JP7277419B2 - 酸化鉄粒子含有粉末、および金属空気電池用負極材 - Google Patents
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Description
M + H2O → MO + H2 (放電)
MO + H2 → M + H2O (充電)
前記配合物を粉砕し、酸化鉄粒子と酸化物粒子とを含む酸化鉄粒子含有粉末を得る粉砕工程と
を含む、酸化鉄粒子含有粉末の製造方法。
酸化鉄粒子含有粉末の基材となる酸化鉄粒子は、鉄の酸化反応で安定に生成するFe2O3(ヘマタイト)およびFe3O4(マグネタイト)の少なくとも一方を含む。酸化鉄粒子の含有量は、酸化鉄粒子含有粉末全体に対して80mass%以上とする。酸化鉄粒子含有粉末全体に対する酸化鉄粒子の含有量が80mass%未満の場合、酸化還元反応に寄与する酸化鉄の量が少なくなるため、該酸化鉄粒子含有粉末を用いた酸化還元反応により回収できる電荷量が少なくなる。したがって酸化鉄粒子含有粉末全体に対する酸化鉄粒子の含有量を80mass%以上とする。酸化鉄粒子含有粉末全体に対する酸化鉄粒子の含有量は、85mass%以上が好ましく、90mass%以上がより好ましい。酸化鉄粒子含有粉末全体に対する酸化鉄粒子の含有量の上限は、焼結抑制剤の含有量との関係から、97mass%以下とする。
焼結抑制剤は、上述の酸化鉄粒子同士の焼結を抑制する作用を有する。この作用を有効に発揮させるために、焼結抑制剤としては、鉄の酸化還元を生じさせる雰囲気温度を200℃以上600℃以下の温度域として、大気圧下における酸化物生成の標準生成自由エネルギーΔG0が、同温度域における前記酸化鉄の標準生成自由エネルギーΔG0(Fe2O3:-450~―400kJ/mol,Fe3O4:-470~-425kJ/mol)よりも小さい、すなわち鉄の酸化還元が生ずる雰囲気温度において安定な酸化物を選択する。上述した通り、酸化鉄はFe2O3およびFe3O4の少なくとも一方からなるが、酸化鉄に含まれるFe2O3およびFe3O4のうち、上記温度域における標準生成自由エネルギーΔG0が小さい方よりも、酸化物の上記温度域における標準生成自由エネルギーΔG0が小さければよい。すなわち、酸化鉄がFe3O4を含む場合には酸化物の上記温度域における標準生成自由エネルギーΔG0がFe3O4よりも小さければよい。また、酸化鉄がFe3O4を含まない場合には、200℃以上600℃以下の温度域における標準生成自由エネルギーがFe2O3よりも小さければよい。なお、標準生成自由エネルギーに関しては、例えば、参考文献1のエリンガム図より、各酸化物の200℃および600℃のΔG0の値を用いる。
本実施形態に係る酸化鉄粒子含有粉末の製造方法は、Fe2O3およびFe3O4の少なくとも一方からなる酸化鉄と、該酸化鉄がFe3O4を含む場合にはFe3O4、該酸化鉄がFe3O4を含まない場合にはFe2O3の200℃以上600℃以下の温度域における標準生成自由エネルギーよりも該温度域における標準生成自由エネルギーが小さい酸化物とを、前記酸化鉄を80mass%以上、前記酸化物を3mass%以上の配合比で配合して配合物を得る配合工程と、前記配合物を粉砕し、酸化鉄粒子と酸化物粒子とを含む酸化鉄粒子含有粉末を得る粉砕工程とを含む。
酸化鉄および酸化物粒子の粒子径に関しては、走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope:STEM)と特性X線分析(Energy dispersive X-ray spectroscopy:EDX)により2万倍のマッピング像を3視野取得し、各粒子を各々任意に20粒子選び、その粒子径を測長した。
得られた酸化鉄粒子含有粉末中に含まれる板状粒子の形態および体積分率は、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)および走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope:STEM)を用いて、次のようにして求めた。2000倍のSEM像の中で、線状に見える長さ10μm程度の粒子を数個選び、200万倍のSTEM観察によりこの粒子の厚さを測定し、いずれも厚さが0.01~1μmの板状粒子であることを確認した。次いで、2000倍のSEM像中に存在する板状粒子を任意に20粒子選び、その短辺および長辺を測長し、その平均値からアスペクト比を求めた。板状粒子を構成する一次粒子の径および組成は、200万倍のSTEMと特性X線分析(Energy dispersive X-ray spectroscopy:EDX)とによって確認した。酸化鉄粉末中に存在する板状粒子の割合は、STEM-EDXにより2万倍のマッピング像を3視野取得し、画像処理により板状粒子とそれ以外の粒子とを分離し、板状粒子の割合を体積率として求めた。
酸化鉄粒子含有粉末の酸化還元特性を測定するため、ガス導入と加熱とが可能な熱天秤に図3に示すセル6を配置した装置を用いた。20ccのセル6内に50mgの酸化鉄粒子含有粉末1を導入した。セル6を400℃に保持し、100ml/minで60minの水素ガス導入による酸化鉄の還元処理と、2.8vol%の水蒸気導入を180min行うことによる鉄の酸化処理とを繰返し行なった。還元処理により酸化鉄粒子がFeとなり、酸化処理によりFeが酸化されてすべてFe3O4となる。そのため、酸化還元により酸化鉄粒子含有粉末1の重量が変化する。各還元処理後および酸化処理後の酸化鉄粒子含有粉末1の重量変化ΔMを測定した。
2 酸化鉄粒子
3 酸化物粒子
4 板状粒子
5 空気電極
6 セル
7 金属空気電池
Claims (6)
- Fe2O3およびFe3O4の少なくとも一方からなる酸化鉄を含む酸化鉄粒子を80mass%以上、ならびに、該酸化鉄がFe3O4を含む場合にはFe3O4、該酸化鉄がFe3O4を含まない場合にはFe2O3の200℃以上600℃以下の温度域における標準生成自由エネルギーよりも該温度域における標準生成自由エネルギーが小さい酸化物を含む酸化物粒子を3mass%以上含み、厚さが0.01μm以上1μm以下であり、かつアスペクト比が2.0以上である板状粒子を、10vol%以上含有する、酸化鉄粒子含有粉末。
- 前記酸化物粒子は、酸化クロム、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ニオブ、酸化チタン、および酸化バナジウムからなる群から選ばれる1つまたは2つ以上を含有する、請求項1に記載の酸化鉄粒子含有粉末。
- 前記板状粒子は、前記酸化鉄粒子および前記酸化物粒子を含む複合粒子である、請求項1または2に記載の酸化鉄粒子含有粉末。
- 前記酸化物は、前記酸化鉄との密度の差が±1.0g/cm 3 以内である、請求項1から3のいずれか1項に記載の酸化鉄粒子含有粉末。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の酸化鉄粒子含有粉末を含む、金属空気電池用負極材。
- Fe 2 O 3 およびFe 3 O 4 の少なくとも一方からなる酸化鉄と、該酸化鉄がFe 3 O 4 を含む場合にはFe 3 O 4 、該酸化鉄がFe 3 O 4 を含まない場合にはFe 2 O 3 の200℃以上600℃以下の温度域における標準生成自由エネルギーよりも該温度域における標準生成自由エネルギーが小さい酸化物とを、前記酸化鉄を80mass%以上、前記酸化物を3mass%以上の配合比で配合して配合物を得る配合工程と、
前記配合物を粉砕し、酸化鉄粒子と酸化物粒子とを含む酸化鉄粒子含有粉末を得る粉砕工程と
を含む、酸化鉄粒子含有粉末の製造方法。
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