートフィルム20aには、その平面においてほぼ中央の位置に、開口部50が設けられている。
本実施の形態の負極複合体の負極30は、図5及び図6に示すように、負極層32及び負極集電体31を備える。
本実施の形態の負極複合体2の保護層33としては、金属空気電池で使用される保護層であれば、特に限定されない。例えば、保護層33は、リチウムイオン等の負極活物質である金属のイオンや有機電解液が通過可能な複数の空孔を有するものであることが好ましい。このような保護層33として、例えば、リチウムイオン電池等のセパレータとして使用されている多孔質のポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、セルロース等のシートを用いることができる。これらの材料以外に、多孔質構造を持つアラミド、ポリテトラフルオロエチレン、毛細管状構造の酸化アルミニウム等の材質を用いることができる。また、これら材料のシートに有機電解液を含浸させたものを用いることができる。
本実施の形態の負極複合体2の隔離層40としては、金属空気電池で使用される隔離層であれば、特に限定されない。例えば、隔離層40は、電圧を印可することによりイオン(リチウムイオン)を透過することができる固体の物質であることが好ましい。固体電解質としては、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LATP系ガラスセラミック電解質を用いることができる。
本実施の形態の負極複合体2のフィルム34は、負極集電体31の集電部31aの裏側全面を覆っている。フィルム34は、集電部の裏側全面を接合してもよいし、周縁部のみを接合してもよい。また、フィルム34は、負極集電体31の全面のみならず、側面(端部)まで覆ってもよい。フィルム34としては、有機電解液を通さず且つ有機電解液に対して耐性のある、例えば、ポリポロピレンやポリエチレン等の樹脂シート等を用いることができる。
本実施の形態の負極複合体2の金属箔ラミネートフィルム20としては、例えば、図5に示すように、第1の樹脂層21、金属箔層22、第2の樹脂層23の順に3つの層が積層されたシートを用いることができる。なお、各層の間に、例えばナイロンフィルム等の1層又は複数の樹脂フィルムを積層し、4層以上の構造としてもよい。
隔離層40と、第1及び第2の金属箔ラミネートフィルム20a及び20bとの間の空間には、電解液が封入されている。この電解液としては、上述の正極1と負極複合体2とに挟まれた電解質3で説明した、水溶液系電解液や非水溶液系電解液などの各種電解液を用いることができる。負極複合体内に封入する電解液と、正極と負極複合体とに挟まれる電解質は、同じ種類の電解質でもよいし、異なる種類の電解質でもよい。
まず、PP樹脂/Al箔/PET樹脂の金属箔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(LATP)、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、固体電解質4辺をヒートシーラーで熱溶着接合して上側外装体とした。
正極を、以下の手順で作製した。
(1)正極触媒として触媒活性を持つMnO2(比表面積300m2/g)を0.8g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、メノウ乳鉢に移し、分散剤としてエタノールを5ml加えて混練し、正極材料とした。
(2)2.5×2.5cmの圧着部と1×5.5cmのタブ部(端子部)とが一体となったTiメッシュの圧着部を、複数の矩形の凸断面構造を有する上型(凸部高さ:約2mm、凸部幅:約2mm、凸部ピッチ:約4mm、凸部R:0.1mm)及びそれに対応する複数の矩形の凹部断面構造を有する下型(凹部深さ:約2mm、凹部幅:約2mm、凹部ピッチ:約4mm、凹部R:0.1mm)に入れて10~20kNのプレス圧でプレスした。その後、(1)の正極材料を2等分し、成形したTiメッシュ(線径0.1mm、100mesh)の圧着部の両面にそれぞれ配置して再度金型に入れ、20kNのプレス圧でプレスすることで圧着した。その後、Tiメッシュの圧着部からはみ出た正極材料を除去し、空気中で24時間自然乾燥させて、正極を作製した。
水溶液系電解液として、LiOHとLiClの混合液を用い、pHが10以下になるように調製した。上記の混合液を3×3cmのポリアクリルアミドのシート上に1.5ml滴下し、電解質を得た。
上記の方法で作製した、片面型の負極複合体、電解質及び正極を、この順で積層することによって、金属空気電池を作製した。さらに、得られた上記の金属空気電池の正極に、電解質、両面型の負極複合体、電解質、正極、電解質、両面型の負極複合体、電解質、正極、電解質、片面型の負極複合体を、この順で積層することによって、複数のセルを積み重ねた金属空気電池も作製した。
2、2A、2B、2C、2X 負極複合体
2a 片面型の負極複合体
2b 両面型の負極複合体
3、3A、3B、3C、3D 電解質
20a 第1の金属箔ラミネートフィルム
20b 第2の金属箔ラミネートフィルム
21 第1の樹脂層
22 金属箔層
23 第2の樹脂層
30 負極
31 負極集電体
31a 集電部
31b 端子部
32 負極層
33 保護層
34 フィルム
40 隔離層
50 開口部
100A 金属空気電池
100B 金属空気電池
Claims (5)
- 第1の正極と、
第1の電解質と、
負極、保護層、及び隔離層を含む第1の負極複合体と、がこの順に積層され、
前記第1の正極が、複数の凹部、複数の凸部、又は複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせを含む断面構造を有し、前記複数の凹部、前記複数の凸部、又は前記複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせが、矩形、三角形及び曲線形から選択される一つの形状を有し、
前記第1の正極の、前記第1の電解質が積層される面とは反対側の面に、第2の電解質が積層され、
前記第2の電解質の、前記第1の正極が積層される面とは反対側の面に、第2の負極複合体が積層されている、金属空気電池。 - 前記第2の負極複合体の、前記第2の電解質が積層される面とは反対側の面に、第3の電解質が積層され、
前記第3の電解質の、前記第2の負極複合体が積層される面とは反対側の面に、第2の正極が積層され、
前記第2の正極が、複数の凹部、複数の凸部、又は複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせを含む断面構造を有する、請求項1に記載の金属空気電池。 - 前記複数の凹部、前記複数の凸部、又は前記複数の凹部及び複数の凸部の組み合わせが、前記第1の正極の平面において格子模様に並んでいる、請求項1または請求項2に記載の金属空気電池。
- 前記保護層が、前記負極を覆っており、前記隔離層が、前記保護層と前記第1の電解質との間に位置する、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記第1の正極が、正極集電体と正極材料とを備え、前記正極集電体が、金属メッシュであり、前記正極材料が、前記正極集電体のメッシュ内に満たされているとともに、前記正極集電体の両表面に膜状に存在している請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の金属空気電池。
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JP2015149191A (ja) | 2014-02-06 | 2015-08-20 | 日産自動車株式会社 | 空気電池用ユニット及び空気電池 |
CN106486720A (zh) | 2015-08-26 | 2017-03-08 | 三星电子株式会社 | 金属空气电池及控制其温度的方法 |
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