JP7249629B2 - Air electrode for lithium-air battery, lithium-air battery, and method for producing air electrode for lithium-air battery - Google Patents

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Description

本開示は、リチウム空気電池用空気極、リチウム空気電池、及びリチウム空気電池用空気極の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to air electrodes for lithium-air batteries, lithium-air batteries, and methods of manufacturing air electrodes for lithium-air batteries.

近年、二次電池の分野において、エネルギー密度が高く、小型化及び軽量化が容易である等の利点を有する電池として、リチウム空気電池が研究されている。リチウム空気電池はリチウムイオン電池と比べても顕著に高いエネルギー密度を有するため、長距離走行が可能な電気自動車等、各種エネルギー産業への応用が期待されている。 In recent years, in the field of secondary batteries, lithium-air batteries have been studied as batteries having advantages such as high energy density and easy miniaturization and weight reduction. Since lithium-air batteries have significantly higher energy density than lithium-ion batteries, they are expected to be applied to various energy industries, such as electric vehicles that can travel long distances.

リチウム空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質としてリチウムイオンを挿入及び脱離可能な物質を用いた二次電池である。リチウム空気電池の放電時の正極(空気極)及び負極における反応を以下に示す。
正極:2Li + O + 2e → Li
負極:2Li → 2Li + 2e
A lithium-air battery is a secondary battery that uses oxygen in the air as a positive electrode active material and a material capable of intercalating and deintercalating lithium ions as a negative electrode active material. Reactions at the positive electrode (air electrode) and the negative electrode during discharge of the lithium-air battery are shown below.
Positive electrode: 2Li ++ O 2 + 2e → Li 2 O 2
Negative electrode: 2Li → 2Li + + 2e -

また、リチウム空気電池の充電時の正極(空気極)及び負極の反応を以下に示す。
正極:Li → O + 2Li + 2e
負極:2Li + 2e → 2Li
Also, reactions of the positive electrode (air electrode) and the negative electrode during charging of the lithium-air battery are shown below.
Positive electrode: Li 2 O 2 → O 2 + 2Li + + 2e
Negative electrode: 2Li + + 2e - → 2Li

一方、リチウム空気電池は、正極におけるスーパーオキシドアニオンラジカル(O ・)の発生に伴う電解質の分解、耐久性等に関するいくつかの課題を有しており、これらの課題を解決する方法が模索されている。例えば、特許文献1では、金属空気電池の空気極に支持電解質塩であるリチウム塩を含有させたリチウム空気電池が開示されている。この方法では、電解液中だけでなく空気極中に電解質塩を含有させることで、空気極の金属イオン濃度を高めてO ・による電解液分解を抑制し、電池の耐久性を向上させている。 On the other hand, lithium-air batteries have several problems such as electrolyte decomposition and durability due to the generation of superoxide anion radicals (O 2 .) in the positive electrode, and methods to solve these problems are being explored. It is For example, Patent Document 1 discloses a lithium-air battery in which the air electrode of a metal-air battery contains a lithium salt, which is a supporting electrolyte salt. In this method, the electrolyte salt is contained not only in the electrolyte solution but also in the air electrode, thereby increasing the metal ion concentration of the air electrode, suppressing the decomposition of the electrolyte solution by O 2 , and improving the durability of the battery. ing.

また、放電反応によって空気極に析出した過酸化リチウム(Li)は、充電時に電子を奪われて分解される。このとき、過酸化リチウムは空気極の表面から分解されるため、空気極から遠ざかるにつれて過酸化リチウムを分解するための電圧が上昇していく、すなわち過電圧が上昇するという問題がある。これに対し、非特許文献1では、リチウム空気電池において、多孔質三次元網目構造の空気極を採用し、さらに酸化還元媒介体(Redox Mediator;RM)であるLiIを電解液中に含有させることで、充放電反応に関わる各化学種の電解液から空気極への拡散性を向上させ、LiIを効率的に作用させて、エネルギー効率と容量特性(耐久性)を両立させている。 Further, lithium peroxide (Li 2 O 2 ) deposited on the air electrode by the discharge reaction is decomposed by depriving electrons during charging. At this time, since lithium peroxide is decomposed from the surface of the air electrode, there is a problem that the voltage for decomposing lithium peroxide increases as the distance from the air electrode increases, that is, the overvoltage increases. On the other hand, in Non-Patent Document 1, in a lithium-air battery, an air electrode with a porous three-dimensional network structure is adopted, and LiI, which is a redox mediator (RM), is contained in the electrolyte solution. , the diffusion of each chemical species involved in the charge-discharge reaction from the electrolyte to the air electrode is improved, and LiI efficiently acts to achieve both energy efficiency and capacity characteristics (durability).

国際公開第2012/025975号WO2012/025975

Kisuk Kang et. al., Superior Rechargeability and Efficiency of Lithium-Oxygen Batteries: Hierarchical Air Electrode Architecture Combined with a Soluble Catalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, No.15, 3926-3931.Kisuk Kang et. al., Superior Rechargeability and Efficiency of Lithium-Oxygen Batteries: Hierarchical Air Electrode Architecture Combined with a Soluble Catalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, No.15, 3926-3931.

しかしながら、リチウム空気電池のエネルギー効率及び容量維持性には未だ課題がある。例えば、特許文献1に記載の方法では、O ・による電解液分解等の副反応を抑えて電池の劣化を抑制しているものの、充電時の過酸化リチウム分解反応における過電圧を低減することができず、エネルギー効率は低いままである。また、非特許文献1に記載の方法では、酸化還元媒介体による触媒効果が十分に効率的に発揮されておらず、エネルギー効率及び容量維持性には改善の余地がある。 However, there are still challenges in the energy efficiency and capacity maintenance of lithium-air batteries. For example, in the method described in Patent Document 1, the deterioration of the battery is suppressed by suppressing side reactions such as electrolyte decomposition due to O 2 ·, but the overvoltage in the lithium peroxide decomposition reaction during charging cannot be reduced. energy efficiency remains low. In addition, in the method described in Non-Patent Document 1, the catalytic effect of the oxidation-reduction mediator is not sufficiently efficiently exhibited, and there is room for improvement in energy efficiency and capacity retention.

かかる状況に鑑み、本開示は、過電圧の低減が可能であり容量維持性が改善されたリチウム空気電池、並びにこれに用いられる空気極及びその製造方法を提供することを課題とする。 In view of such circumstances, an object of the present disclosure is to provide a lithium-air battery capable of reducing overvoltage and having improved capacity retention, an air electrode used therein, and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するための手段は、以下の態様を含む。
<1> 酸化還元媒介体を含むリチウム空気電池用空気極。
<2> -40~80℃において前記酸化還元媒介体が固体の状態で存在する、<1>に記載のリチウム空気電池用空気極。
<3> 前記酸化還元媒介体が、亜硝酸塩、臭化物塩、及びヨウ化物塩からなる群より選択される少なくとも1つを含む、<1>又は<2>に記載のリチウム空気電池用空気極。
<4> 前記酸化還元媒介体が、LiNO、NaNO、KNO、RbNO、CsNO、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、及びCsIからなる群より選択される少なくとも1つを含む、<3>に記載のリチウム空気電池用空気極。
<5> <1>~<4>のいずれか1項に記載のリチウム空気電池用空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に存在する電解質と、を備えるリチウム空気電池。
<6> 前記電解質が電解液中に存在し、前記空気極中の前記酸化還元媒介体の含有量が、電解液1Lに対して10mmol以上に相当する量である、<5>に記載のリチウム空気電池。
<7> 前記電解質が電解液中に存在し、前記電解液中の前記酸化還元媒介体の濃度が100mmol/L以下である、<5>又は<6>に記載のリチウム空気電池。
<8> 酸化還元媒介体と、導電性材料と、結着材と、溶媒と、を混合してスラリーを調製することと、前記スラリーを集電体に付与して触媒層を形成することと、を含む、リチウム空気電池用空気極の製造方法。
Means for solving the above problems include the following aspects.
<1> An air electrode for a lithium-air battery containing a redox mediator.
<2> The air electrode for a lithium-air battery according to <1>, wherein the redox mediator exists in a solid state at -40 to 80°C.
<3> The air electrode for a lithium air battery according to <1> or <2>, wherein the redox mediator contains at least one selected from the group consisting of nitrite, bromide and iodide salts.
<4> The redox mediator is selected from the group consisting of LiNO 2 , NaNO 2 , KNO 2 , RbNO 2 , CsNO 2 , LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, LiI, NaI, KI, RbI, and CsI. The air electrode for a lithium-air battery according to <3>, including at least one of
<5> A lithium-air battery comprising the air electrode for a lithium-air battery according to any one of <1> to <4>, a negative electrode, and an electrolyte present between the air electrode and the negative electrode.
<6> The lithium according to <5>, wherein the electrolyte is present in an electrolytic solution, and the content of the oxidation-reduction mediator in the air electrode is an amount corresponding to 10 mmol or more per 1 L of the electrolytic solution. air battery.
<7> The lithium-air battery according to <5> or <6>, wherein the electrolyte is present in an electrolytic solution, and the concentration of the redox mediator in the electrolytic solution is 100 mmol/L or less.
<8> Mixing a redox mediator, a conductive material, a binder, and a solvent to prepare a slurry, and applying the slurry to a current collector to form a catalyst layer. A method for manufacturing an air electrode for a lithium-air battery, comprising:

本開示によれば、過電圧の低減が可能であり容量維持性が改善されたリチウム空気電池、並びにこれに用いられる空気極及びその製造方法が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present disclosure, a lithium-air battery capable of reducing overvoltage and having improved capacity retention, an air electrode used therein, and a method for manufacturing the same are provided.

本開示のリチウム空気電池の一実施形態の概略を示す斜視図である。1 is a schematic perspective view of one embodiment of a lithium-air battery of the present disclosure; FIG. 実施例1~3及び比較例1、2のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの15サイクルまでの電位曲線を表す。1 shows potential curves up to 15 cycles when a constant-current discharge-charge cycle test is performed using the lithium-air batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 実施例1~3及び比較例1、2のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの、設定した放充電容量までの容量維持性を示す。1 shows the capacity retention up to a set discharge/charge capacity when a constant-current discharge/charge cycle test is performed using the lithium-air batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 実施例4及び比較例3のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの15サイクルまでの電位曲線を示す。1 shows potential curves up to 15 cycles when a constant-current discharge-charge cycle test is performed using the lithium-air batteries of Example 4 and Comparative Example 3. FIG. 実施例4及び比較例3のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの、設定した放充電容量までの容量維持性を示す。2 shows capacity retention up to a set discharge-charge capacity when a constant-current discharge-charge cycle test is performed using the lithium-air batteries of Example 4 and Comparative Example 3. FIG.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Embodiments for carrying out the present invention will be described in detail below. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not essential unless otherwise specified. The same applies to numerical values and their ranges, which do not limit the present invention.

本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
In the present disclosure, the numerical range indicated using "-" includes the numerical values before and after "-" as the minimum and maximum values, respectively.
In the numerical ranges described step by step in the present disclosure, the upper limit or lower limit of one numerical range may be replaced with the upper or lower limit of another numerical range described step by step. . Moreover, in the numerical ranges described in the present disclosure, the upper or lower limits of the numerical ranges may be replaced with the values shown in the examples.
In the present disclosure, each component may contain multiple types of applicable substances. When there are multiple types of substances corresponding to each component in the composition, the content rate or content of each component is the total content rate or content of the multiple types of substances present in the composition unless otherwise specified. means quantity.

≪リチウム空気電池用空気極≫
本開示のリチウム空気電池用空気極(以下、単に空気極ともいう)は、酸化還元媒介体を含む。空気極は集電体を含んでいてもよく、導電性材料、結着材、酸化還元媒介体以外の触媒等を含んでいてもよい。
≪Air electrode for lithium-air battery≫
The air electrode for a lithium-air battery of the present disclosure (hereinafter also simply referred to as air electrode) includes a redox mediator. The air electrode may contain a current collector, and may contain a conductive material, a binder, a catalyst other than a redox mediator, and the like.

空気極の厚みは特に制限されない。また、空気極の幅及び長さは特に制限されない。 The thickness of the air electrode is not particularly limited. Also, the width and length of the air electrode are not particularly limited.

空気極の作製方法は特に制限されない。例えば、空気極は、酸化還元媒介体及び必要に応じて用いられるその他の成分を含有するスラリーを調製し、当該スラリーを集電体に付与し、必要に応じて乾燥して触媒層を形成することによって作製してもよい。一実施形態において、空気極は、酸化還元媒介体と、導電性材料と、結着材と、溶媒と、を混合してスラリーを調製することと、前記スラリーを集電体に付与して触媒層を形成することと、を含む、製造方法によって製造してもよい。
以下、空気極に用いられる各部材又は成分について説明する。
The method of manufacturing the air electrode is not particularly limited. For example, the air electrode is prepared by preparing a slurry containing a redox mediator and other components used as necessary, applying the slurry to a current collector, and drying as necessary to form a catalyst layer. It may be made by In one embodiment, the air electrode is prepared by mixing a redox mediator, a conductive material, a binder, and a solvent to prepare a slurry, and applying the slurry to a current collector to obtain a catalyst. and forming a layer.
Each member or component used in the air electrode will be described below.

<酸化還元媒介体>
本開示の空気極は酸化還元媒介体を含む。酸化還元媒介体は空気極に加えて電解液等の他の部位に含まれていてもよい。
<Redox Mediator>
The cathode of the present disclosure includes a redox mediator. The redox mediator may be contained in other parts such as the electrolyte in addition to the air electrode.

本開示において、酸化還元媒介体とは、酸化体及び還元体を有し、酸化電位が過酸化リチウムの平衡電位(2.96V)よりも大きく、酸化体が過酸化リチウムを酸化分解してLiを発生させる能力を有する化学種を表す。酸化還元媒介体は、充電時に、まず自らが酸化され、生成した酸化体が過酸化リチウムの表面を攻撃することによって、過酸化リチウムの分解を触媒し、自身は再生される。これにより充電時の充電電位が酸化還元媒介体の電位付近に保たれるため、過電圧の上昇が抑制され安定して充電反応が進む傾向にある。種々の化学種の酸化電位は各種文献に記載されており、当業者が適宜選択することができる。 In the present disclosure, the redox mediator has an oxidant and a reductant, has an oxidation potential higher than the equilibrium potential (2.96 V) of lithium peroxide, and the oxidant oxidatively decomposes lithium peroxide to Li represents a chemical species that has the ability to generate + . The redox mediator is first oxidized during charging, and the generated oxidant attacks the surface of lithium peroxide to catalyze the decomposition of lithium peroxide and regenerate itself. As a result, the charging potential during charging is maintained near the potential of the oxidation-reduction mediator, so that the increase in overvoltage is suppressed and the charging reaction tends to proceed stably. Oxidation potentials of various chemical species are described in various documents and can be appropriately selected by those skilled in the art.

酸化還元媒介体による充電時の過酸化リチウムの分解促進反応を、酸化還元媒介体がLiIである場合を例にとって説明する。充電時には、以下のように、ヨウ化物イオンがまず酸化されて三ヨウ化物イオンとなる。次に、酸化体である三ヨウ化物イオンが過酸化リチウムと反応して、過酸化リチウムを分解し、自らは還元されてヨウ化物イオンに戻る。
3I → I + 2e
+ Li → 3I + 2Li + O
The decomposition-promoting reaction of lithium peroxide during charging by a redox mediator will be described by taking LiI as an example of the redox mediator. During charging, the iodide ion is first oxidized to triiodide ion as follows. The oxidant triiodide ion then reacts with lithium peroxide to decompose it and reduce itself back to iodide ion.
3I → I 3 + 2e
I 3 + Li 2 O 2 → 3I + 2Li ++ O 2

これまでに、リチウム空気電池において、酸化還元媒介体を電解液に溶解させて用いる種々の研究が行われてきた。一方、本開示のリチウム空気電池では、酸化還元媒介体は空気極に存在し、過酸化リチウムの析出する反応場に多く存在するため、過酸化リチウムと酸化還元媒介体の接触効率が向上し、酸化還元媒介体による触媒作用が効率的に発揮されると考えられる。これにより、長期にわたって過電圧の上昇を抑えることができると推測される。 Various researches have so far been conducted on the use of redox mediators dissolved in electrolytes in lithium-air batteries. On the other hand, in the lithium-air battery of the present disclosure, the oxidation-reduction mediator is present in the air electrode, and is abundant in the reaction field where lithium peroxide precipitates. It is believed that the catalysis by the redox mediator is efficiently exhibited. It is presumed that this makes it possible to suppress the increase in overvoltage for a long period of time.

また、酸化還元媒介体を電解液に溶解させて用いる場合、充電時に空気極で酸化された酸化還元媒介体が、過酸化リチウムを分解することなく負極へ拡散し、直接反応して自己放電を起こす、いわゆるシャトル効果が発生する場合がある。一方、空気極に酸化還元媒介体を含む場合は、シャトル効果の影響が抑制され、容量維持性をより向上させることができると考えられる。 When the redox mediator is dissolved in the electrolyte and used, the redox mediator oxidized at the air electrode during charging diffuses into the negative electrode without decomposing the lithium peroxide, and reacts directly to cause self-discharge. A so-called shuttle effect may occur. On the other hand, when the air electrode contains a redox mediator, the influence of the shuttle effect is suppressed, and it is thought that the capacity retention can be further improved.

酸化還元媒介体は、25℃において固体の状態で空気極に存在することが好ましい。特に、酸化還元媒介体は、-40℃~80℃にわたって固体の状態で空気極に存在することが好ましい。本開示において「酸化還元媒介体が固体の状態で空気極に存在する」という場合、酸化還元媒介体の少なくとも一部が固体の状態で存在していればよく、一部が溶解した状態であってもよい。例えば、リチウム空気電池としたときに、リチウム空気電池に含まれる酸化還元媒介体のうち30モル%以上、好ましくは40モル%以上、より好ましくは50モル%以上、さらに好ましくは60モル%以上が、固体の状態で空気極に存在していてもよい。酸化還元媒介体が固体の状態で空気極に存在すると、過電圧の低減及び容量維持性の向上効果がより良好に得られる傾向にある。酸化還元媒介体が固体の状態で空気極に存在すると、電解液に溶解した状態で存在する場合と比べて、高濃度の酸化還元媒介体が過酸化リチウムと接触することができると考えられる。このため、過酸化リチウム分解の触媒効果が特に良好に得られると考えられる。また、シャトル効果もより良好に抑制されると考えられる。 The redox mediator is preferably present at the cathode in a solid state at 25°C. In particular, the redox mediator is preferably present at the cathode in a solid state over -40°C to 80°C. In the present disclosure, when "the redox mediator is present in the air electrode in a solid state", at least a portion of the redox mediator may be present in a solid state, and a portion may be in a dissolved state. may For example, when a lithium-air battery is used, 30 mol% or more, preferably 40 mol% or more, more preferably 50 mol% or more, and still more preferably 60 mol% or more of the redox mediator contained in the lithium-air battery is , may be present in the air electrode in a solid state. When the redox mediator is present in the air electrode in a solid state, the effects of reducing overvoltage and improving capacity retention tend to be obtained more favorably. It is believed that when the redox mediator is present in the cathode in a solid state, a higher concentration of the redox mediator can come into contact with the lithium peroxide than when it is present in a dissolved state in the electrolyte. For this reason, it is considered that a particularly good catalytic effect for decomposing lithium peroxide can be obtained. It is also believed that the shuttle effect is better suppressed.

酸化還元媒介体の酸化電位は過酸化リチウムの平衡電位を超えていればよい。これにより、充電時に過酸化リチウムより先に酸化を受け、酸化還元媒介体として機能することができる。過電圧の上昇を効果的に抑制する観点からは、酸化還元媒介体の酸化電位は、過酸化リチウムの平衡電位の理論値である2.96Vを超え4.00V以下であることが好ましく、2.96Vを超え3.80V以下であることがより好ましく、2.96Vを超え3.50V以下であることがさらに好ましい。 The oxidation potential of the redox mediator need only exceed the equilibrium potential of lithium peroxide. As a result, it can be oxidized prior to lithium peroxide during charging and can function as a redox mediator. From the viewpoint of effectively suppressing an increase in overvoltage, the oxidation potential of the redox mediator is preferably more than 2.96 V, which is the theoretical value of the equilibrium potential of lithium peroxide, and 4.00 V or less. It is more preferably over 96V and 3.80V or less, and more preferably over 2.96V and 3.50V or less.

酸化還元媒介体が固体である場合の酸化還元媒介体の形状は特に制限されず、粉末状(粒子状、顆粒状等)、ゲル状、シート状、多孔質状等であってもよい。酸化還元媒介体が粉末状(粒子状等)、多孔質状等であると、表面積が増大し、良好に酸化還元媒介効果を得られる傾向にある。酸化還元媒介体が粉末状(粒子状)である場合の粒子径は特に制限されない。 When the redox mediator is solid, the shape of the redox mediator is not particularly limited, and may be powder (particulate, granular, etc.), gel, sheet, porous, or the like. When the oxidation-reduction mediator is in the form of powder (particulates, etc.), porous, etc., the surface area tends to be increased, and a good oxidation-reduction mediation effect can be obtained. When the redox mediator is in powder form (particulate form), the particle size is not particularly limited.

酸化還元媒介体は、有機物塩であっても無機物塩であってもよい。無機物塩としては、亜硝酸塩、臭化物塩、ヨウ化物塩等が挙げられる。より具体的には、LiNO、NaNO、KNO、RbNO、CsNO、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、CsI等が挙げられる。有機物塩としては、テトラチアフルバレン(TTF)、フェロセン(Ferrocene)、2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジニルオキシ(TEMPO)、テトラメチル-p-フェニレンジアミン(TMPD)、5,10-ジメチルフェナジン(DMPZ)、1,5-ナフタレンジアミン(NDA)、4,N,N-トリメチルアニリン(TMA)、または1-フェニルピロリジン(PPD)、N-メチルフェノチアジン(MPT)、2,5-ジt-ブチル-1,4-ベンズキノン(DBBQ)等が挙げられる。酸化還元媒介体は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。 The redox mediator may be an organic salt or an inorganic salt. Examples of inorganic salts include nitrites, bromide salts, iodide salts and the like. More specifically, LiNO 2 , NaNO 2 , KNO 2 , RbNO 2 , CsNO 2 , LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, LiI, NaI, KI, RbI, CsI and the like. Organic salts include tetrathiafulvalene (TTF), ferrocene, 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO), tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD), 5 , 10-dimethylphenazine (DMPZ), 1,5-naphthalenediamine (NDA), 4,N,N-trimethylaniline (TMA), or 1-phenylpyrrolidine (PPD), N-methylphenothiazine (MPT), 2, 5-di-t-butyl-1,4-benzquinone (DBBQ) and the like. The redox mediators may be used singly or in combination of two or more.

空気極中の酸化還元媒介体の含有率は特に制限されない。酸化還元媒介体を含有するスラリーを用いて空気極集電体上に触媒層を形成することによって空気極を作製する場合には、スラリーの固形分(すなわちスラリーから揮発成分を除いた成分;触媒層)に対する酸化還元媒介体の含有率は、酸化還元媒介体及び他の成分の特性のバランスの観点から、5質量%~80質量%であることが好ましく、10質量%~70質量%であることがより好ましく、15質量%~60質量%であることがさらに好ましい。 The redox mediator content in the air electrode is not particularly limited. When an air electrode is produced by forming a catalyst layer on an air electrode current collector using a slurry containing a redox mediator, the solid content of the slurry (i.e., components obtained by removing volatile components from the slurry; catalyst The content of the redox mediator in the layer) is preferably 5% to 80% by mass, more preferably 10% to 70% by mass, from the viewpoint of the balance of properties of the redox mediator and other components. is more preferable, and 15% by mass to 60% by mass is even more preferable.

<空気極集電体>
空気極は空気極集電体を含んでいてもよい。空気極集電体の材質は導電性を有する限り特に制限されず、ニッケル、アルミニウム等の金属、ステンレス鋼等の合金、カーボン材料などが挙げられる。空気極集電体は1種を単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Air electrode current collector>
The air electrode may include an air electrode current collector. The material of the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include metals such as nickel and aluminum, alloys such as stainless steel, and carbon materials. The air electrode current collector may be used alone or in combination of two or more.

空気極集電体の形状は特に制限されず、シート状、板状、メッシュ状、繊維状等であってもよい。空気極集電体は多孔質構造を有しても有さなくてもよく、反応場を増やして充放電効率を向上させる観点からは、多孔質構造を有することが好ましい。 The shape of the air electrode current collector is not particularly limited, and may be sheet-like, plate-like, mesh-like, fiber-like, or the like. The air electrode current collector may or may not have a porous structure, and preferably has a porous structure from the viewpoint of increasing reaction fields and improving charge/discharge efficiency.

<導電性材料>
空気極は空気極集電体の他に、導電性材料を含んでいてもよい。導電性材料は、導電助剤としての働きを有するものであってもよく、触媒の担体としての働きを有するものであってもよい。導電性材料としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、天然黒鉛、グラファイト、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン等が挙げられる。導電性材料は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。導電性材料の形状は、例えば、粒子状、扁平状、繊維状等であってもよい。導電性材料は、多孔質構造を有しても有さなくてもよく、反応場を増やして充放電効率を向上させる観点からは、多孔質構造を有することが好ましい。
<Conductive material>
The air electrode may contain a conductive material in addition to the air electrode current collector. The conductive material may function as a conductive aid or may function as a carrier for the catalyst. Examples of conductive materials include carbon black such as ketjen black and acetylene black, natural graphite, graphite, carbon nanotube (CNT), graphene, and the like. The conductive material may be used singly or in combination of two or more. The shape of the conductive material may be, for example, particulate, flat, fibrous, or the like. The conductive material may or may not have a porous structure, and preferably has a porous structure from the viewpoint of increasing reaction fields and improving charge/discharge efficiency.

空気層における触媒層中の導電性材料の含有率は特に制限されない。酸化還元媒介体及び導電性材料を含有するスラリーを用いて空気極集電体上に触媒層を形成することによって空気極を作製する場合には、スラリーの固形分(触媒層)に対する導電性材料の含有率は、スラリーに含まれる各種成分による特性のバランスの観点から、20質量%~80質量%であることが好ましく、30質量%~70質量%であることがより好ましく、40質量%~60質量%であることがさらに好ましい。 The content of the conductive material in the catalyst layer in the air layer is not particularly limited. When an air electrode is produced by forming a catalyst layer on an air electrode current collector using a slurry containing a redox mediator and a conductive material, the amount of the conductive material with respect to the solid content of the slurry (catalyst layer) The content of is preferably 20% by mass to 80% by mass, more preferably 30% by mass to 70% by mass, from the viewpoint of the balance of properties due to various components contained in the slurry, and 40% by mass to It is more preferably 60% by mass.

<酸化還元媒介体以外の触媒>
空気極は酸化還元媒介体以外の触媒を含んでいてもよい。酸化還元媒介体以外の触媒としては、充放電反応を促進するものであれば特に制限されない。例えば、充電時に過酸化リチウム分解の活性化エネルギーを下げる触媒、反対に、放電時に過酸化リチウムの生成の活性化エネルギーを下げる触媒等が挙げられる。
触媒としては、具体的には、白金、金等の貴金属;マンガン、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、イリジウム等の金属やそれらの金属酸化物あるいは金属錯体;導電性材料として前述した材料が挙げられる。これらの触媒は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
酸化還元媒介体以外の触媒の形状は特に制限されず、ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノフレーク、ナノロッド、ナノシート、多孔質体等の形状であってもよい。
<Catalysts other than redox mediators>
The cathode may contain a catalyst other than the redox mediator. Catalysts other than redox mediators are not particularly limited as long as they promote charge-discharge reactions. For example, a catalyst that lowers the activation energy of lithium peroxide decomposition during charge, and a catalyst that lowers the activation energy of lithium peroxide formation during discharge.
Specific examples of catalysts include noble metals such as platinum and gold; metals such as manganese, cobalt, nickel, iron, ruthenium, and iridium, and metal oxides or metal complexes thereof; and the materials described above as conductive materials. . These catalysts may be used alone or in combination of two or more.
The shape of the catalyst other than the redox mediator is not particularly limited, and may be nanoparticles, nanowires, nanoflakes, nanorods, nanosheets, porous bodies, or the like.

空気極が酸化還元媒介体以外の触媒を含む場合、酸化還元媒介体以外の触媒の含有率は特に制限されない。酸化還元媒介体及びその他の触媒を含有するスラリーを用いて空気極集電体上に触媒層を形成することによって空気極を作製する場合には、スラリーの固形分(触媒層)に対する、酸化還元媒介体以外の触媒の含有率は、当該触媒による放充電反応促進の効果を好適に発揮する観点からは、5質量%~60質量%の範囲であってもよく、10質量%~50質量%の範囲であってもよい。 When the air electrode contains a catalyst other than the redox mediator, the content of the catalyst other than the redox mediator is not particularly limited. When an air electrode is produced by forming a catalyst layer on an air electrode current collector using a slurry containing a redox mediator and other catalysts, the solid content (catalyst layer) of the slurry is subjected to redox The content of the catalyst other than the mediator may be in the range of 5% to 60% by mass, or 10% to 50% by mass, from the viewpoint of suitably exhibiting the effect of promoting the discharge and charge reaction by the catalyst. may be in the range of

<結着材>
空気極は結着材をさらに含んでもよい。空気極が結着材を含むことで、酸化還元媒介体及び必要に応じて用いられるその他の成分が空気極に良好に固定され、放充電効率がより向上する傾向にある。結着材の種類は特に制限されず、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム等のフッ素系樹脂;ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル等の熱可塑性樹脂;スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム、ポリイミド樹脂などが挙げられる。結着材は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
<Binder>
The air electrode may further contain a binder. When the air electrode contains a binder, the redox mediator and other components that are used as necessary are well fixed to the air electrode, which tends to further improve the discharge and charge efficiency. The type of binder is not particularly limited, and fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and fluororubber; thermoplastic resins such as polypropylene, polyethylene, and polyacrylonitrile; styrene-butadiene rubber ( rubber such as SBR), polyimide resin, and the like. One type of binder may be used alone, or two or more types may be used in combination.

空気極が結着材を含む場合、空気極中の結着材の含有率は特に制限されない。酸化還元媒介体及び結着材を含有するスラリーを用いて空気極集電体上に触媒層を形成することによって空気極を作製する場合には、スラリーの固形分(触媒層)に対する結着材の含有率は、スラリーに含まれる各種成分の特性及び分散性のバランスの観点から、1質量%~20質量%であることが好ましく、2質量%~15質量%であることが好ましく、3質量%~10質量%であることがより好ましい。 When the air electrode contains a binder, the content of the binder in the air electrode is not particularly limited. When an air electrode is produced by forming a catalyst layer on an air electrode current collector using a slurry containing a redox mediator and a binder, the binder for the solid content (catalyst layer) of the slurry The content is preferably 1% by mass to 20% by mass, preferably 2% by mass to 15% by mass, from the viewpoint of the balance of the properties and dispersibility of various components contained in the slurry, and 3% by mass. % to 10 mass %.

<溶媒>
酸化還元媒介体を含有するスラリーを調製して集電体に付与することによって空気極を作製する場合、当該スラリーは溶媒を含有してもよい。溶媒としては、スラリーに含まれる各成分を分散又は溶解可能なものであれば特に制限されず、水系溶媒であっても有機系溶媒であってもよい。例えば、溶媒としては、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、1-メトキシ-2-プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジメチルホルムアミド、シクロヘキサノン、ジオキソラン、水等が挙げられる。溶媒は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
<Solvent>
When an air electrode is produced by preparing a slurry containing a redox mediator and applying it to a current collector, the slurry may contain a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it can disperse or dissolve each component contained in the slurry, and may be an aqueous solvent or an organic solvent. Examples of solvents include N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, ethanol, propanol, isopropanol, 1-methoxy-2-propanol, acetone, methylethylketone, methylisobutylketone, dimethylformamide, cyclohexanone, dioxolane, and water. A solvent may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

スラリー中の溶媒の含有率は特に制限されず、粘度、付与の均一性等の観点からは、スラリーの質量に対して60質量%~95質量%であることが好ましい。 The content of the solvent in the slurry is not particularly limited, and is preferably 60% by mass to 95% by mass relative to the mass of the slurry from the viewpoint of viscosity, uniformity of application, and the like.

≪リチウム空気電池≫
本開示のリチウム空気電池は、上述の本開示の空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に存在する電解質と、を備える。リチウム空気電池はさらにセパレーター等のその他の部材を有していてもよい。
≪Lithium air battery≫
The lithium-air battery of the present disclosure comprises the air electrode of the present disclosure described above, a negative electrode, and an electrolyte present between the air electrode and the negative electrode. A lithium-air battery may further have other members such as a separator.

本開示の一実施形態におけるリチウム空気電池の具体例を、図1を参照して説明する。なお、本開示のリチウム空気電池は図1に示される構成に限定されない。また、図1における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。
図1は充電時のリチウム空気電池の一実施形態を表している。図1において、リチウム空気電池100は、空気極2及び負極4を有し、空気極2及び負極4の間に電解質を含む電解液6が貯留されている。また、空気極2及び負極4の間には両極間の絶縁を担うセパレーター8が設けられている。セパレーター8よりも空気極側に存在する正極電解液とセパレーター8よりも負極側に存在する負極電解液は同じ電解液であっても異なる電解液であってもよい。充電時には、電源10が空気極2と負極4とを電気的に接続している。なお、放電時には、電源10の代わりに負荷(図示せず)が接続される。
A specific example of a lithium-air battery in one embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. Note that the lithium-air battery of the present disclosure is not limited to the configuration shown in FIG. In addition, the sizes of the members in FIG. 1 are conceptual, and the relative relationship between the sizes of the members is not limited to this.
FIG. 1 depicts one embodiment of a lithium-air battery during charging. In FIG. 1 , a lithium-air battery 100 has an air electrode 2 and a negative electrode 4 , and an electrolytic solution 6 containing an electrolyte is stored between the air electrode 2 and the negative electrode 4 . A separator 8 is provided between the air electrode 2 and the negative electrode 4 to provide insulation between the two electrodes. The positive electrode electrolyte present on the air electrode side of the separator 8 and the negative electrode electrolyte present on the negative electrode side of the separator 8 may be the same electrolyte or different electrolytes. During charging, the power source 10 electrically connects the air electrode 2 and the negative electrode 4 . A load (not shown) is connected instead of the power supply 10 during discharging.

本開示のリチウム空気電池において、酸化還元媒介体は空気極に存在する他、電解液中に溶解していてもよい。酸化還元媒介体が電解液中に溶解している場合、電解液中の酸化還元媒介体の濃度は、シャトル効果を好適に抑制する観点からは、100mmol/L以下であってもよく、50mmol/L以下であってもよく、30mmol/L以下であってもよい。なお、酸化還元媒介体はデンドライトの発生抑制、負極に堆積しうる酸化リチウムの分解等、望ましい特性を有することがある。このような特性を期待する観点からは、電解液中の酸化還元媒介体の濃度は例えば1mmol/L以上であってもよい。本開示において酸化還元媒介体のモル数又はモル濃度は、酸化還元媒介体が無機塩又は有機塩として存在しうる場合は、塩としてのモル数又はモル濃度を表す。 In the lithium-air battery of the present disclosure, the redox mediator may be present in the air electrode or dissolved in the electrolyte. When the redox mediator is dissolved in the electrolyte, the concentration of the redox mediator in the electrolyte may be 100 mmol/L or less, or 50 mmol/L, from the viewpoint of suitably suppressing the shuttle effect. L or less, or 30 mmol/L or less. The redox mediator may have desirable properties such as dendrite generation suppression and decomposition of lithium oxide that may accumulate on the negative electrode. From the viewpoint of expecting such properties, the concentration of the redox mediator in the electrolytic solution may be, for example, 1 mmol/L or more. Moles or concentrations of redox mediators in this disclosure refer to moles or molarities as salts when the redox mediator can be present as an inorganic or organic salt.

リチウム空気電池中の酸化還元媒介体の全含有量(すなわち、固体で存在している酸化還元媒介体と電解液中に溶解している酸化還元媒介体の合計量)は特に制限されない。酸化還元媒介体の効果を良好に発揮する観点からは、リチウム空気電池中の酸化還元媒介体の含有量は、電解液1Lに対して10mmol以上に相当する量であることが好ましく、50mmol以上に相当する量であることがより好ましく、100mmol以上に相当する量であることがさらに好ましい。酸化還元媒介体の含有量の上限は特に制限されず、適当な反応場を確保する観点からは、酸化還元媒介体の含有量は電解液1Lに対して2000mmol以下に相当する量であってもよい。 The total content of redox mediators in the lithium-air battery (ie, the total amount of redox mediators present in the solid state and dissolved in the electrolyte) is not particularly limited. From the viewpoint of satisfactorily exhibiting the effect of the redox mediator, the content of the redox mediator in the lithium-air battery is preferably an amount corresponding to 10 mmol or more, preferably 50 mmol or more, per 1 L of the electrolytic solution. A corresponding amount is more preferable, and an amount corresponding to 100 mmol or more is even more preferable. The upper limit of the content of the redox mediator is not particularly limited, and from the viewpoint of securing an appropriate reaction field, the content of the redox mediator may be an amount equivalent to 2000 mmol or less per 1 L of the electrolytic solution. good.

リチウム空気電池において、電解質が電解液中に存在するとき、当該電解液に対する酸化還元媒介体の溶解度は特に制限されず、例えば25℃において100mmol/L以下であってもよく、50mmol/L以下であってもよい。本開示のリチウム空気電池では、酸化還元媒介体が空気極に存在するため、電解液に対する溶解度が比較的低い場合であっても、効率よく触媒作用が発揮されると考えられる。 In the lithium-air battery, when the electrolyte is present in the electrolytic solution, the solubility of the redox mediator in the electrolytic solution is not particularly limited. There may be. In the lithium-air battery of the present disclosure, since the oxidation-reduction mediator is present in the air electrode, even if the solubility in the electrolyte is relatively low, it is thought that the catalytic action is efficiently exhibited.

以下、リチウム空気電池の各部材又は成分について説明する。 Each member or component of the lithium-air battery will be described below.

<空気極>
本開示のリチウム空気電池に用いられる空気極の詳細は前述の通りである。
<Air electrode>
The details of the air electrode used in the lithium-air battery of the present disclosure are as described above.

<負極>
リチウム空気電池は負極を含む。負極は、リチウムイオンを挿入及び脱離可能な負極活物質を含む。負極は、負極活物質を含む層が負極集電体上に形成されてなるものであってもよい。
<Negative Electrode>
A lithium-air battery includes a negative electrode. The negative electrode includes a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions. The negative electrode may be formed by forming a layer containing a negative electrode active material on a negative electrode current collector.

負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、炭素材料等が挙げられる。リチウム合金としては、アルミニウム、スズ、ケイ素等とリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、スズ、ケイ素等の酸化物が挙げられる。金属硫化物としては、スズ、チタン等の硫化物が挙げられる。金属窒化物としては、リチウムマンガン、リチウムコバルト等の窒化物が挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、コークス、球状炭素等が挙げられる。負極活物質は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。電池容量の観点からは、負極活物質として金属リチウムを用いることが好ましい。 Examples of negative electrode active materials include metallic lithium, lithium alloys, metallic oxides, metallic sulfides, metallic nitrides, and carbon materials. Lithium alloys include alloys of aluminum, tin, silicon and the like with lithium. Metal oxides include oxides of tin, silicon, and the like. Metal sulfides include sulfides of tin and titanium. Metal nitrides include nitrides of lithium manganese, lithium cobalt, and the like. Carbon materials include graphite, coke, spherical carbon, and the like. A negative electrode active material may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. From the viewpoint of battery capacity, it is preferable to use metallic lithium as the negative electrode active material.

負極集電体の材質は、導電性を有する限り特に制限されず、ニッケル、銅等の金属、ステンレス鋼等の合金、カーボン材料などが挙げられる。負極集電体の形状は特に制限されず、シート状、板状、メッシュ状、繊維状等であってもよい。負極集電体は多孔質構造を有しても有さなくてもよい。 The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include metals such as nickel and copper, alloys such as stainless steel, and carbon materials. The shape of the negative electrode current collector is not particularly limited, and may be sheet-like, plate-like, mesh-like, fiber-like, or the like. The negative electrode current collector may or may not have a porous structure.

負極の厚みは特に制限されず、電池容量の観点からは、10μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましく、100μm以上であることがさらに好ましい。小型化の観点からは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましく、200μm以下であることがさらに好ましい。負極の幅及び長さは特に制限されない。 The thickness of the negative electrode is not particularly limited, and is preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, and even more preferably 100 μm or more from the viewpoint of battery capacity. From the viewpoint of miniaturization, it is preferably 500 μm or less, more preferably 300 μm or less, and even more preferably 200 μm or less. The width and length of the negative electrode are not particularly limited.

負極の作製方法は特に制限されない。例えば、負極として、シート状、板状等の負極活物質をそのまま用いてもよい。また、負極は、負極活物質及び必要に応じて用いられる導電性材料、結着材等の成分を混合して負極合剤のスラリーを調製し、当該スラリーを集電体に付与して、乾燥、及び必要に応じて圧密化することによって作製してもよい。負極に含まれてもよい導電性物質及び結着材の詳細は空気極に含まれてもよい導電性物質及び結着材の詳細を適用することができる。スラリーの調製には各成分の分散又は溶解のための溶媒を使用してもよい。溶媒の具体例は正極のスラリーの調製に用いられる溶媒として前述したものが挙げられる。また、負極は、シート状、板状等の負極活物質を負極集電体に圧着することによって作製してもよい。 The method for producing the negative electrode is not particularly limited. For example, as the negative electrode, a sheet-like, plate-like negative electrode active material may be used as it is. In addition, for the negative electrode, the negative electrode active material and optionally used conductive materials, binders, and other components are mixed to prepare a negative electrode mixture slurry, the slurry is applied to a current collector, and dried. , and optionally compacting. The details of the conductive substance and binder that may be contained in the negative electrode can be applied to the details of the conductive substance and binder that may be contained in the air electrode. A solvent for dispersing or dissolving each component may be used to prepare the slurry. Specific examples of the solvent include those described above as the solvent used for preparing the positive electrode slurry. Also, the negative electrode may be produced by press-bonding a sheet-like, plate-like negative electrode active material to a negative electrode current collector.

<電解質>
本開示のリチウム空気電池は電解質を含む。電解質は電解質塩が非水溶媒に溶解された電解液の形態で存在してもよく、固体電解質の形態で存在してもよい。電解液及び固体電解質を組み合わせて用いてもよい。
<Electrolyte>
A lithium-air battery of the present disclosure includes an electrolyte. The electrolyte may exist in the form of an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent, or may exist in the form of a solid electrolyte. An electrolytic solution and a solid electrolyte may be used in combination.

電解質としては、空気極と負極の間でリチウムイオンを伝導可能なものであればよく、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩は有機リチウム塩であっても無機リチウム塩であってもよい。無機リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiClO、LiNO等が挙げられる。有機リチウム塩としては、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)、リチウムビスフルオロスルホニルイミド(LiFSI)、リチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiOTf)等が挙げられる。電解質は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。 Any electrolyte can be used as long as it can conduct lithium ions between the air electrode and the negative electrode, and a lithium salt can be used. The lithium salt may be an organic lithium salt or an inorganic lithium salt. Examples of inorganic lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiNO 3 and the like. Examples of organic lithium salts include lithium bistrifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI), lithium bisfluoromethanesulfonylimide (LiFSI), lithium trifluoromethanesulfonate (LiOTf), and the like. One type of electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination.

電解質の溶媒の種類は、電解質を溶解可能なものであれば特に制限されない。
非水溶媒としては、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類;酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等のエステル類;イオン性液体、ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、エチルメチルスルホン、スルホラン等が挙げられる。なかでも、放充電時の分解安定性の観点からは、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル類からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。電解質の溶媒は1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。
The type of solvent for the electrolyte is not particularly limited as long as it can dissolve the electrolyte.
Non-aqueous solvents include ethers such as diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol diethyl ether; ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl Carbonates such as carbonate and diethyl carbonate; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate and ethyl propionate; ionic liquids, dimethoxyethane, dimethylsulfoxide, ethylmethylsulfone, sulfolane and the like. Among them, the group consisting of ethers such as diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol diethyl ether from the viewpoint of decomposition stability during discharge and charge. At least one more selected is preferable. Solvents for the electrolyte may be used singly or in combination of two or more.

固体電解質としては、LiLaZr12(LLZ)、LISICON(Lithium Super Ionic Conductor)等が挙げられる。 Solid electrolytes include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ), LISICON (Lithium Super Ionic Conductor), and the like.

電解質が電解液中に存在する場合、電解液中の電解質の濃度は特に制限されず、電解液の電気伝導度、粘度等のバランスの観点からは、0.05mol/L~2.00mol/Lであることが好ましく、0.10mol/L~1.50mol/Lであることがより好ましく、0.15mol/L~1.00mol/Lであることがさらに好ましい。 When the electrolyte is present in the electrolytic solution, the concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, and from the viewpoint of the balance of the electric conductivity, viscosity, etc. of the electrolytic solution, it is 0.05 mol / L to 2.00 mol / L. , more preferably 0.10 mol/L to 1.50 mol/L, even more preferably 0.15 mol/L to 1.00 mol/L.

<セパレーター>
リチウム空気電池はセパレーターを含んでいてもよい。セパレーターは、リチウムイオンの透過性を有し、空気極と負極の絶縁性を維持できるものであれば特に制限されない。セパレーターの材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー、セルロース系ポリマー、フッ素系ポリマー、ガラス、紙等が挙げられる。セパレーターの形状は多孔膜、不織布等であってもよい。
<Separator>
A lithium-air battery may include a separator. The separator is not particularly limited as long as it has lithium ion permeability and can maintain insulation between the air electrode and the negative electrode. Examples of materials for the separator include polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene, cellulose polymers, fluorine polymers, glass, and paper. The shape of the separator may be a porous membrane, a non-woven fabric, or the like.

セパレーターの厚みは特に制限されず、例えば10μm~1000μmであってもよい。 The thickness of the separator is not particularly limited, and may be, for example, 10 μm to 1000 μm.

[リチウム空気電池の用途]
本開示のリチウム空気電池の用途は特に制限されず、電気自動車用駆動電源、次世代送電網(スマートグリッド)のための定置用蓄電池、太陽光や風力等の自然エネルギーによる発電施設における電力平準化又は蓄電用電池、モバイル用大容量電池など、エネルギー産業全般に応用することができる。
[Applications of lithium-air batteries]
Applications of the lithium-air battery of the present disclosure are not particularly limited, and include driving power sources for electric vehicles, stationary storage batteries for next-generation power grids (smart grids), power leveling in power generation facilities using natural energies such as solar and wind power. Alternatively, it can be applied to the energy industry in general, such as storage batteries and mobile large-capacity batteries.

次に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。 EXAMPLES Next, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

<実施例1>
[空気極の作製]
LiI(酸化還元媒介体)、ケッチェンブラック(KB:導電性材料)、及びポリフッ化ビニリデン(PVDF:結着材)を、N-メチルピロリドン(NMP:溶媒)中に、質量比で50:50:6の割合で混合して空気極の触媒層スラリーを調製した。調製したスラリーを、カーボンペーパー(空気極集電体)の表面に塗布して乾燥させ、触媒層が形成された空気極を得た。
<Example 1>
[Production of air electrode]
LiI (redox mediator), Ketjenblack (KB: conductive material), and polyvinylidene fluoride (PVDF: binder) were dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP: solvent) at a mass ratio of 50:50. :6 to prepare a catalyst layer slurry for an air electrode. The prepared slurry was applied to the surface of carbon paper (air electrode current collector) and dried to obtain an air electrode with a catalyst layer formed thereon.

[リチウム空気電池の作製]
アルゴングローブボックス中(露点<-90℃)にて、ジエチレングリコールジメチルエーテル(溶媒)にLiTFSI(電解質塩)を溶解して電解液(濃度:0.2mol/L)を調製した。負極として金属リチウム箔(厚み:500μm)を用い、調製した電解液、セパレーター(セルガード2400(厚み:25μm))、さらに電解液、上記で得られた空気極の順で挟み込み、リチウム空気電池を作製した。
[Fabrication of lithium-air battery]
An electrolytic solution (concentration: 0.2 mol/L) was prepared by dissolving LiTFSI (electrolyte salt) in diethylene glycol dimethyl ether (solvent) in an argon glove box (dew point <−90° C.). Using a metal lithium foil (thickness: 500 μm) as the negative electrode, the prepared electrolyte, a separator (Celgard 2400 (thickness: 25 μm)), the electrolyte, and the air electrode obtained above are sandwiched in this order to produce a lithium-air battery. bottom.

<実施例2>
LiIをLiBr(酸化還元媒介体)に変更した以外は実施例1と同様にして空気極及びリチウム空気電池を作製した。
<Example 2>
An air electrode and a lithium-air battery were produced in the same manner as in Example 1, except that LiBr (redox mediator) was used instead of LiI.

<実施例3>
LiIをNaNO(酸化還元媒介体)に変更した以外は実施例1と同様にして空気極及びリチウム空気電池を作製した。
<Example 3>
An air electrode and a lithium-air battery were produced in the same manner as in Example 1, except that LiI was changed to NaNO 2 (redox mediator).

<比較例1>
LiIを用いなかった以外は実施例1と同様にして空気極及びリチウム空気電池を作製した。
<Comparative Example 1>
An air electrode and a lithium-air battery were produced in the same manner as in Example 1, except that LiI was not used.

<比較例2>
LiIをLiClに変更した以外は実施例1と同様にして空気極及びリチウム空気電池を作製した。なお、LiClは酸化還元媒介体の機能を有さないリチウム塩である。
<Comparative Example 2>
An air electrode and a lithium-air battery were produced in the same manner as in Example 1, except that LiI was changed to LiCl. LiCl is a lithium salt that does not function as a redox mediator.

<比較例3>
リチウム空気電池の作製において、電解液にさらにLiBr(酸化還元媒介体)を濃度が50mmol/Lとなるように添加した以外は比較例1と同様にリチウム空気電池を作製した。
<Comparative Example 3>
A lithium-air battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1, except that LiBr (oxidation-reduction mediator) was further added to the electrolytic solution so as to have a concentration of 50 mmol/L.

<実施例4>
比較例3において電解液に含有させたLiBrと同量のLiBrを、電解液に含有させる代わりに空気極に固体の状態で含有させてリチウム空気電池を作製した。
<Example 4>
LiBr in the same amount as LiBr contained in the electrolytic solution in Comparative Example 3 was contained in the air electrode in a solid state instead of being contained in the electrolytic solution, thereby producing a lithium-air battery.

実施例1~4及び比較例1~3のリチウム空気電池の構成の概要を表1及び表2に示す。表中「-」は各項目に該当しないことを表す。 Tables 1 and 2 show outlines of the configurations of the lithium-air batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3. "-" in the table indicates that it does not correspond to each item.

Figure 0007249629000001
Figure 0007249629000001

Figure 0007249629000002
Figure 0007249629000002

[リチウム空気電池の評価]
実施例及び比較例で得られたリチウム空気電池を用いて、純酸素(99.9体積%)雰囲気中、30℃にて、印加電流200mA/g-KB、放充電容量500mAh/g-KB、カットオフ電位2.0V~4.5Vの条件で定電流放充電サイクル試験を行った。評価結果を図2~図5に示す。
[Evaluation of lithium-air battery]
Using the lithium-air batteries obtained in Examples and Comparative Examples, in a pure oxygen (99.9% by volume) atmosphere at 30° C., an applied current of 200 mA/g-KB, a discharge charge capacity of 500 mAh/g-KB, A constant-current discharge-charge cycle test was conducted under the conditions of a cut-off potential of 2.0V to 4.5V. The evaluation results are shown in FIGS. 2 to 5. FIG.

図2は、実施例1~3及び比較例1、2のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの15サイクルまでの電位曲線を示す。
放電時及び充電時の過電圧とは、それぞれ、以下の反応の理論電位(すなわち2.96V(V vs. Li/Li))からの電位差であり、小さいほど好ましい。
放電時:2Li + O + 2e → Li
充電時:Li → 2Li + O + 2e
図2に示される通り、酸化還元媒介体を空気極に含有させた実施例1~3のリチウム空気電池では、比較例1、2のリチウム空気電池と比べて過電圧が低減されていることが分かる。
FIG. 2 shows potential curves up to 15 cycles when a constant current discharge/charge cycle test was performed using the lithium-air batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
The overvoltage during discharge and during charge is a potential difference from the theoretical potential of the following reaction (ie, 2.96 V (V vs. Li/Li + )), and the smaller the better.
During discharge: 2Li ++ O 2 + 2e → Li 2 O 2
During charging: Li 2 O 2 → 2Li ++ O 2 + 2e
As shown in FIG. 2, in the lithium-air batteries of Examples 1 to 3, in which the redox mediator was contained in the air electrode, the overvoltage was reduced compared to the lithium-air batteries of Comparative Examples 1 and 2. .

図3は、実施例1~3及び比較例1、2のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの、設定した放充電容量までの容量維持性を示す。500mAh/g-KBまでの容量が維持されているサイクル数が多いほど好ましい。
図3に示される通り、実施例1~3のリチウム空気電池では、比較例1、2のリチウム空気電池と比べて容量維持性が向上している。
FIG. 3 shows capacity retention up to a set discharge/charge capacity when a constant current discharge/charge cycle test was performed using the lithium-air batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. The higher the number of cycles in which the capacity up to 500 mAh/g-KB is maintained, the better.
As shown in FIG. 3, in the lithium-air batteries of Examples 1-3, compared with the lithium-air batteries of Comparative Examples 1 and 2, the capacity retention is improved.

図4は、酸化還元媒介体を空気極に含有させた実施例4、及び同量の酸化還元媒介体を電解液に含有させた比較例3のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの15サイクルまでの電位曲線を示す。図4に示される通り、実施例4では比較例3に比べて過電圧が低減されている。また、比較例3では電解液に含有させた酸化還元媒介体が負極へ拡散して自己放電を起こすシャトル効果が観察されているが、実施例4ではシャトル効果が抑制されていることがわかる。 FIG. 4 shows a constant-current discharge-charge cycle test using the lithium-air batteries of Example 4, in which the redox mediator was contained in the air electrode, and Comparative Example 3, in which the electrolyte solution contained the same amount of the redox mediator. shows the potential curve up to 15 cycles when performing As shown in FIG. 4 , the overvoltage is reduced in Example 4 compared to Comparative Example 3. Further, in Comparative Example 3, a shuttle effect was observed in which the redox mediator contained in the electrolytic solution diffused to the negative electrode to cause self-discharge, but in Example 4, the shuttle effect was suppressed.

図5は、実施例4及び比較例3のリチウム空気電池を用いて定電流放充電サイクル試験を行ったときの、設定した放充電容量までの容量維持性を示す。図5に示される通り、実施例4のリチウム空気電池では、比較例3のリチウム空気電池と比べて容量維持性が向上している。 FIG. 5 shows capacity retention up to a set discharge/charge capacity when the lithium-air batteries of Example 4 and Comparative Example 3 were subjected to a constant current discharge/charge cycle test. As shown in FIG. 5, in the lithium-air battery of Example 4, compared with the lithium-air battery of Comparative Example 3, the capacity retention is improved.

以上のように、実施例におけるリチウム空気電池では、長期の充放電サイクルにおいて過電圧が低減されており、優れた容量維持性を示している。この作用機構は必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。 As described above, in the lithium-air batteries of Examples, the overvoltage is reduced in long-term charge-discharge cycles, and excellent capacity retention is exhibited. Although the mechanism of this action is not necessarily clear, it is presumed as follows.

電解液中へ酸化還元媒介体を溶解する方法では、酸化還元媒介体の空気極への供給量は当該酸化還元媒介体と空気極との吸着平衡や電解液中の拡散速度に依存する。一方、あらかじめ酸化還元媒介体を空気極に含有させた場合には、多くの酸化還元媒介体が反応場に存在しているものと推測され、その効果もより効率良く発揮されているものと考えられる。 In the method of dissolving the redox mediator in the electrolyte, the amount of the redox mediator supplied to the air electrode depends on the adsorption equilibrium between the redox mediator and the air electrode and the diffusion rate in the electrolyte. On the other hand, when the redox mediator is included in the air electrode in advance, it is presumed that a large amount of the redox mediator is present in the reaction field, and its effect is more efficiently exhibited. be done.

また、放電時に析出した過酸化リチウムを充電により分解する際に、酸化還元媒介体が電解液側(すなわち、過酸化リチウムの外表面)からだけでなく、空気極側(すなわち、過酸化リチウムの内部)からも機能し、双方から加速的に分解される効果もあるものと示唆される。 In addition, when the lithium peroxide deposited during discharge is decomposed by charging, the redox mediator is released not only from the electrolyte side (i.e., the outer surface of lithium peroxide) but also from the air electrode side (i.e., lithium peroxide). It is suggested that it also functions from the inside) and that there is also an effect of accelerated decomposition from both.

また、酸化還元媒介体を空気極に含有させることによって、酸化還元媒介体が空気極の触媒層や集電体を覆い、放充電時に生成するスーパーオキシドアニオンラジカル(O ・)に触媒層や集電体が攻撃されて腐食することを抑制できることも期待される。 In addition, by including the oxidation-reduction mediator in the air electrode, the oxidation-reduction mediator covers the catalyst layer and the current collector of the air electrode, and the superoxide anion radicals (O 2 .) generated during charging and discharging process the catalyst layer. It is also expected that the current collector can be prevented from being attacked and corroded.

さらに、過酸化リチウムの空気極表面への析出が均一化され、不均一な析出による目詰まりが緩和される効果も加わっていることが期待される。 Furthermore, it is expected that the deposition of lithium peroxide on the surface of the air electrode is made uniform, and that clogging due to non-uniform deposition is alleviated.

さらに、酸化還元媒介体を空気極に含有させる場合、電解液に対する酸化還元媒介体の溶解度に関わらずより大量の酸化還元媒介体を含有させることが可能になる。例えば、実施例1における酸化還元媒介体を電解液の体積に対する含有量として換算すると、約190mmol/Lである。このため、持続性の高い触媒効果を得ることも可能であると考えられる。 Furthermore, when the redox mediator is included in the cathode, it is possible to include a larger amount of the redox mediator regardless of the solubility of the redox mediator in the electrolyte. For example, the content of the redox mediator in Example 1 is about 190 mmol/L in terms of the volume of the electrolytic solution. Therefore, it is considered possible to obtain a highly sustained catalytic effect.

以上のように、実施例におけるリチウム空気電池では、酸化還元媒介体が空気極の近傍で局所的かつ効果的に機能するため、過電圧を効果的に低減しつつ優れた容量維持性を発現できると考えられる。 As described above, in the lithium-air batteries of the examples, the oxidation-reduction mediator functions locally and effectively in the vicinity of the air electrode, so that the overvoltage can be effectively reduced and excellent capacity retention can be exhibited. Conceivable.

2 正極(空気極)
4 負極
6 電解液
8 セパレーター
10 電源
100 リチウム空気電池
2 positive electrode (air electrode)
4 Negative Electrode 6 Electrolyte 8 Separator 10 Power Supply 100 Lithium Air Battery

Claims (8)

LiNO 、NaNO 、KNO 、RbNO 、CsNO 、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、及びCsIからなる群より選択される少なくとも1つの酸化還元媒介体を含み、前記少なくとも1つの酸化還元媒介体が-40~80℃においてリチウム空気電池用空気極に固体の状態で存在する、リチウム空気電池用空気極。 at least one redox mediator selected from the group consisting of LiNO2, NaNO2, KNO2, RbNO2, CsNO2, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, LiI , NaI , KI , RbI , and CsI ; wherein said at least one redox mediator is present in the lithium air battery cathode in a solid state at -40 to 80°C. 前記少なくとも1つの酸化還元媒介体を含む触媒層を含み、前記触媒層に対する前記少なくとも1つの酸化還元媒介体の含有率は、5質量%~80質量%である、請求項1に記載のリチウム空気電池用空気極。 Lithium air according to claim 1, comprising a catalyst layer containing the at least one redox mediator, wherein the content of the at least one redox mediator with respect to the catalyst layer is 5 wt% to 80 wt%. Air electrode for batteries. 選択される前記少なくとも1つの酸化還元媒介体は、LiNO、NaNO LiBr、NaBr、LiI、NaIからなる群より選択される少なくとも1つを含む、請求項1または2に記載のリチウム空気電池用空気極。 3. The lithium-air battery of claim 1 or 2, wherein the selected at least one redox mediator comprises at least one selected from the group consisting of LiNO2 , NaNO2 , LiBr, NaBr, LiI, NaI. air electrode. 請求項1~請求項のいずれか1項に記載のリチウム空気電池用空気極と、
負極と、
前記空気極及び前記負極の間に存在する電解質と、
を備えるリチウム空気電池。
an air electrode for a lithium-air battery according to any one of claims 1 to 3 ;
a negative electrode;
an electrolyte present between the air electrode and the negative electrode;
Lithium air battery with.
前記電解質が電解液中に存在し、
前記空気極中の前記酸化還元媒介体の含有量が、電解液1Lに対して10mmol以上に相当する量である、請求項に記載のリチウム空気電池。
the electrolyte is present in an electrolytic solution,
5. The lithium air battery according to claim 4 , wherein the content of said oxidation-reduction mediator in said air electrode is an amount corresponding to 10 mmol or more per 1 L of electrolytic solution.
前記電解質が電解液中に存在し、
前記電解液中の前記酸化還元媒介体の濃度が100mmol/L以下である、請求項又は請求項に記載のリチウム空気電池。
the electrolyte is present in an electrolytic solution,
6. The lithium-air battery according to claim 4 , wherein the concentration of said redox mediator in said electrolyte is 100 mmol/L or less.
LiNO 、NaNO 、KNO 、RbNO 、CsNO 、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、及びCsIからなる群より選択される少なくとも1つの酸化還元媒介体と、導電性材料と、結着材と、溶媒と、を混合してスラリーを調製することと、
前記スラリーを集電体に付与して触媒層を形成することと、
を含み、前記少なくとも1つの酸化還元媒介体は、-40~80℃において前記触媒層に固体の状態で存在するようになる、リチウム空気電池用空気極の製造方法。
at least one redox mediator selected from the group consisting of LiNO2, NaNO2, KNO2, RbNO2, CsNO2, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, LiI , NaI , KI , RbI , and CsI ; , mixing a conductive material, a binder, and a solvent to prepare a slurry;
applying the slurry to a current collector to form a catalyst layer;
wherein said at least one redox mediator becomes present in said catalyst layer in a solid state at -40 to 80°C.
前記スラリーの固形分に対する前記少なくとも1つの酸化還元媒介体の含有率は、5質量%~80質量%である、請求項7に記載のリチウム空気電池用空気極の製造方法。 8. The method for producing an air electrode for a lithium air battery according to claim 7, wherein the content of said at least one redox mediator with respect to the solid content of said slurry is 5% by mass to 80% by mass.
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